SU1726898A1 - Способ сжигани топлива и теплоиспользующа установка - Google Patents

Abstract

Изобретение касаетс  сжигани  топлива в теплоиспользующих установках (котлах , печах и т. д.), может примен тьс  в различных отрасл х промышленности и позвол ет повысить эффективность процесса и снизить концентрацию окислов азота в продуктах сгорани . Установка содержит камеру сгорани , систему подачи топлива и продуктов сгорани , смеситель исходного топлива и реактор конверсии топлива. Теп- лоиспользующа  установка снабжена дополнительно экономайзером 7 со сборником конденсата 8 и дегазатором-испарителем 6, включенным в систему отвода продуктов сгорани . Способ сжигани  топлива включает нагрев смеси исходного топлива с продуктами сгорани  выше температуры начала каталитической конверсии, конверсию с последующим сжиганием конвертированного топлива, охлаждение продуктов сгорани  до температуры ниже температуры конденсации вод ных паров, полученный конденсат нагревают продуктами сгорани  до температуры кипени  с осуществлением термодесорбции, а полученный выпар смешивают с исходным топливом. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 2 ил,

Description

Изобретение относитс  к сжиганию топлива в теплоиспользующих установках и может примен тьс  в различных отрасл х промышленности.

Известен способ сжигани  газа с утилизацией теплоты отход щих 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 осуществл ют в реакторе. Вод ной пар смешивают с топливом в стехиометрическом соотношении. В реактор подают одновременно вод ной пар, топливо и катализатор конверсии -. оплива, например, марки КСН. В полученной смеси под действием нагрева происходит эндотермическа  реакци  паровой конверсии, в результате него запасаетс  теплова  энерги , котора  повторно используетс  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 вод ного пара (1,25 кг на 1 кг метана), а значит большое количество тепла. Осуществл ют нагрев всей смеси вместе с катализатором , что приводит к быстрому разрушению последнего, с уход щими газами тер етс  значительное количество тепла.

Наиболее близким к предлагаемому  в- л етс  способ, основанный на термохимической регенерации тепла, использующий в качестве теплоносител  часть отход щих газов .

Известна  установка содержит нагре- вательную печь, воздухоподогреватель, химреактор дл  проведени  конверсии и смеситель. Утилизацию тепла осуществл ют следующим образом. Органическое топливо , например метан и 20-50% отход щих газов, направл ют в смеситель и затем смесь подают в смесеподогреватель. После прогрева до температуры выше температуры начала каталитической конверсии смесь транспортируют в химреактор, где происхо- дит конверси  органического топлива со своими продуктами сгорани , 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) требуетс  тепло. Часть физического тепла продуктов сгорани , выход щих из устройства, расходуетс  на осуществление этих реакций и превращаетс  в химическую энергию продуктов термического превращени  и вместе с ними возвращаетс  в теплоиспользующую установку .

Указанный способ имеет р д недостатков . В продуктах сгорани  содержитс  треть дополнительного количества азота, что значительно вли ет на эффективность сжигани  топлива. При полной конверсии метана на 4 объема конвертированного газа приходитс  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 рециркул ции направл етс  азот в объеме 62,5% от сжигаемого количества га- за. Наличие балласта существенно снижает температуру факела так как на нагрев азота затрачиваетс  определенное количество тепла.

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

У забалластированного азотом конвертированного газа ухудшаютс  характеристики горени , например интенсивность

5

10 15 0

5

0 5

0

5

0

5

смешени  с воздухом, сужаютс  пределы воспламенени  смеси, удлин етс  факел, мен етс  его структура. Избыток нагретого до высоких температур азота в системе рециркул ции приводит к увеличению тепло- потерь s системе;

При сжигании топлива, благодар  изменению кинетики горени  и снижению температуры факела, с одной стороны уменьшаетс  выход окислов азота, а с другой стороны, в св зи с повышением концентрации азота в топке, равновесие химической реакции смещаетс  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 применени  известного способа невелик, так как температура каталитической конверсии , например метана, составл ет 500- 900°С.

Прм температуре ниже 700°С и недостатке окислителей при конверсии топлива образуетс  мелкозернистый рыхлый углерод , который проникает во внутренние поры катализатора и при последующей газификации разрушает его. Это  вление наблюдаетс  при применении известного способа. Никелевые катализаторы наиболее чувствительны к действию соединений серы, содержащихс  в топливе. Чем выше концентраци  серы, тем больше скорость отравлени  катализатора, В известном способе вместе с продуктами сгорани  на каталитическую конверсию подаютс  и окислы серы. В известном способе не используетс  скрыта  теплота конденсации вод ных паров, содержащихс  в продуктах сгорани , а сами вод ные пары бесполезно выбрасываютс  в атмосферу при том, что в р де регионов есть трудности с обеспечением водой.

Известна конструкци  теплоиспользую- щей установки, содержаща  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 теплоснабжени .

Недостатками данного устройства  вл ютс  низка  эффективность и повышенный выброс вредных веществ в атмосферу.

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

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

Работает установка следующим образом .

Продукты сгорани , выход щие из нагревательной печи, отдают часть тепла в водонагревателе, а затем нагревают конвертированное топливо в нагревателе газа. После нагревател  часть продуктов сгорани  перекачиваетс  вентил тором (или другим дутьевым устройством) в реактор конверсии, где вступает в эндотермические реакции с органическим топливом и образует новое газообразное горючее, которое после нагревател  поступает в камеру сгорани , где сжигаетс  в подогретом воздухе.

Целью изобретени   вл етс  повышение экономичности и снижение концентрации окислов азота в продуктах сгорани .

Поставленна  цель достигаетс  тем, что смесь топлива с продуктами сгорани  нагревают до температуры выше температуры конвертировани  топлива, при этом продукты сгорани  охлаждают ниже температуры конденсации вод ных паров, конденсат на- гревают продуктами сгорани  до кипени  с осуществлением термодесорбции, а полученный выпар смешивают с исходным топливом .

В случае, если температура отход щих газов ниже температуры начала каталитической конверсии, то дополнительный нагрев смеси осуществл етс  путем сжигани  части исходного топлива с последующим смешением полученных при этом продуктов сгорани , выпара и исходного топлива. При необходимости, преимущественное котельной , конденсат, прошедший термодесорбцию , подают в сеть теплоснабжени .

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

При недостаточной температуре продуктов сгорани  по отношению к температуре начала каталитической конверсии теплоиспользующа  установка снабжена

дополнительной камерой сгорани , подключенной к смесителю.

При необходимости использовани  нагретого конденсата в системе теплоснабже- ни  выход дегазатора-испарител  подключен к сети теплоснабжени .

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

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

Известен признак способа: вод ные пары , содержащиес  в продуктах сгорани  теплоиспользующей установки, конденсируют . Благодар  этому признаку используетс  теплота конденсации вод ных паров, наход щихс  в продуктах сгорани . Известна также операци  последующего нагрева конденсата с проведением дегазации. Процесс проводитс  в деаэраторе. Использование этих операций позвол ет отказатьс  от химической очистки воды, питающей, например , тепловую сеть системы теплоснабжени , Однако в деаэраторе конденсат не нагревают до кипени , выпар поступает в атмосферу, теплота, затраченна  на испарение воды, тер етс . Согласно изобретению конденсат нагревают до кипени . Теплота, затраченна  на испарение воды, затем используетс  в камере сгорани  (в топке). В результате доведени  конденсата до кипени  получают высокую степень очистки конденсата от растворенных в нем газов. Нагрев производ т за счет продуктов сгорани . В известном решении нагрев в деаэраторе производ т за счет посторонних источников энергии - пара или перегретой воды. Объ сн етс  это необходимостью вести процесс в узком температурном диапазоне, не довод  конденсат до кипени .

Известна операци  нагрева воды до кипени  за счет теплоты продуктов сгорани  в паровых котлах. Однако таким образом производ т испарение конденсата, полученного не из продуктов сгорани .

