Способ сжигания топлива и теплоиспользующая установка Советский патент 1992 года по МПК F23C9/06 F22B33/18 

Изобретение относится к сжиганию топлива в теплоиспользующих установках и может применяться в различных отраслях промышленности.

Известен способ сжигания газа с утилизацией теплоты отходящих газов, основанный на термохимической регенерации тепла, включающий смешивание топлива с парами воды, нагрев смеси, осуществление каталитической конверсии полученной смеси и возврат конвертированного топлива в теплоиспользующую установку на сжигание.

Способ осуществляют в реакторе. Водяной пар смешивают с топливом в стехиометрическом соотношении. В реактор подают одновременно водяной пар, топливо и катализатор конверсии -. оплива, например, марки КСН. В полученной смеси под действием нагрева происходит эндотермическая реакция паровой конверсии, в результате него запасается тепловая энергия, которая повторно используется в теплоиспользующей установке, например в печи.

Однако этот способ недостаточно эффективен в результате сравнительно низкой интенсивности паровой конверсии метана. Кроме того, на процесс идет большое количество водяного пара (1,25 кг на 1 кг метана), а значит большое количество тепла. Осуществляют нагрев всей смеси вместе с катализатором, что приводит к быстрому разрушению последнего, с уходящими газами теряется значительное количество тепла.

Наиболее близким к предлагаемому яв- ляется способ, основанный на термохимической регенерации тепла, использующий в качестве теплоносителя часть отходящих газов.

Известная установка содержит нагре- вательную печь, воздухоподогреватель, химреактор для проведения конверсии и смеситель. Утилизацию тепла осуществляют следующим образом. Органическое топливо, например метан и 20-50% отходящих газов, направляют в смеситель и затем смесь подают в смесеподогреватель. После прогрева до температуры выше температуры начала каталитической конверсии смесь транспортируют в химреактор, где происхо- дит конверсия органического топлива со своими продуктами сгорания, по реакции:

СЩ + Н20 СО + ЗН2 49,3 ккал/моль() СН4 + С02 2СО + 2Н2 59,1 ккал/моль (II)

На осуществление эндотермических реакций (I) и (II) требуется тепло. Часть физического тепла продуктов сгорания, выходящих из устройства, расходуется на осуществление этих реакций и превращается в химическую энергию продуктов термического превращения и вместе с ними возвращается в теплоиспользующую установку.

Указанный способ имеет ряд недостатков. В продуктах сгорания содержится треть дополнительного количества азота, что значительно влияет на эффективность сжигания топлива. При полной конверсии метана на 4 объема конвертированного газа приходится 2,5 объема азота:

СН4 + 1/3(С02 + 2Н20 + 7,52N2) -4/3CO + 8/3H2 + 2,51N2

Следовательно, при осуществлении полной конверсии метана дополнительно в систему рециркуляции направляется азот в объеме 62,5% от сжигаемого количества га- за. Наличие балласта существенно снижает температуру факела так как на нагрев азота затрачивается определенное количество тепла.

Наличие азота также снижает теплопе- редачу излучением за счет уменьшения степени черноты факела,

У забалластированного азотом конвертированного газа ухудшаются характеристики горения, например интенсивность

5

10 15 0

5

0 5

0

5

0

5

смешения с воздухом, сужаются пределы воспламенения смеси, удлиняется факел, меняется его структура. Избыток нагретого до высоких температур азота в системе рециркуляции приводит к увеличению тепло- потерь s системе;

При сжигании топлива, благодаря изменению кинетики горения и снижению температуры факела, с одной стороны уменьшается выход окислов азота, а с другой стороны, в связи с повышением концентрации азота в топке, равновесие химической реакции смещается в сторону выхода окислов азота. При одной и той же температуре факела выход окислов азота тем больше, чем выше содержание азота в конвертированном топливе. Диапазон применения известного способа невелик, так как температура каталитической конверсии, например метана, составляет 500- 900°С.

