Теплохимический генератор

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплогенерирующих установках, работающих на природном газе для увеличения экономической эффективности и уменьшения загрязнения окружающей атмосферы путем утилизации вредных газообразных выбросов.

Известно устройство для полной утилизации дымовых газов включающее теплогенератор, зону обработки дымовых газов, соединенную трубопроводом кислого конденсата и газоходом с утилизатором, который, в свою очередь, соединен газоходом с газовым классификатором, представляющим собой цилиндрическую колонну, снабженную газовыми патрубками для входа очищенного газа, выхода азота, выхода углекислого газа и жидкостными штуцерами для подачи промывочной воды и удаления карбонизированной воды [Патент РФ №2477648, F 23 C 11/00, 2013 ].

Недостатком известного устройства является невозможность утилизации выделенных компонентов дымовых газов с использованием технологических возможностей теплогенератора, что снижает эффективность теплогенерирующей установки.

Более близким к предлагаемому изобретению является устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива, содержащее два одинаковых конвертера, параллельно присоединенных к подводящим и отводящим коммуникациям, каждый из которых состоит из корпуса, внутри которого снизу вверх помещены: камера подготовки реакционной смеси (камера смешения), обечайка которой снабжена тангенциальными патрубками газообразного топлива и водяного пара, а верхний торец соединен с трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующих зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону риформинга, покрыта слоем никелевого катализатора на керамической основе, верхний конец труб соединен с камерой усреднения, крышка которой снабжена патрубком выхода конвертированного газа (синтез–газа), причем над камерой смешения помещена кольцевая камера сгорания, снабженная тангенциальной горелкой и сообщающаяся с конвективной шахтой, соединенной с кольцевым коллектором, снабженным патрубком дымовых газов, причем выходные торцы патрубков соединены с коллекторами конвертируемого природного газа, водяного пара, конвертированного газа и дымовых газов, соответственно, горелки соединены с коллектором природного газа и коллектором воздуха, а коллекторы конвертированного газа соединены с горелками топки котла [Патент РФ №2388523, F 23 C 99/00; F 23 C 13/00, 2010].

Основными недостатками известного устройства подготовки и сжигания газообразного топлива являются необходимость использования компрессора для создания требуемого давления в конвертере, сложность конструкции, сжигание газа в камере сгорания, расположенной вне топки котла, невозможность использования диоксида углерода дымовых газов для генерации синтез–газа и последующее сжигание полученных компонентов конвертированного газа в топке теплогенератора, что снижает экономическую и экологическую эффективность теплогенерирующей установки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение экономической и экологической эффективности теплохимического генератора путем одновременной генерации в нем тепла и химических продуктов за счет использования технологических возможностей теплогенератора.

Технический результат достигается в теплохимическом генераторе, включающем парогенератор, снабженный пароперегревателем и конвективной шахтой с хвостовыми поверхностями, зону обработки дымовых газов и классификатор для разделения очищенных дымовых газов, узел подготовки реакционной смеси, представляющий собой двухступенчатый эжектор, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I–й и II–й ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру, сопло и диффузор, при этом приемная камера и сопло I–й ступени соединены трубопроводами с патрубком выхода диоксида углерода классификатора и газопроводом, приемная камера II–й ступени соединена с диффузором I–й ступени, сопло в приемной камере II–й ступени соединена с пароперегревателем, а диффузор II–й ступени соединен с трубой распределителя, который, в свою очередь, через питательнгые трубопроводы, снабженные запорно–регулирующими устройствами и входными регенеративными трубопроводами также, соединены с двумя одинаковыми конвертерами, расположенными внутри парогенератора между пароперегревателем и хвостовыми поверхностями, причем каждый конвертер состоит из верхнего коллектора, представляющего собой камеру нагрева, соединенного с питательным трубопроводом и нижнего коллектора, представляющего собой камеру усреднения, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующих зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону конверсии, покрыта слоем катализатора, нижний торец реакционных труб соединен с нижним коллектором, снабженным выходным трубопроводом, разделенным на регенеративный и продуктовый трубопроводы со своими запорно–регулирующими устройствами.

Теплохимический генератор изображен на фиг. 1–6 (фиг. 1 – общий вид, фиг. 2 – двухступенчатый эжектор, фиг. 3, 4 – компоновка конвертеров, фиг. 5, 6 – узлы конвертера).

