КАТАЛИТИЧЕСКИЙ ТЕПЛОГЕНЕРАТОР И СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЕГО МОЩНОСТИ

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, где сжигание различных топлив происходит в псевдоожиженном слое.

Известен каталитический генератор тепла, описанный в сб. научных трудов “Технологические процессы на основе каталитических генераторов тепла” СО АН СССР, Институт катализа, Новосибирск, 1985 г., рис.2, стр.22, Ведякин П.И. и др. “Применение каталитических генераторов тепла для нагрева воды и адсорбционно-контактной сушки материалов”. Известный генератор тепла состоит из корпуса с патрубками для подвода топлива, воздуха, холодной воды и отвода горячей воды и дымовых газов, а в нижней части корпуса на газораспределительной решетке размещен слой катализатора - промежуточного твердого теплоносителя, выше которого расположены последовательно по высоте корпуса неизотермическая насадка и экономайзер, на внешней поверхности корпуса имеется воздушная охлаждающая рубашка, кроме того, внутри корпуса в зоне сгорания топлива размещен нагреватель в виде 20 вертикальных трубок Фильда. В теплогенераторе происходит беспламенное сжигание топлива на поверхности гранул катализатора, находящихся в псевдоожиженном состоянии.

Конструкция теплогенератора не позволяет добиться экологически чистого сжигания топлива при работе в расчетном режиме, т.к. расход топлива, количество ожижающего воздуха, расход и температура нагреваемой воды жестко взаимосвязаны для данного процесса.

В реальных условиях расход воды может отличаться от расчетного, а температура воды изменяется в широких пределах. Регулирование теплопроизводительности генератора изменением расхода воды невозможно, потому что в системах теплоснабжения, как правило, проводится количественное регулирование отпуска теплоты, при котором расход воды поддерживается постоянным. Кроме того, уменьшение расхода теплоносителя приводит к одновременному росту температуры нагреваемой воды, которая может превысить температуру кипения, и температуры в зоне горения, что при достижении критического для катализатора значения 1000°С вызовет его разрушение. При увеличении расхода воды происходит падение температуры в зоне горения до 700°С и ниже, что сказывается на стабильности процесса горения и на полноте сгорания топлива.

Регулирование температуры изменением расхода воздуха недопустимо, т.к. нарушаются условия псевдоожижения и стехиометрическое соотношение воздуха и топлива, что вызывает образование вредных выбросов.

Трубки Фильда, погруженные в кипящий слой и снимающие основную часть тепла, могут привести к снижению температуры в зоне горения и, как следствие, к увеличению выбросов СО и NO_x.

Наиболее близким к заявляемому устройству является каталитический теплогенератор, описанный в патенте РФ №2124674, F 23 C 11/02, 10.01.99. Известный каталитический теплогенератор состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, между которыми внутри корпуса размещена газораспределительная решетка со слоем гранулированного катализатора окисления, в средней части генератора размещен теплообменник из U-образных трубок, под которыми расположена неизотермическая насадка, на внешней поверхности корпуса имеется охлаждающая рубашка, причем рубашка выполнена водяной и состоит из независимых секций, работающих параллельно и подключенных последовательно к теплообменнику.

Наличие водяной секционной рубашки на корпусе выше и ниже уровня неизотермической насадки позволяет регулировать количество теплоты, отводимой из зоны горения, за счет отключения или включения секций водяной рубашки.

Недостатками известного каталитического теплогенератора являются:

1. Наличие водяной рубашки на корпусе приводит к сильному охлаждению слоя катализатора в зоне горения топлива и, как следствие, увеличению выбросов СО и NO_x.

2. При отключении отдельной секции рубашки ее температура быстро достигает температуры слоя катализатора 700-800°С. При необходимости вновь повысить мощность теплогенератора, подача воды в эту секцию становится невозможной из-за испарения воды и повышения давления в секции вплоть до давлений, вызывающих ее разрушение.

3. Наличие на корпусе водяной рубашки в зоне горения топлива затрудняет или делает невозможным пуск теплогенератора в работу, т.к. во время пуска слой катализатора в зоне горения необходимо нагреть до температуры каталитического зажигания топлива 200-400°С (температура зажигания зависит от активности катализатора). За счет рубашки будет происходить сильное охлаждение слоя катализатора.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке каталитического теплогенератора, эффективно использующего тепло при сжигании топлива и обеспечивающего экологическую чистоту отходящих газов и позволяющего регулировать его тепловую мощность.

