КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР - ПАРОГЕНЕРАТОР

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в теплоэлектростанции при экологически безопасной выработки пара для получения электроэнергии и теплоснабжения потребителей. Изобретение может быть также использовано в автономных мобильных быстромонтируемых миниэлектростанциях, а также в качестве источника пара аварийных и пиковых электростанций промышленного и бытового назначения.

Известен каталитический реактор-парогенератор в составе каталитической теплоэлектростанции, описанный патенте РФ №2232903, F01K 25/00, 15.02.2000. Каталитический реактор состоит из полого корпуса, внутри которого в нижней части установлена газораспределительная решетка. Над решеткой размещен псевдоожиженный воздухом слой гранул катализатора. В верхней части полого корпуса расположена центральная труба для отвода дымовых газов, вокруг которой расположен парогенератор, выполненный в виде нескольких концентрических трубчатых змеевиков. Парогенератор установлен в полости по ходу отходящих дымовых газов. Внутри центральной трубы частично погружен в псевдоожиженный слой трубчатый змеевиковый пароперегреватель. Пароперегреватель соединен трубопроводом с входом парового двигателя.

Недостатком известного каталитического реактора-парогенератора является размещение поверхностей теплообменников нагрева конденсата и его испарения вне псевдоожиженного слоя катализатора по ходу отходящих из слоя дымовых газов, а в псевдоожиженный слой погружен только теплообменник перегрева пара. Это приводит к значительному увеличению габаритов каталитического реактора за счет увеличения поверхности теплообменников нагрева конденсата и его испарения из-за низких коэффициентов теплоотдачи от дымовых газов к нагреваемым поверхностям.

Величина поверхности теплообменника, необходимая для передачи теплоты от псевдоожиженного слоя или от дымовых газов к нагреваемому в трубах конденсату, в общем случае определяется по формуле S=Q /kΔT, где Q - количество передаваемой теплоты, k - коэффициент теплопередачи, ΔT - температурный напор. Коэффициент теплопередачи от дымовых газов примерно в 10 раз меньше, чем при передаче теплоты от псевдоожиженного слоя (26-30 ккал/м² ч град и 280-300 ккал/м² ч град, соответственно). Поэтому величина необходимой поверхности для отвода теплоты от дымовых газов в 10 раз больше, чем для отвода такого же количества теплоты в псевдоожиженном слое, т.к. при одинаковой температуре в слое и надслоевом пространстве температурный напор ΔT практически одинаков.

В частности, для испарения конденсата теплозатраты на получение и перегрев водяного пара, например, до 500°C при атмосферном давлении составляют около 780 ккал/кг (80 ккал/кг - нагрев конденсата от 20°C до 100°C, 540 ккал/кг - на испарение конденсата, 160 ккал/кг - на перегрев пара до 500°C). Т.е. на перегрев пара в псевдоожиженном слое катализатора в известном каталитическом реакторе - парогенераторе тепловые затраты составляют только 20% от общего количества теплоты необходимой для получения пара.

Наиболее близким к заявляемому каталитическому реактору-парогенератору является каталитический теплогенератор, описанный в патенте РФ №2232942, F23D 14/18, 20.07.2004. Известный каталитический теплогенератор состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива, между которыми внутри корпуса размещена воздухораспределительная решетка со слоем гранулированного катализатора окисления, в средней части теплогенератора размещен теплообменник для нагрева воды с шахматно-ширмовым расположением теплообменных трубок, под которыми расположены неизотермическая и организующая насадки, в корпусе под неизотермической насадкой предусмотрен патрубок для выгрузки катализатора и/или/ несколько патрубков для выгрузки катализатора над неизотермической насадкой, в корпусе выше уровня псевдоожиженного слоя предусмотрен патрубок для загрузки катализатора.

Недостатками известного теплогенератора является высокий расход катализатора за счет его истирания и, как следствие, загрязнение дымовых газов токсичной катализаторной пылью.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке каталитического реактора - парогенератора, обеспечивающего снижение расхода дефицитного и дорогостоящего катализатора и уменьшение содержания токсичной катализаторной пыли в отходящих дымовых газах и позволяющего получать перегретый технологический или энергетический пар с уменьшением поверхности теплообменника по сравнению с аналогичным каталитическим реактором-парогенератором (РФ №2232903, F01K 25/00, 15.02.2000).