Предлагаемый теплохимический генератор включает парогенератор 1, снабженный пароперегревателем 2 и конвективной шахтой 3 с хвостовыми поверхностями 4, зону обработки дымовых газов и классификатор для разделения очищенных дымовых газов (на фиг. 1–6 не показаны), узел подготовки реакционной смеси 5, представляющий собой двухступенчатый эжектор 6, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I–й и II–й ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру 7, сопло 8 и диффузор 9, при этом приемная камера 7 и сопло 8 I–й ступени соединены трубопроводами 10 и 11 с патрубком выхода диоксида углерода (СО₂) классификатора и газопроводом (на фиг. 1–6 не показаны), соответственно, приемная камера 7 II–й ступени соединена с диффузором 9 I–й ступени, сопло II–й ступени соединена с пароперегревателем 2, а диффузор 9 II–й ступени соединен с трубой распределителя 12, который, в свою очередь, через питательные трубопроводы 13, снабженные запорно–регулирующими устройствами (ЗРУ) 14 и входными регенеративными трубопроводами 15 с ЗРУ 16, соединены с двумя одинаковыми конвертерами 17, расположенными внутри парогенератора 1 между пароперегревателем 2 и хвостовыми поверхностями 4. Каждый конвертер 17 состоит из верхнего коллектора 18, представляющего собой камеру нагрева, соединенного с трубопроводом 13 и нижнего коллектора 19, представляющего собой камеру усреднения, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами 20, стенки 21 которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя 22, образующих зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону конверсии, покрыта слоем, например, никелевого катализатора на керамической основе 23, нижний торец реакционных труб 20 соединен с нижним коллектором 19, снабженным выходным трубопроводом 24, разделенным на регенеративный и продуктовый трубопроводы 25 и 26 с ЗРУ 27 и 28, соответственно.

Предлагаемый теплохимический генератор работает следующим образом. При установившемся режиме работы парогенератора 1, зоны обработки и классификатора (на фиг. 1–6 не показаны) в узел подготовки реакционной смеси 5 (I–ю ступень двухступенчатого эжектора 6) поступает природный газ из газораспределительного пункта с давлением Р_г, который смешивается с СО₂, поступающего из классификатора (на фиг. 1–6 не показаны) с давлением Р_СО2 в приемную камеру 7 I–й ступени, с созданием давления образовавшейся газоуглекислотной смеси Р₁, далее вышеупомянутая смесь поступает приемную камеру 7 II–й ступени эжектора 6, где из сопла 8 подается перегретый пар с давлением Р_п значительно выше 1 МПа, где образуется парогазоуглекислотная смесь с давлением Р₂ также выше 1 МПа, которая поступает в трубу распределителя 12. Полученная парогазоуглекислотная смесь с давлением Р₂ из распределителя 12 по питательному трубопроводу 13 поступает в верхний коллектор 18 (камеру нагрева) работающего конвертера 17, где нагревается дымовыми газами до температуры выше 800⁰С после чего распределяется по реакционным трубам 20. Нагретая до температуры выше 800⁰С при давлении Р₂>1 МПа, парогазоуглекислотная смесь на входе в реакционную трубу закручивается в лопатках завихрителя 22 с образованием турбулентного потока, затем поступает в зону конверсии, покрытую, например, слоем никелевого катализатора на керамической основе 23, где происходит каталитическая реакция конверсии метана, диоксида углерода и воды (паровая и углекислотная конверсия) с поглощением теплоты (кДж/моль) по уравнениям окислительной конверсии метана в синтез-газ [Д. Ю. Гамбург и др. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд.– М.: 1989, 672 с.; Арутюнов В.С., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998, с. 350; Bradford M.C.J., Vannice M.A. Catal. Revs., 1999, v. 41, № 1, p. 1042]:

паровая конверсия

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ (∆Н = +206 кДж/моль) (1)

углекислотная конверсия

CH ₄ + CO₂ = 2СО + 2 H₂ (∆Н = +247 кДж/моль), (2)

где тепло реакции получают в результате нагрева реакционных труб 20 дымовыми газами с температурой выше 1000⁰С. Полученный синтез–газ, состоящий в основном из оксида углерода СО и водорода Н₂, из реакционных труб 20 поступает в нижний коллектор 19 (камеру усреднения), смешивается, в результате чего происходит усреднение концентраций всех его компонентов, и через трубопроводы 24 и 26 поступает в реакторы синтеза метанола или диметилэфира (на фиг. 1–6 не показаны). При этом, соотношение СО и H₂ в синтез–газе зависит от типа катализатора, температуры и давления в реакционных трубах 20. Количество конвертеров 17 и, соответственно, производительность по синтез–газу зависит от мощности парогенератора 1 и производительности зоны обработки и классификатора (на фиг. 1–6 не показаны).

При падении активности катализатора 23 его регенерируют, для чего конвертор I отключают от питательного 13 и продуктового 26 трубопроводов и включают в работу конвертор II аналогично вышеописанному, а в конвертор I через входной регенеративный трубопровод 15 в реакционные трубы 20 подают метан или водород, который после использования через выходной регенеративный трубопровод 25 подается в топку парогенератора (на фиг. 1–6 не показана) на сжигание.

Таким образом, предлагаемый теплохимический генератор, в основу работы которого положен процесс каталитической конверсии углеводородов (парового и углекислотного риформинга), позволяет одновременно вырабатывать тепло в виде водяного пара, химические продукты (синтез–газ) и снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, что увеличивает его экономическую и экологическую эффективность.