ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОТЕЛ СЖИГАНИЯ СЕРОВОДОРОДА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК F23C1/00 

Изобретение может быть использовано в энерготехнологических агрегатах, преимущественно, для установки в линии получения серной кислоты из серосодержащего сырья, состоящего из смеси сероводорода, газов блока очистки кислых вод (БОКВ) и подтопочного газа, и служит для получения оксида серы и насыщенного пара при сжигании технологического газа.

Известна установка для получения серной кислоты, в которой происходит двухступенчатое сжигание серы или сероводорода, включающая два последовательно установленных топочных устройства, для второй ступени сжигания применена горизонтальная циклонная печь, состоящая из форкамеры шаровой формы и цилиндрической камеры дожигания, соединенными между собой выходными каналами, выполненными в перегородке между форкамерой и камерой дожигания по винтовым линиям, ориентированным по направлению крутки газов в форкамере. Форкамера снабжена патрубком для тангенциального подвода продуктов сгорания первой ступени сжигания, форсунками серы и растопочной горелкой. Патрубок установлен со сдвигом вдоль продольной оси печи на величину до 0,5 D шара от центра форкамеры в противоположную от выходных каналов сторону. Патрубки подвода вторичного воздуха расположены сразу же за перегородкой и ориентированы по касательной к ранее сформировавшейся крутке струи газов, выходящих из каналов, попутно ей. Камера дожигания снабжена кирпичной решеткой. Оболочка камеры и форкамеры выполнена из кирпичной кладки. Форкамера и перегородка выполнены из шамотобетона. Печь с внешней стороны ограждена металлической обшивкой из разнесенных листов. Патент РФ №2116564, МПК F23C 6/04, опубликован 27.07.1998.

Известен котел, содержащий верхний и нижний барабаны, соединенные между собой трубами, образующими конвективную поверхность. К верхнему барабану подключены верхние боковые коллекторы, а к нижнему - нижние боковые коллекторы, расположенные с наклоном к фронту котла и соединенные между собой теплообменными трубами, образующими боковые экраны. Патент РФ №2151949 МПК F22B 21/04, опубликован 20.07.1997 Недостатком известных котлов является малый теплосъем в топочной камере котла и, как следствие, низкий КПД котла.

Известны энерготехнологические котлы ПКС-1,6/7, ПКС-4/14 паровые, однобарабанные, башенной компоновки, с естественной циркуляцией, которые устанавливаются в технологической линии производства серной кислоты и предназначены для сжигания сероводородного газа. Котлы-утилизаторы и котлы энерготехнологические. Часть 1. Каталог. Группа предприятий «Энергомаш», ЗАО «Энергомаш (Белгород)», стр.48.

Данный котел имеет большие габариты и металлоемкость.

Известен энерготехнологический котел ПКС-10/40 для сжигания сероводорода, установленный на опоры, водотрубный, двухбарабанный, с естественной циркуляцией, с поворотом газов в горизонтальной плоскости, имеющий двухслойную обшивку, взрывной клапан, пароперегреватель, смотровое окно, горелки (А.В.Чечеткин. Теплотехника, Москва, «Высшая школа» 1986 г., стр.295-297).

Котлы этой серии надежны в работе, имеют тридцатилетний опыт эксплуатации. Однако у них есть и отрицательные черты - увеличенная масса металла, сверхтяжелая обмуровка, сложные высоконапорные вентиляторы.

Впоследствии Белгородским заводом была разработана модификация котлов БЭМ-25 и БЭМ-35 для сжигания сероводорода. В этих котлах изготовитель полностью отказался от циклонов и обмуровки в топке. Журнал «Тяжелое машиностроение», сентябрь 1999 г. Статья «Моноблочные газомазутные котлы типа БЭМ-16, БЭМ-25». Ивицкий С.Н., Масловский Г.В.