Задача решается конструкцией каталитического реактора - парогенератора, в котором теплообменник для нагрева воды ее испарения и перегрева пара размещен в псевдоожиженном слое дисперсных частиц катализатора и инертного материала. Теплообменники размещены в расширенной части корпуса реактора в псевдоожиженном слое частиц катализатора глубокого окисления веществ в смеси с частицами инертного материала в соотношении 20-90 мас.% катализатора и 10-80 мас.% инертного материала. Теплообменник состоит из последовательно соединенных парогенератора и пароперегревателя в виде нескольких рядов трубчатых змеевиков с направлением движения потока жидкости по трубам парогенератора снизу вверх и с движением пара по трубам пароперегревателя вверх и/или вниз.

Заявляемый каталитический реактор - парогенератор (КРП) состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива, между которыми внутри корпуса размещена воздухораспределительная решетка со слоем частиц катализатора глубокого окисления веществ в смеси с частицами инертного материала, выше которой расположены неизотермическая и организующая насадки. Над неизотермической решеткой в расширенной части корпуса размещен теплообменник с шахматно-ширмовым расположением теплообменных трубок в виде змеевиков, установленных в несколько рядов по сечению реактора. Змеевики соединены по последовательно-параллельной схеме. Движение конденсата в нагревательных и испарительных змеевиках снизу вверх. В пароперегревательных змеевиках направление движения пара сверху вниз и/или снизу вверх. В корпусе под неизотермической насадкой предусмотрен патрубок для выгрузки катализатора и/или несколько патрубков для выгрузки катализатора над неизотермической насадкой. В корпусе выше уровня псевдоожиженного слоя предусмотрен патрубок для загрузки катализатора.

На Фиг.1 приведена схема каталитического реактора-парогенератора.

КРП 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). 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). В секции горения над газораспределительной решеткой размещена объемная организующая насадка (9). Секция теплосъема (в) состоит из теплообменника (3), размещенного в псевдоожиженном слое дисперсных частиц катализатора и инертного материала, в виде последовательно соединенных парогенератора и пароперегревателя из нескольких рядов трубчатых змеевиков с направлением движения потока жидкости по трубам парогенератора снизу вверх и с движением пара по трубам пароперегревателя вверх и/или вниз, и объемной неизотермической насадки (10), размещенной под теплообменником над организующей насадкой. В секции теплосъема расположены патрубок входа конденсата (25), патрубок для выхода перегретого пара (26), соединенный с входом в турбину высокого давления, патрубки (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 загрузки катализатора, патрубок (2) для загрузки катализатора, предохранительную мембрану (21). Имеет также патрубок (11) для вывода насыщенного пара или пароводяной смеси из испарительного теплообменника (д), патрубок (12) для ввода насыщенного пара в пароперегреватель (е). Теплообменник в реакторе - парогенераторе выполнен в виде змеевиков, установленных коаксиально в несколько рядов по сечению реактора. Змеевики соединены по последовательно-параллельной схеме. Движение конденсата в нагревательных и испарительных змеевиках (д) снизу вверх. В пароперегревательных змеевиках (е) направление движения пара сверху вниз и/или/ снизу вверх. Патрубок (11) испарительного змеевика соединен с сепаратором (27) или с патрубком (12) пароперегревательного змеевика. Выход пара (29) из сепаратора (27) соединен с входом в турбину низкого давления. В нижней части сепаратора имеется патрубок (28) для слива конденсата в емкость питательной воды (18).

Каталитический реактор-парогенератор КРП предназначен для выработки насыщенного пара или перегретого пара с параметрами, необходимыми для использования в паровых двигателях или технологических целях. КРП работает следующим образом. Перед пуском на газораспределительную решетку (4) загружают дисперсный катализатор или частицы катализатора глубокого окисления веществ в смеси с частицами инертного материала в соотношении 20-90 мас.% катализатора и 10-80 мас.% инертного материала с высотой слоя, не превышающей верхнюю границу неизотермической насадки (10). Насосом (22) из емкости (18) заполняют теплообменник нагрева и испарения конденсатом (д). В теплообменник (е) конденсат не подается. Избыток конденсата из сепаратора (27) сливают через патрубок (28) в емкость (18). Под газораспределительную решетку (4) из воздухораспределителя (6) подают воздух для псевдоожижения слоя катализатора. Воздух внешним источником тепла нагревают до температуры 500-700°C. После нагрева слоя катализатора воздухом до температуры 300-400°C в слой подают топливо - газообразное через форсунку (24) или жидкое через форсунку (8) или твердое через патрубок (7). Температура в слое за счет окисления топлива на катализаторе начинает повышаться. При достижении температуры в слое 600-650°C нагрев воздуха внешним источником тепла прекращают. