Способ сжигания топлива и теплоиспользующая установка

(51)5 Е 23 С 9/06, Р 22 В 33/18 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОГКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ(56) Авторское свидетельство СССР М 909413, кл. Е 22 О 1/36, 1980.Авторское свидетельство СССР М 1013726, кл, Е 27 О 17/00, 1981.(54) СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА И ТЕПЛОИСПОЛЬЗУЮЩАЯ УСТАНОВКА (57) Изобретение касается сжигания топлива в теплоиспользующих установках (котлах, печах и т, д.), может применяться в различных отраслях промышленности и позволяет повысить эффективность процесса 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. Водяой пар смешивают с топливом в стехиомети снизить концентрацию окислов азота в продуктах сгорания. Установка содержит камеру сгорания, систему подачи топлива и продуктов сгорания, смеситель исходного топлива и реактор конверсии топлива, Теплоиспользующая 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 3, и, ф-лы, 2 ил,рическом соотношении, В реактор подают одновременно водяной пао, топливо и катализатор конверсии; оплива, например. марки КСН. В полученной смеси под действием нагрева происходит эндотермическая реакция паровой конверсии, в результате чего 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. Осуще 172689825 30 ствляют нагрев всей смеси вместес катализатором, что приводит к быстрому разрушению последнего, с уходящими газами теряется значительное количество тепла,Наиболее близким к предлагаемому является способ, основанный на термохимической регенерации тепла, использующий в качестве теплоносителя часть отходящих газов.Известная установка содержит нагревательную печь, воздухоподогреватель, химреактор для проведения конверсии и смеоитель. Утилизацию тепла осуществляют следующим образом. Органическое топливо, например метан и 20-50 О 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 происходит конверсия органического топлива со своими продуктами сгорания, по реакции; СН 4+ Н 20 = СО+ ЗН 2 49,3 ккал/мольСН 4+ СО 2 = 2 СО+ 2 Н 2 59,1 ккал/мольНа осуществление эндотермических реакцийитребуется 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,Укаэанный 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: С Н 4 + 1/3(С 02 + 2 Н 20 + 7,52 М 2) 4/ЗСО + 8/ЗН 2+ 2,51 й 2 Следовательно, при осуществлении полной конверсии метана дополнительно в систему рециркуляции направляется азот в объеме 62,5 О от сжигаемого количества газа, Наличие балласта существенно снижает температуру факела так как на нагрев азота затрачивается определенное количествотепла.Наличие азота также снижает теплопередачу излучением за счет уменьшения степени черноты факела,У эабалластированного азотом конвертированного газа ухудшаются характеристики горения, например интенсивность 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 в 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 -При 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 теплоиспользующей 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,Известна также теплоиспользующая установка, в которой сжигают топливо с утилизацией тепла продуктов сгорания путем5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 Установка содержит камеру сгорания, системы подачи топлива и отвода продуктов сгорания, смеситель исходного топлива и продуктов сгорания, реактор конверсии топлива, воздухоподогреватель и нагреватель газа.Работает установка следующим образом,Продукты сгорания, выходящие из нагревательной печи, отдают часть тепла в водонагревателе, а затем нагревают кон-, вертированное 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 нагревают 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 сжиания части исходного топлива с последующим смешением полученных при этом продуктов сгорания, выпара и исходного топлива, При необходимости, преимущественно в котельной, конденсат, прошедший термодесорбцию, подают в сеть теплоснабжения. Теплоиспользующая установка для реа лизации предлагаемого способа содержит камеру сгорания, узел подачи топлива и тракт отвода продуктов сгорания, смеси тель и реактор конверсии топлива, а также дополнительно снабжена экономайзером со сборником конденсата и дегазатором-ис парителем, включенным в тракт отвода про дуктов сгорания через сборник конденсата при этом выход этого дегазатора подклЮчен к смесителю.При недостаточной температуре продуктов сгорания по отношению к температуре начала каталитической конверсии теплоиспользуюшая установка снабжена дополнительной камерой сгорания, подключенной к смесителю.При необходимости использования нагретого конденсата в системе теплоснабжения выход дегазатора-испарителя подключен к сети теплоснабжения,Выход жидкой фазы дегазатора-испарителя может быть также подключен последовательно к воздухонагревателю и системе распыла экономайэера.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 сгоранияв 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 смесителя 3, реактора 4 каталитическойконверсии, 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 подается 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 теплоиспользующей 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 вы пара из дегазатора-испарителя присоединен к смесителю 46 с камерой 47 сгорания. Выход смесителя 46 сопряженнию 15 поступает в смеситель 3, Продукты сгорания при температуре 120 - 130 С направляют в контактный экономайзер 7, где 40 продукты сгорания охлаждаются, пары изних конденсируются. Для более глубокого охлаждения продуктов сгорания в контактной камере экономайзера обеспечивается противоток между нагреваемой водой и вы сокотемпературными газами.