Недостатком данных котлов является диссоциация несгоревшего сероводорода в топочных экранах, что ведет к насыщению серой сварных соединений и металла труб. К тому же в котлах данной модели нижний барабан обогревается дымовыми газами с температурой 800-1200°C и на его «верхней» части начинается интенсивное кипение, паровые пузыри слипаются в пленку в верхней части барабана, что приводит к термодинамическому нарушению.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в увеличении КПД котла вследствие более эффективного сжигания сероводорода и повышении эксплуатационной надежности энерготехнологического котла.

Техническим результатом, на достижение которого направлено настоящее изобретение, является повышение надежности циркуляции, уменьшение потери тепла в окружающую среду, снижение ремонтных простоев

Технический результат достигается за счет того, что в энерготехнологическом котле сжигания сероводорода, водотрубном, с естественной циркуляцией, включающем барабан с двухступенчатой сепарацией и предохранительными клапанами, установленный на отдельном каркасе, с лестницами и площадками обслуживания, и котельный блок с топкой и конвективными пакетами, закрепленный на раме и имеющий двухслойную обшивку, установленные на котельном блоке горелку, взрывной клапан и смотровые окна для осмотра и ремонта поверхностей нагрева во время остановок котельного блока, топка котельного блока выполнена в форме равнобокой трапеции, основания которой расположены вертикально, и образована двумя мембранными экранами, каждый из которых состоит из труб, объединенных в единый блок с помощью мембранных проставок, при этом для обеспечения полного сжигания сероводорода и предотвращения сероводородного растрескивания материала топки, хорошего воспламенения горючей смеси входная часть топки выполнена в виде зажигательного пояса, под топки закрыт шамотным кирпичом, а для обеспечения надежной циркуляции трубы, образующие под и потолок топки, расположены под углом наклона 15° к горизонтали. Дополнительно зажигательный пояс образован натрубной обмуровкой из огнеупорной хромитовой обмазки, а его длина не менее 1 м.

Дополнительно между топкой, первым конвективным пакетом и вторым конвективным пакетом установлены ремонтные проемы - промежуточные секции газохода с изоляцией из шамотомулитовых плит.

Дополнительно на боковых поверхностях промежуточных секций газохода расположены смотровые окна.

Дополнительно топка, конвективные пакеты и ремонтные проемы - промежуточные секции - образуют общий газоход с газоплотной мембранной обшивкой, а трубы, образующие под и потолок газохода, расположены под углом наклона 15° к горизонтали.

Технический результат также достигается за счет того, что в энерготехнологическом котле сжигания сероводорода, водотрубном, с естественной циркуляцией, включающем барабан с двухступенчатой сепарацией и предохранительными клапанами, установленный на отдельном каркасе, с лестницами и площадками обслуживания, и котельный блок с топкой и конвективными пакетами, закрепленный на раме и имеющий двухслойную обшивку, установленные на котельном блоке горелку, взрывной клапан и смотровые окна для осмотра и ремонта поверхностей нагрева во время остановок котельного блока, общая гидравлическая циркуляционная система котельного блока состоит из четырех циркуляционных контуров: циркуляционного контура топки и трех циркуляционных контуров конвективных пакетов, циркуляционный контур каждого конвективного пакета образован водоподводящим нижним коллектором, пароотводящим верхним коллектором, расположенными вдоль боковой поверхности конвективного пакета, соединенными наклонными трубами - верхними и нижними с дополнительными коллекторами.

Кроме того, водоподводящие нижние коллекторы циркуляционных контуров топки и каждого конвективного пакета соединены трубами рециркуляции с пароотводящими верхними коллекторами.

Кроме того, дополнительные коллекторы соединены трубами рециркуляции.

Кроме того, в верхнюю часть рециркуляционных труб предусмотрена подача питательной воды через штуцер.

Кроме того, энерготехнологический котел сжигания сероводорода входит в состав модуля, состоящего из двух энерготехнологических котлов на отдельных рамах, объединенных в едином каркасе.

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг.1 - общий вид энерготехнологического котла;

Фиг.2 - вид с фронта котла;

Фиг.3 - продольный разрез блока котельного;

Фиг.4 - поперечный разрез топки;

Фиг.5 - поперечный разрез конвективной части газохода.