Прм температуре ниже 700°С и недостатке окислителей при конверсии топлива образуется мелкозернистый рыхлый углерод, который проникает во внутренние поры катализатора и при последующей газификации разрушает его. Это явление наблюдается при применении известного способа. Никелевые катализаторы наиболее чувствительны к действию соединений серы, содержащихся в топливе. Чем выше концентрация серы, тем больше скорость отравления катализатора, В известном способе вместе с продуктами сгорания на каталитическую конверсию подаются и окислы серы. В известном способе не используется скрытая теплота конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания, а сами водяные пары бесполезно выбрасываются в атмосферу при том, что в ряде регионов есть трудности с обеспечением водой.

Известна конструкция теплоиспользую- щей установки, содержащая снабженный контактным воздухоподогревателем и экономайзером котел, параллельно подключенный своими подающим и обратным теплопроводами к тепловой сети, и поверхностный теплообменник, нагреваемый тракт которого соединен с контактным воздухоподогревателем. Экономайзер имеет сборник конденсата, соединенный через деаэратор с сетью теплоснабжения.

Недостатками данного устройства являются низкая эффективность и повышенный выброс вредных веществ в атмосферу.

Известка также теплоиспользующая установка, в которой сжигают топливо с утилизацией тепла продуктов сгорания путем термохимической регенерации тепла.

Установка содержит камеру сгорания, системы подачи топлива и отвода продуктов сгорания, смеситель исходного топлива и продуктов сгорания, реактор конверсии топлива, воздухоподогреватель и нагрева- тель газа.

Работает установка следующим образом.

Продукты сгорания, выходящие из нагревательной печи, отдают часть тепла в водонагревателе, а затем нагревают конвертированное топливо в нагревателе газа. После нагревателя часть продуктов сгорания перекачивается вентилятором (или другим дутьевым устройством) в реактор конверсии, где вступает в эндотермические реакции с органическим топливом и образует новое газообразное горючее, которое после нагревателя поступает в камеру сгорания, где сжигается в подогретом воздухе.

Целью изобретения является повышение экономичности и снижение концентрации окислов азота в продуктах сгорания.

Поставленная цель достигается тем, что смесь топлива с продуктами сгорания нагревают до температуры выше температуры конвертирования топлива, при этом продукты сгорания охлаждают ниже температуры конденсации водяных паров, конденсат на- гревают продуктами сгорания до кипения с осуществлением термодесорбции, а полученный выпар смешивают с исходным топливом.

В случае, если температура отходящих газов ниже температуры начала каталитической конверсии, то дополнительный нагрев смеси осуществляется путем сжигания части исходного топлива с последующим смешением полученных при этом продуктов сгорания, выпара и исходного топлива. При необходимости, преимущественное котельной, конденсат, прошедший термодесорбцию, подают в сеть теплоснабжения.

Теплоиспользующая установка для реализации предлагаемого способа содержит камеру сгорания, узел подачи топлива и тракт отвода продуктов сгорания, смеситель и реактор конверсии топлива, а также дополнительно снабжена экономайзером со сборником конденсата и дегазатором-испарителем, включенным в тракт отвода продуктов сгорания через сборник конденсата; при этом выход этого дегазатора подключен к смесителю.

При недостаточной температуре продуктов сгорания по отношению к температуре начала каталитической конверсии теплоиспользующая установка снабжена

дополнительной камерой сгорания, подключенной к смесителю.

При необходимости использования нагретого конденсата в системе теплоснабже- ния выход дегазатора-испарителя подключен к сети теплоснабжения.

Выход жидкой фазы дегазатора-испарителя может быть также подключен последовательно к воздухонагревателю и системе распыла экономайзера.

Установка может быть также снабжена дополнительным поверхностным теплообменником-воздухоподогревателем, вход теплоносителя у которого подключен к сборнику конденсата экономайзера, а выход его - к системе распыления охлаждающей воды.

Известен признак способа: водяные пары, содержащиеся в продуктах сгорания теплоиспользующей установки, конденсируют. Благодаря этому признаку используется теплота конденсации водяных паров, находящихся в продуктах сгорания. Известна также операция последующего нагрева конденсата с проведением дегазации. Процесс проводится в деаэраторе. Использование этих операций позволяет отказаться от химической очистки воды, питающей, например, тепловую сеть системы теплоснабжения, Однако в деаэраторе конденсат не нагревают до кипения, выпар поступает в атмосферу, теплота, затраченная на испарение воды, теряется. Согласно изобретению конденсат нагревают до кипения. Теплота, затраченная на испарение воды, затем используется в камере сгорания (в топке). В результате доведения конденсата до кипения получают высокую степень очистки конденсата от растворенных в нем газов. Нагрев производят за счет продуктов сгорания. В известном решении нагрев в деаэраторе производят за счет посторонних источников энергии - пара или перегретой воды. Объясняется это необходимостью вести процесс в узком температурном диапазоне, не доводя конденсат до кипения.