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 сгорани  и расположенных по ходу отвода продуктов сгорани  сме- сител  3, реактора 4 каталитической

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

Конвертированное топливо подаётс  по трубопроводу 17 на сжигание в газовую горелку 18. Воздух в горелку поступает из вентил тора 19, проходит последовательно через дополнительный воздухоподогреватель 20, воздухоподогреватель 5 и направл етс  по воздуховоду 21 в газовую горелку 18.

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

Сборник 8 конденсата имеет отвод 26 с баком-аккумул тором 217 и питательным насосом 28. Установка снабжена регул тором 29 расхода с датчиком 30 температуры продуктов сгорани .

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

Выход выпара из дегазатора-испарител  присоединен к смесителю 46 с камерой 47 сгорани . Выход смесител  46 сопр жен

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

На трубопроводе расположен датчик 51

расхода топлива с регул тором 52 расхода парогазовой фазы. Система имеет аккумул торный бак 53 с насосом 54. В установке имеетс  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-испарител . Количество выпара составл ет от 20 до

5 100% от исходного топлива. Температура продуктов сгорани  в нагревательной печи пусть равна 900°С. В смеситель 3 смесь подогреваетс  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 эндотермическа  реакци  конверсии метана, в результате которой запа5 саетс  теплова  энерги , повторно использующа с  в печи. Температура продуктов сгорани  падает до 400°С. В воздухоподогревателе 5 продукты сгорани  подогревают воздух, идущий на сжигание

0 топлива.

Продукты сгорани  при температуре 250°С подают в дегазатор-испаритель. Там происходит кипение конденсата и его дегазаци . Образовавшийс  выпар, состо щий

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

0 продукты сгорани  охлаждаютс , пары из них конденсируютс . Дл  -более глубокого охлаждени  продуктов сгорани  в контактной камере экономайзера обеспечиваетс  противоток между нагреваемой водой и вы5 сокотемпературными газами.

В верхней зоне контактной камере установлен кап л еот делитель в виде насадки 10 из сло  мелких керамических колец Рашига. Температура продуктов сгорани  на выхо0 де из экономайзера составл ет 30-40°С. Образовавшийс  конденсат из сборника 8 поступает в дегазатор-испаритель 6. Затем конденсат, частично испарившийс  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 сгорани  повтор етс . Избыток конденсата накапливают в аккумул торном баке 27 и при необходимости подают насосом 28 в сеть теплоснабжени .

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

Температура продуктов сгорани  поддерживаетс  на установленном уровне с помощью регул тора расхода конденсата, установленного на трубопроводе 23, св занном с датчиком температуры, размещенным за дегазатором-испарителем.

Котельна  установка работает следующим образом (рис. 2).

Топливо сжигаетс  в котле 31 и нагревает воду, циркулирующую в системе теплоснабжени , которую затем направл ют по трубопроводу 43 к потребителю 45. По обратному трубопроводу 44 вода возвращаетс  в котельную. Из котла продукты сгорани  с температурой 200°С поступают в дегазатор-испаритель , в котором нагревают конденсат до температуры кипени , например до 100-120°С. Конденсат частично испар етс , одновременно с испарением из конденсата удал ютс  растворенные в нем двуокись углерода и кислород. Конденсат тер ет коррозионную активность и может быть использован в качестве подпи- точной воды в системе теплоснабжени . Продукты сгорани , пройд  дегазатор-испаритель 33, с температурой 120-130°С направл ютс  в контактный экономайзер 35, где охлаждаютс , а пары воды в них конденсируютс .

Дл  более эффективного охлаждени  продуктов сгорани  в контактной камере экономайзера осуществл ют противоток нагреваемой воды и продуктов сгорани . В верхней зоне контактной камеры установлен каплеотделителъ в виде насадка 38 из сло  мелких керамических колец Рашига. Температура продуктов сгорани  на выходе из экономайзера составл ет 30-40°С. Образовавшийс  конденсат собираетс  в сборнике 36 и оттуда подаетс  в дегазатор- испаритель 33.

Выпар смеси вод ных паров, двуокиси углерода и кислорода через патрубок 34 подают в смеситель 46 при температуре, например 100°С. Туда же подают и природный газ. Дл  нагрева полученной смеси выше температуры начала каталитической конверсии, например 800°С часть исходного топлива сжигают в камеое 47 сгорани , полученные высокотемпературные продукты сжигани  смешив.эют со смесью в смесителе 36. Чтобы избежать образовани  окислов азота, сжигание в камере 47 производ т 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 испарител -дегазатора устанавливают регул тором 52 расхода парогазовой смеси, св занным с датчиком 51 расхода природного газа. Часть конденсата из сборника 36 через поверхностный теплообменник 55 охлаждают и вновь подают в распылитель 37 влаги. Нагрета  в теплообменнике 55 вода может быть использована в системе гор чего водоснабжени  котельной. В качестве теплоносител  в теплообменнике может быть использована обратна  вода системы теплоснабжени . Избыток конденсата собираетс  в аккумул торном баке 53, который

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

Использование предлагаемого способа и устройства повышает эффективность сжигани  топлива в результате снижени  забал- лзстировани  конвертированного газа азотом; использовани  скрытой теплоты

конденсации вод ных паров, содержащихс  в продуктах сгорани ; использовани  воды, сконденсированной в экономайзере; увеличени  сроков службы катализаторов, примен емых при конверсии топлива.

Расшир етс  диапазон применени  конверсии топлива путем предварительного сжигани  части исходного топлива в камере сгорани .

В результате снижени  концентрации

азота в топке, а также предварительному сжиганию части исходного топлива до проведени  каталитической конверсии в услови х , исключающих образование окислов азота, количество вредных выбросов сокращаетс .

Claims (8)

1. Формула изобретени  1. Способ сжигани  топлива путем нагрева его смеси продуктами сгорани  вы- ше температуры конвертировани  топлива, отличающийс  тем, что, с целью повышени  экономичности и снижени  концентрации окислов азота в продуктах сгорани , последние охлаждают ниже температуры конденсации вод ных паров, полученный конденсат нагревают продуктами сгорани  до температуры кипени  с осуществлением термодесорбции, а полученный выпар смешивают с исходным топливом.
2. 2.Способ по п. 1, отличающийс  тем, что часть исходного топлива сжигают в отдельной камере сгорани , а образовавшиес  продукты сгорани  смешивают с выпа- ром.
3. 3.Способ по п. 1, отличающийс  тем, что при сжигании в теплоизолирующей установке, преимущественно котельной, прошедший термодесорбцию конденсат подают в сеть теплоснабжени .
4. 4.Теплоиспользующа  установка, содержаща  камеру сгорани , узел подачи топлива и тракт отвода продуктов сгорани , смеситель и реактор конверсии топлива, отличающа с  тем, что, с целью повышени  экономичности и снижени  концентрации окислов азота в .продуктах сгорани , она дополнительно содержит экономайзер со сборником конденсата и дегазатор-испаритель , включенный в тракт отвода продук0

   5

   0

   5

   тов сгорани  через сборник конденсата, а выход этого дегазатора подключен к смесителю .
5. 5.Установка по п. 4, отличающа с  тем, что она содержит дополнительную камеру сгорани , подключенную к смесителю .
6. 6.Установка по п. 4, отличаю щ а -   с   тем, что, с целью повышени  экономичности при сжигании топлива в котельной установке, выход жидкой фазы дегазатора- испарител  подключен к сети теплоснабжени .
7. 7.Установка по п. 4, отличающа с  тем, что выход жидкой фазы дегазатора-испарител  подключен к воздухоподогревателю и системе распыла экономайзера,
8. 8.Установка по п. 4, отличающа с  тем, что она дополнительно содержит поверхностный теплообменник-воздухоподогреватель , вход теплоносител  которого подключен к сборнику конденсата экономайзера , а выход - к системе распылени  охлаждающей воды.