Энерготехнологический котел сжигания сероводорода является котлом пролетного типа с естественной циркуляцией и включает котельный блок 1, для удобства сборки, монтажа и транспортировки закрепленный на наклонной стойке 2 рамы 3 и зафиксированный на ней с помощью упоров, барабан 4 с двухступенчатой сепарацией, установленный на отдельном каркасе 5 с лестницами и площадками обслуживания (не показаны). Для обеспечения надежности работы котла на барабане 4 установлены предохранительные клапаны 6. Барабан 4 расположен в любом месте выше котла, но на таком расстоянии от него, чтобы обеспечить надежную циркуляцию.

Котельный блок 1 включает топку 7 в форме равнобокой трапеции, основания которой расположены вертикально, образованную двумя мембранными экранами 8 и 9, каждый из которых состоит из 73 труб 10, например, диаметром ⌀57×5 сталь 20, расположенных с шагом 75 мм, объединенных в единый блок с помощью мембранных проставок 11. Циркуляционный контур топки 7 образован трубами 10 мембранных экранов 8 и 9, и водоподводящим нижним коллектором 12, и пароотводящим верхним коллектором 13. Под 14 топки 7 закрыт шамотным кирпичом, для обеспечения надежной циркуляции трубы, образующие под и потолок топки, расположены под углом наклона 15° к горизонтали.

На входе в топку 7 установлена горелка 15, присоединенная к фурме 16 из огнеупорного кирпича.

Для обеспечения полного сжигания сероводорода и предотвращения сероводородного растрескивания материала топки, хорошего воспламенения горючей смеси входная часть топки 7 выполнена в виде зажигательного пояса 17, образованного натрубной обмуровкой из огнеупорной хромитовой обмазки, при этом длина зажигательного пояса не менее 1 м.

На выходе из топки 7 установлен взрывной клапан 18.

Котельный блок 1 содержит конвективную часть, выполненную из трех конвективных пакетов 19, 20 и 21.

Конвективные пакеты 19, 20 и 21 состоят из конвективных ширм 22, по шесть ширм в каждом конвективном пакете, выполненных из вертикально расположенных труб 23 диаметром ⌀57х5 сталь 20, боковые поверхности 24 конвективных пакетов выполнены с изоляцией из шамотомулитовых плит.

Циркуляционный контур каждого конвективного пакета представляет собой единый водяной тракт и образован водоподводящим нижним коллектором 25, пароотводящим верхним коллектором 26, расположенными вдоль боковой поверхности конвективного пакета, соединенными наклонными трубами - верхними 27 и нижними 28 с дополнительными коллекторами - нижним 29 и верхним 30, при этом концы труб 23 присоединены к наклонным трубам 27 и 28.

Общая гидравлическая циркуляционная система котельного блока 1 состоит из четырех циркуляционных контуров: циркуляционного контура топки 7 и трех циркуляционных контуров конвективных пакетов 19, 20 и 21.

Для повышения надежности циркуляции водоподводящий нижний коллектор 12 и пароотводящий верхний коллектор 13 соединены в зоне расположения топки 7 трубами рециркуляции 31, например двумя. А в зоне расположения конвективных пакетов - водоподводящим нижним коллектором 25, пароотводящим верхним коллектором 26, соединены трубами рециркуляции 32 дополнительные коллекторы - нижний 29 и верхний 30, соединены трубами рециркуляции 33.

Между топкой 7 и первым конвективным пакетом 19, первым конвективным пакетом 19 и вторым конвективным пакетом 20 установлены ремонтные проемы - промежуточные секции 34 с изоляцией из шамотомулитовых плит, на боковых поверхностях секций 34 расположены смотровые окна 35 для осмотра и ремонта поверхностей нагрева во время остановок котельного блока.

Топка 7, конвективные пакеты 19, 20 и 21 и ремонтные проемы - промежуточные секции 34 образуют общий газоход с газоплотной мембранной обшивкой.

Для обеспечения надежной циркуляции трубы, образующие под и потолок газохода, расположены под углом наклона 15° к горизонтали. Продольные шаги ширм - топочных и конвективных - позволяют производить, при необходимости, замену ширм. Сварные швы открыты и доступны для осмотра.