В верхней зоне контактной камере установлен каплеотделитель в виде насадки 10 из слоя мелких керамических колец Рашига.Температура продуктов сгорания на выхо 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 га зов, поступает в воздухоподогреватель 20первой 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 51015 2035 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, 1) работает следующим образом.Топливо, например природный газ, по трубопроводу поступает в смеситель. Туда же поступает выпар из дегазатора-испарителя. Количество вы пара составляет от 20 до100 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 поступает в химический реактор 4, Катализатором конверсии служит, например, катализ тор типа КСН, В полученной смесипроисходит эндотермическая реакция конверсии метана, в результате которой запасается тепловая энергия, повторно использующаяся в печи. Температура продуктов сгорания падает до 400 С, В воздухоподогревателе 5 продукты сгорания подогревают воздух, идущий на сжигание топлива,Продукты сгорания при температуре 250 С подают в дегазатор-испаритель, Там происходит кипение конденсата и его дегазация. Образовавшийся выпар, состоящий из паров воды, двуокиси углерода, кислорода, через патрубок 14 и соединительную ливлаги 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 теплоиспользующей 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,. циркулирую цую в системе теплоснабжения, которую затем лаправляют 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 подпиточной 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 каплеотделитель в виде насадка 38 иэ 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 дегаэаториспаритель 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,ают со смесью в смеси 1020253035 4045 50 Формула изобретения 1, Способ сжигания топлива путем нагрева его смеси продуктами сгорания выше температуры конвертирования топлива, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения экономичности и снижения концентрации окислов азота в продуктах сгорания, последние охлаждают ниже температуры конденсации водяных паров, полтеле 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 46исходным топливом и парогазовой смесью из испарителя-дегазатора устанавливают регулятором 52 расхода парогазовой смеси, связанным с датчиком 51 расхода природного газа, Часть конденсата иэ сборника 36через 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 качестветеплоносителя в теплообменнике может быть использована обратная вода системытеплоснабжения. Избыток конденсата собирается в аккумуляторном баке 53, которыйпри 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 забалластирования конвертированного газа азотом; использования скрытой теплотыконденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания; использования воды, сконденсированной в экономайэере, увеличения сроков службы катализаторов, применяемых при конверсии топлива.Расширяется диапазон применения конверсии топлива путем предварител ьного сжигания части исходного топлива в камере сгорания.В результате снижения концентрацииазота в топке, а также предварительному сжиганию части исходного топлива до проведения каталитической конверсии в условиях, исключающих образование окислов азота, количество вредных выбросов сокращается.ученный конденсат нагревают продуктами сгорания до температуры кипения с осуществлением термодесорбции, а полученный выпар смешивают с исходным топливом.2. Способ по п, 1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что часть исходного топлива сжигают в отдельной камере сгорания, а образовавшиеся продукты сгорания смешивают с выпаром.3, Способ по и, 1, о тл и ч а ю щи й с я 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, о тл и ч а ю щ а я с я 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 продуктов сгорания через сборник конденсата, а выход этого дегазатора подключен к смесителю.5. Установка по и. 4, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что она содержит дополнительнуюкамеру сгорания, подключенную к смесителю.6, Установка по п. 4, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что, с целью повышения экономич ности при сжигании топлива в котельнойустановке, выход жидкой фазы дегазатораиспарителя подключен к сети теплоснабжения.7. Установка по п.4, отл и ч а ю ща я с я тем, что выход жидкой фазы дегазатора-испарителя подключен к воздухоподогревателю и системе распыла экономайзера.8. Установка по и, 4, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что она дополнительно содержит 20 поверхностный теплообменник-воздухоподогреватель, вход теплоносителя которого подкл,очен к сборнику конденсата экономайзера, а выход - к системе распыления охлаждающей воды,2514, 17268980Составитель Ю. Гайстер Редактор С. Лисина Техред М,Моргентал Корректор О. Цип аказ 1268 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 10