Задача решается конструкцией каталитического теплогенератора с регулированием тепловой мощности за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем катализатора. Он состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубками отвода дымовых газов и загрузки катализатора в верхней части, внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива размещена газораспределительная решетка, на которой расположен слой гранулированного катализатора окисления, выше решетки последовательно размещены неизотермическая насадка и теплообменник, на корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для отгрузки катализатора и патрубок для догрузки катализатора, расположенный выше неизотермической насадки.

На корпусе выше неизотермической насадки могут быть расположены два или более патрубков для отгрузки катализатора.

Над газораспределительной решеткой перед неизотермической насадкой размещена объемная организующая насадка с живым сечением 50-90% с величиной отверстий 2-15 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете насадок 85-95%.

На выходе дымовых газов размещено устройство против уноса частиц катализатора.

Для слива воды из теплообменника теплогенератор содержит сифон.

Контактирующие с псевдоожиженным слоем теплообменные поверхности распложены выше неизотермической решетки.

Наличие патрубков для выгрузки и загрузки катализатора позволяет изменять уровень катализатора в теплогенераторе во время его работы, что дает возможность изменять величину поверхности теплообменника, контактирующего с катализатором, и, следовательно, менять тепловую мощность теплогенератора без изменения расхода воздуха, воды на теплообменник и при сохранении оптимальной температуры в зоне горения топлива 700-800°С.

Задача решается также способом регулирования мощности описанного выше каталитического теплогенератора, которое проводят за счет изменения количества катализатора в теплогенераторе.

На чертеже изображена схема каталитического теплогенератора.

Теплогенератор состоит из вертикального корпуса (1), в котором размещены секции подвода воздуха (а), горения (б), теплосъема (в) и сепарационная зона (г). Секция подвода воздуха (а) состоит из камеры с патрубком (6) для ввода воздуха и предназначена для равномерного распределения воздуха по сечению газораспределительной решетки (4), а при боковом вводе воздуха дополнительно для изменения направления потока воздуха на 90°.

Секция горения (б) отделена от секции подвода воздуха газораспределительной решеткой (4) и имеет патрубки для подачи газообразного (24) или жидкого (8) или твердого топлива (7), патрубок с вентилем или заслонкой для выгрузки катализатора (14). Дополнительно в секции горения над газораспределительной решеткой размещена объемная организующая насадка (9) перед неизотермической насадкой (10), например, из проволочных решеток, с живым сечением 50-90% с величиной отверстий 2-15 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете решеток 85-95%.

Секция теплосъема (в) состоит из теплообменника (3) и объемной неизотермической насадки (10), размещенной под теплообменником над организующей насадкой. Конструктивные параметры насадки (10) превышают параметры организующей насадки в 1,5-2 раза. Насадка (10) также может быть изготовлена из проволочных решеток. В секции теплосъема расположены патрубок входа холодной воды (11), патрубок для выхода нагретой воды (12), сифон (18) с вентилем для слива воды из теплообменника во время остановки теплогенератора при температурах наружного воздуха ниже 0°С. Возможна также установка дополнительно одного или нескольких патрубков (15), (16), (17) с вентилями или заслонками для выгрузки катализатора.

Сепарационная зона (г) расположена в верхней части теплогенератора и имеет патрубок (5) для выхода дымовых газов, патрубок с вентилем или заслонкой (13) для перегрузки катализатора, патрубок (2) для засыпки катализатора, предохранительную мембрану (21).

Каталитический теплогенератор работает следующим образом. В теплогенератор через патрубок (2) загружают катализатор, количество которого соответствует максимальной мощности теплогенератора. Воздух по патрубку (6) подается в секцию подвода воздуха (а), проходит газораспределительную решетку (4) в секцию горения (б), куда по патрубкам (24) или (8) или (7) подается топливо (газовое или жидкое или твердое).

Частицы катализатора (22) приводятся в псевдоожиженное состояние под действием восходящего потока воздуха и дымовых газов. В секции горения происходит выделение тепла за счет сгорания топлива на катализаторе. Образовавшиеся за счет слияния мелких пузырей крупные газовые пузыри, содержащие воздух и топливо, разбиваются снова на мелкие на организующей насадке (9), что интенсифицирует горение топлива и полноту его сгорания.