Так как сероводород - токсичный газ, то котельный блок 1 выполнен с двухслойной обшивкой: первая внутренняя обшивка - это газоплотная мембранная обшивка всего газохода, вторая обшивка - наружная внешняя рубашка 36, пространство между ними предназначено для подачи воздуха на горение и охлаждения обшивки газохода.

На выходе из котельного блока 1 расположен патрубок 37 для выхода SO₂.

Для обеспечения естественной циркуляции в зоне топки и каждого конвективного пакета и отвода пароводяной смеси из верхнего пароотводящего коллектора 13 и верхних пароотводящих коллекторов 26 в барабан 4 установлены пароотводящие трубы 38, для возвращения воды из барабана 4 в нижние водоподводящие коллекторы 12, 25 установлены опускные трубы 39. Для уменьшения сноса пара и поддержания надежной циркуляции в верхнюю часть рециркуляционных труб 31, 32 и 33 предусмотрена подача питательной воды через штуцер 40.

Энерготехнологический котел сжигания сероводорода входит в состав модуля, состоящего из двух энерготехнологических котлов на отдельных рамах, объединенных в едином каркасе, предназначенного для установки барабанов, лестниц и площадок обслуживания

Для обслуживания оборудования предусмотрены металлические площадки с настилом из просеченно-вытяжной стали, с ограждением высотой 1 м со сплошной отбортовкой по низу шириной 100 мм, при этом ширина проходов между оборудованием обеспечивает удобство эксплуатации, а тепловая изоляция всего нагретого оборудования: обмуровка паропроводов, сетевых, питательных и подпиточных трубопроводов выполнена таким образом, чтобы температура на наружной поверхности теплоизоляции не превышала 45°C.

Энерготехнологический котел работает следующим образом.

Сероводород и воздух поступают в горелку 15, при этом подача воздуха на горение и охлаждение обшивки газохода осуществляется в пространство между газоплотной мембранной обшивкой всего газохода и наружной внешней рубашкой 36.

Затем в топке 7 происходит реакция окисления с большим выделением тепла H₂S+1,5O₂=H₂O+SO₂+Q

Длина зажигательного пояса 17, выполненного с обмуровкой из огнеупорной хромитовой обмазки, выбрана таким образом, что при прохождении газа в данной зоне обеспечивается полное сжигание сероводорода, при этом предотвращается сероводородное растрескивание материала топки. Температура газов, выходящих из топки 7, не превышает 1200°C. Проходя по газоходу, эти газы охлаждаются до 440°C.

При этом из нижних водоподводящих коллекторов 12 и 25 вода по трубам 10 мембранных экранов 8 и 9 и трубам 23 конвективных ширм 22 поднимается в пароотводящие верхние коллекторы 13 и 26, преобразуясь в пароводяную смесь за счет выделенного при горении тепла, одновременно из нижних коллекторов 25 по наклонной трубе 28 вода подается в дополнительный нижний коллектор 29 и по рециркуляционным трубам 33 поступает в дополнительный верхний коллектор 30. Пароводяная смесь поступает по пароотводящим трубам 37 в барабан 4. В барабане 4 происходит сепарация (отделение) воды от пара. Пар поступает потребителю, вода возвращается по опускным трубам 38 в нижние водоподводящие коллекторы 12 и 26 и снова включается в процесс циркуляции.

Параллельно осуществляется подпитка барабана питательной водой. Такое решение позволяет гарантированно сжигать H₂S и избежать насыщения металла H₂ и S, что часто происходит на топочных экранах мембранных газоплотных котлов. Гидравлическая схема энерготехнологического котла позволяет повысить надежность циркуляции. Все это позволяет повысить эксплуатационную надежность, уменьшить потери тепла в окружающую среду, повысить КПД энерготехнологического котла.