Известна операция нагрева воды до кипения за счет теплоты продуктов сгорания в паровых котлах. Однако таким образом производят испарение конденсата, полученного не из продуктов сгорания.

На фиг. 1 изображена схема нагревательной печи, реализующей предлагаемый способ; на фиг. 2 - схема котельной установки, реализующей предлагаемый способ.

Установка состоит из печи 1, системы 2 отвода продуктов сгорания и расположенных по ходу отвода продуктов сгорания сме- сителя 3, реактора 4 каталитической

конверсии, воздухоподогревателя 5, дегазатора-испарителя 6, выполненного, например, в виде цилиндрического сосуда. Контактный экономайзер 7 имеет сборник 8 конденсата, распылитель 9 влаги, насадок 10. К экономайзеру 7 подключен вентилятор 11 отвода продуктов сгорания. Тракт отвода конденсатора 12 снабжен насосом 13 и подключен к входу в дегазатор-испаритель 6. Выход 14 парогазовой смеси дегазатора-испарителя 6 подключен через соединительную линию 15 к смесителю 3. К смесителю подведен трубопровод 16 подачи топлива. Выход смесителя 3 присоединен к химическому реактору 4 для проведения каталитической конверсии.

Конвертированное топливо подаётся по трубопроводу 17 на сжигание в газовую горелку 18. Воздух в горелку поступает из вентилятора 19, проходит последовательно через дополнительный воздухоподогреватель 20, воздухоподогреватель 5 и направляется по воздуховоду 21 в газовую горелку 18.

Теплоносителем в поверхностном теплообменнике-воздухоподогревателе 20 является нагретый конденсат, подаваемый насосом 22. Охлажденный конденсат по трубопроводу 23 подается в распылитель 9 влаги экономайзера 7. Трубопровод 17 подачи конвертированного топлива имеет ответвление 24 к другой теплоиспользую- щей установке (если возникает такая необходимость). Ответвление снабжено запорно-регулирующим органом 25.

Сборник 8 конденсата имеет отвод 26 с баком-аккумулятором 217 и питательным насосом 28. Установка снабжена регулятором 29 расхода с датчиком 30 температуры продуктов сгорания.

Вариант теплоиспользующей установки - котельная установка (рис. 2) снабжена котлом 31, соединенным трактом 32 продуктов сгорания с дегазатором-испарителем 33, имеющим патрубок 34 выхода выпара. К тракту 32 продуктов сгорания подключен контактный экономайзер 35. Последний имеет сборник 36 конденсата, распылитель 37 влаги, насадок 38. К экономайзеру присоединен вентилятор 39 отвода продуктов сгорания. Тракт 40 отвода конденсата имеет насос 41 и подключен к входу дегазатора-испарителя. Тракт 42 выхода жидкой фазы подключен к подающей линии 43 сети теплоснабжения, которая также включает обратный трубопровод 44 и потребитель 45 теплоты.

Выход выпара из дегазатора-испарителя присоединен к смесителю 46 с камерой 47 сгорания. Выход смесителя 46 сопряжен

с входом в химический реактор 48 конверсии топлива, соединенный трубопроводом 49 с газовой горелкой 50.

На трубопроводе расположен датчик 51

расхода топлива с регулятором 52 расхода парогазовой фазы. Система имеет аккумуляторный бак 53 с насосом 54. В установке имеется охладитель 55.

Установка с нагревательной печью (рис.

0 1) работает следующим образом.

Топливо, например природный газ, по трубопроводу поступает в смеситель. Туда же поступает выпар из дегазатора-испарителя. Количество выпара составляет от 20 до

5 100% от исходного топлива. Температура продуктов сгорания в нагревательной печи пусть равна 900°С. В смеситель 3 смесь подогревается выше температуры каталитической конверсии, например до 900°С, и

0 поступает в химический реактор 4, Катализатором конверсии служит, например, ка- тализйгор типа КСН. В полученной смеси происходит эндотермическая реакция конверсии метана, в результате которой запа5 сается тепловая энергия, повторно использующаяся в печи. Температура продуктов сгорания падает до 400°С. В воздухоподогревателе 5 продукты сгорания подогревают воздух, идущий на сжигание

0 топлива.