Горячие дымовые газы и катализатор проходят через неизотермическую насадку (10) в секцию теплосъема, где отдают тепло теплообменнику и охлаждаются. Холодный катализатор возвращается в зону горения. Основное количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в секции горения, передается в секцию теплосъема частицами катализатора. Неизотермическая насадка тормозит скорость подъема частиц катализатора в секцию теплосъема, что позволяет поддерживать в секции горения оптимальную температуру для сжигания топлива 700-800°С, а в секции теплосъема температуру 300-600°С, оптимальную для обеспечения максимальных коэффициентов теплоотдачи от псевдоожиженного слоя к теплообменным поверхностям. Далее дымовые газы проходят через сепарационную зону и устройство против уноса катализатора (23), представляющее собой сетку с ячейкой меньше размера частиц катализатора. Отвод теплоты происходит через поверхность теплообменника (3), погруженного в псевдоожиженный слой. Отвод теплоты от дымовых газов происходит через поверхность, находящуюся в надслоевом пространстве сепарационной зоны или на дополнительном теплообменнике, установленном вне теплогенератора. Вода в теплообменник поступает по патрубку (11) с температурой 40-60°С и выходит из теплообменника (3) с температурой 80-100°С.

Автоматическое регулирование температуры в зоне горения топлива (б) и температуры горячей воды на выходе (12) из теплогенератора осуществляют путем отключения и включения подачи топлива. При достижении предельной температуры горячей воды, например, 95°С и температуры в зоне горения топлива, например, 800°С происходит отключение подачи топлива. При снижении температуры в зоне горения ниже 800°С и температуры воды ниже 90°С происходит включение подачи топлива. Снижение температуры слоя происходит достаточно быстро. Снижение температуры горячей воды (12) происходит более медленно и поэтому регулирование режимов работы теплогенератора обычно осуществляют в зависимости от температуры горячей воды, т.е. подачу топлива включают только после снижения температуры воды до 90°С. При этом температура слоя в секции горения может понижаться и ниже 700°С.

При максимальной мощности потребления тепла в системе отопления, соответствующей максимальной мощности теплогенератора, обычно температура в секции горения сохраняется в пределах 700-800°С при изменении температуры горячей воды в пределах 5-10°С. Однако с уменьшением теплосъема в системе отопления, например, за счет повышения температуры наружного воздуха, происходит повышение температуры обратной (холодной) воды (11) выше регламентированной 40-60°С. Это приводит к увеличению интервала времени между отключением и включением подачи топлива в секцию горения и, как следствие, снижению температуры в секции горения существенно ниже 700°С. В свою очередь, снижение температуры в секции горения ниже 700°С приводит к уменьшению полноты сгорания топлива и увеличению выбросов СО и NO_x с дымовыми газами.

В заявляемом каталитическом теплогенераторе при повышении температуры обратной воды (11) выше предельной открывается вентиль или клапан на патрубке (14) и выгружается часть катализатора из теплогенератора, например, в бункер (19). Это приводит к уменьшению поверхности теплообменника (3), погруженного в псевдоожиженный слой, и снижению мощности теплогенератора. Как следствие, при этом интервал времени между включением и отключением подачи топлива в секцию горения уменьшается и температура в секции горения сохраняется в пределах 700-800°С. При наличии автоматического уровнемера на бункере (19) количество отгружаемого катализатора строго соответствует значению температуры обратной воды (11). При отсутствии уровнемера отгрузка катализатора из теплогенератора производится ступенчато самотеком через патрубки (15) или (16) или (17) и т.д. путем открытия вентилей или заслонок в соответствии со значением температуры обратной воды (11). В этом случае калибровка мощности теплогенератора, соответствующей температуре обратной воды (11), проводится предварительно при пуско-наладке.

Обратное повышение мощности теплогенератора с увеличением теплосъема в системе отопления и снижением температуры обратной воды (11) на входе в теплообменник (3) проводится в следующем порядке: подается воздух на эжектор (20) и открывается вентиль на патрубке (13). При наличии автоматического уровнемера на бункере (19) в теплогенератор загружается необходимое количество катализатора, соответствующее температуре обратной воды (11). При отсутствии уровнемера загрузка проводится до уровня закрытого патрубка (17), (16), (15).

Задача решается также способом регулирования мощности каталитического теплогенератора, характеризующегося тем, что регулирование тепловой мощности теплогенератора описанной выше конструкции проводят за счет изменения количества катализатора, находящегося в теплогенераторе.

В таблице приведено изменение тепловой мощности промышленного теплогенератора, работающего на жидком топливе, в зависимости от количества отгруженного катализатора. Общее количество загруженного катализатора 150 кг.

Таким образом, заявляемый теплогенератор обеспечивает стабильную температуру в зоне горения топлива при изменении его мощности и обеспечивает экологически чистое сжигание различных топлив при максимальном КПД 0,93-0,96.