Группа изобретений относится к энергетическому машиностроению, конкретно к топкам водогрейных котлов для сжигания сероводорода, и обеспечивает при ее использовании повышение надежности и уменьшение потерь тепла в окружающую среду и снижение межремонтных простоев. Указанный технический результат достигается тем, что топка котельного блока выполнена в форме равнобокой трапеции, основания которой расположены вертикально, и образована двумя мембранными экранами, каждый из которых состоит из труб, объединнных в единый блок с помощью мембранных проставок, при этом входная часть топки выполнена в виде зажигательного пояса, под топки закрыт шамотным кирпичом, а трубы, образующие под и потолок топки, расположены под углом наклона 15° к горизонтали, или тем, что топка котельного блока выполнена в форме равнобокой трапеции, основания которой расположены вертикально, и образована двумя мембранными экранами, каждый из которых состоит из труб, объединенных в единый блок с помощью мембранных проставок, при этом входная часть топки выполнена в виде зажигательного пояса, под топки закрыт шамотным кирпичом, а трубы, образующие под и потолок топки, расположены под углом наклона 15° к горизонтали. 2 н. и 7 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода водотрубный с естественной циркуляцией, включающий барабан с двухступенчатой сепарацией и предохранительными клапанами, установленный на отдельном каркасе, с лестницами и площадками обслуживания, и котельный блок с топкой и конвективными пакетами, закрепленный на раме и имеющий двухслойную обшивку, установленные на котельном блоке горелку, взрывной клапан и смотровые окна для осмотра и ремонта поверхностей нагрева во время остановок котельного блока, отличающийся тем, что топка котельного блока выполнена в форме равнобокой трапеции, основания которой расположены вертикально, и образована двумя мембранными экранами, каждый из которых состоит из труб, объединенных в единый блок с помощью мембранных проставок, при этом входная часть топки выполнена в виде зажигательного пояса, под топки закрыт шамотным кирпичом, а трубы, образующие под и потолок топки, расположены под углом наклона 15° к горизонтали.

2. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода по п.1, отличающийся тем, что зажигательный пояс образован натрубной обмуровкой из огнеупорной хромитовой обмазки, а его длина не менее 1 м.

3. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода по п.1, отличающийся тем, что между топкой, первым конвективным пакетом и вторым конвективным пакетом установлены промежуточные секции газохода с изоляцией из шамотомулитовых плит.

4. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода по п.3, отличающийся тем, что на боковых поверхностях промежуточных секций газохода расположены смотровые окна.

5. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода по п.3, отличающийся тем, что топка, конвективные пакеты, промежуточные секции образуют общий газоход с газоплотной мембранной обшивкой, а трубы, образующие под и потолок газохода, расположены под углом наклона 15° к горизонтали.

6. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода водотрубный с естественной циркуляцией, включающий барабан с двухступенчатой сепарацией и предохранительными клапанами, установленный на отдельном каркасе, с лестницами и площадками обслуживания, и котельный блок с топкой и конвективными пакетами, закрепленный на раме и имеющий двухслойную обшивку, установленные на котельном блоке горелку, взрывной клапан и смотровые окна для осмотра и ремонта поверхностей нагрева во время остановок котельного блока, отличающийся тем, что общая гидравлическая циркуляционная система котельного блока состоит из четырех циркуляционных контуров: циркуляционного контура топки и трех циркуляционных контуров конвективных пакетов, циркуляционный контур каждого конвективного пакета образован водоподводящим нижним коллектором, пароотводящим верхним коллектором, расположенными вдоль боковой поверхности конвективного пакета, соединенными наклонными трубами - верхними и нижними - с дополнительными коллекторами.

7. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода по п.6, отличающийся тем, что водоподводящие нижние коллекторы циркуляционных контуров топки и каждого конвективного пакета соединены трубами рециркуляции с пароотводящими верхними коллекторами.

8. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода по п.6, отличающийся тем, что дополнительные коллекторы соединены трубами рециркуляции.

9. Энерготехнологический котел сжигания сероводорода по любому из пп.7 и 8, отличающийся тем, что в верхнюю часть рециркуляционных труб предусмотрена подача питательной воды через штуцер.