Продукты сгорания при температуре 250°С подают в дегазатор-испаритель. Там происходит кипение конденсата и его дегазация. Образовавшийся выпар, состоящий

5 из паров воды, двуокиси углерода, кислорода, через патрубок 14 и соединительную линию 15 поступает в смеситель 3. Продукты сгорания при температуре 120-130°С направляют в контактный экономайзер 7, где

0 продукты сгорания охлаждаются, пары из них конденсируются. Для -более глубокого охлаждения продуктов сгорания в контактной камере экономайзера обеспечивается противоток между нагреваемой водой и вы5 сокотемпературными газами.

В верхней зоне контактной камере установлен кап л еот делитель в виде насадки 10 из слоя мелких керамических колец Рашига. Температура продуктов сгорания на выхо0 де из экономайзера составляет 30-40°С. Образовавшийся конденсат из сборника 8 поступает в дегазатор-испаритель 6. Затем конденсат, частично испарившийся и освобожденный от растворенных в нем га5 зов, поступает в воздухоподогреватель 20 первой ступени, где отдает свое тепло холодному воздуху. Охлажденный конденсат по трубопроводу 23 подают в распылитель 9 влаги экономайзера 7. В экономайзере цикл нагрева конденсата и конденсации

влаги из продуктов сгорания повторяется. Избыток конденсата накапливают в аккумуляторном баке 27 и при необходимости подают насосом 28 в сеть теплоснабжения.

В случае целесообразности конвертируемый газ можно использовать в другой теп- лоиспользующей установке, для чего предусмотрены запорно-регулирующее устройство 25 и трубопровод 24.

Температура продуктов сгорания поддерживается на установленном уровне с помощью регулятора расхода конденсата, установленного на трубопроводе 23, связанном с датчиком температуры, размещенным за дегазатором-испарителем.

Котельная установка работает следующим образом (рис. 2).

Топливо сжигается в котле 31 и нагревает воду, циркулирующую в системе теплоснабжения, которую затем направляют по трубопроводу 43 к потребителю 45. По обратному трубопроводу 44 вода возвращается в котельную. Из котла продукты сгорания с температурой 200°С поступают в дегазатор-испаритель, в котором нагревают конденсат до температуры кипения, например до 100-120°С. Конденсат частично испаряется, одновременно с испарением из конденсата удаляются растворенные в нем двуокись углерода и кислород. Конденсат теряет коррозионную активность и может быть использован в качестве подпи- точной воды в системе теплоснабжения. Продукты сгорания, пройдя дегазатор-испаритель 33, с температурой 120-130°С направляются в контактный экономайзер 35, где охлаждаются, а пары воды в них конденсируются.

Для более эффективного охлаждения продуктов сгорания в контактной камере экономайзера осуществляют противоток нагреваемой воды и продуктов сгорания. В верхней зоне контактной камеры установлен каплеотделителъ в виде насадка 38 из слоя мелких керамических колец Рашига. Температура продуктов сгорания на выходе из экономайзера составляет 30-40°С. Образовавшийся конденсат собирается в сборнике 36 и оттуда подается в дегазатор- испаритель 33.

Выпар смеси водяных паров, двуокиси углерода и кислорода через патрубок 34 подают в смеситель 46 при температуре, например 100°С. Туда же подают и природный газ. Для нагрева полученной смеси выше температуры начала каталитической конверсии, например 800°С часть исходного топлива сжигают в камеое 47 сгорания, полученные высокотемпературные продукты сжигания смешив.эют со смесью в смесителе 36. Чтобы избежать образования окислов азота, сжигание в камере 47 производят с недостатком кислорода. Нагретую выше температуры начала каталитической конверсии смесь подают в химический реактор конверсии топлива, откуда она поступает в горелку на сжигание.

Можно сжигать смесь конвертированного топлива с природным газом. Соотношение между подаваемым в смеситель 46 исходным топливом и парогазовой смесью из испарителя-дегазатора устанавливают регулятором 52 расхода парогазовой смеси, связанным с датчиком 51 расхода природного газа. Часть конденсата из сборника 36 через поверхностный теплообменник 55 охлаждают и вновь подают в распылитель 37 влаги. Нагретая в теплообменнике 55 вода может быть использована в системе горячего водоснабжения котельной. В качестве теплоносителя в теплообменнике может быть использована обратная вода системы теплоснабжения. Избыток конденсата собирается в аккумуляторном баке 53, который

при необходимости используется на внутренние нужды котельной или в системах водоснабжения внешних потребителей. В качестве теплообменника 55 может быть использован тепловой насос.

Использование предлагаемого способа и устройства повышает эффективность сжигания топлива в результате снижения забал- лзстирования конвертированного газа азотом; использования скрытой теплоты

конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания; использования воды, сконденсированной в экономайзере; увеличения сроков службы катализаторов, применяемых при конверсии топлива.

Расширяется диапазон применения конверсии топлива путем предварительного сжигания части исходного топлива в камере сгорания.

В результате снижения концентрации

азота в топке, а также предварительному сжиганию части исходного топлива до проведения каталитической конверсии в условиях, исключающих образование окислов азота, количество вредных выбросов сокращается.

Формула изобретения 1. Способ сжигания топлива путем нагрева его смеси продуктами сгорания вы- ше температуры конвертирования топлива, отличающийся тем, что, с целью повышения экономичности и снижения концентрации окислов азота в продуктах сгорания, последние охлаждают ниже температуры конденсации водяных паров, полученный конденсат нагревают продуктами сгорания до температуры кипения с осуществлением термодесорбции, а полученный выпар смешивают с исходным топливом.

2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что часть исходного топлива сжигают в отдельной камере сгорания, а образовавшиеся продукты сгорания смешивают с выпа- ром.

3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что при сжигании в теплоизолирующей установке, преимущественно котельной, прошедший термодесорбцию конденсат подают в сеть теплоснабжения.

4.Теплоиспользующая установка, содержащая камеру сгорания, узел подачи топлива и тракт отвода продуктов сгорания, смеситель и реактор конверсии топлива, отличающаяся тем, что, с целью повышения экономичности и снижения концентрации окислов азота в .продуктах сгорания, она дополнительно содержит экономайзер со сборником конденсата и дегазатор-испаритель, включенный в тракт отвода продук0

5

0

5

тов сгорания через сборник конденсата, а выход этого дегазатора подключен к смесителю.

5.Установка по п. 4, отличающаяся тем, что она содержит дополнительную камеру сгорания, подключенную к смесителю.

6.Установка по п. 4, отличаю щ а - я с я тем, что, с целью повышения экономичности при сжигании топлива в котельной установке, выход жидкой фазы дегазатора- испарителя подключен к сети теплоснабжения.

7.Установка по п. 4, отличающаяся тем, что выход жидкой фазы дегазатора-испарителя подключен к воздухоподогревателю и системе распыла экономайзера,

8.Установка по п. 4, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит поверхностный теплообменник-воздухоподогреватель, вход теплоносителя которого подключен к сборнику конденсата экономайзера, а выход - к системе распыления охлаждающей воды.

Изобретение касается сжигания топлива в теплоиспользующих установках (котлах, печах и т. д.), может применяться в различных отраслях промышленности и позволяет повысить эффективность процесса и снизить концентрацию окислов азота в продуктах сгорания. Установка содержит камеру сгорания, систему подачи топлива и продуктов сгорания, смеситель исходного топлива и реактор конверсии топлива. Теп- лоиспользующая установка снабжена дополнительно экономайзером 7 со сборником конденсата 8 и дегазатором-испарителем 6, включенным в систему отвода продуктов сгорания. Способ сжигания топлива включает нагрев смеси исходного топлива с продуктами сгорания выше температуры начала каталитической конверсии, конверсию с последующим сжиганием конвертированного топлива, охлаждение продуктов сгорания до температуры ниже температуры конденсации водяных паров, полученный конденсат нагревают продуктами сгорания до температуры кипения с осуществлением термодесорбции, а полученный выпар смешивают с исходным топливом. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 2 ил,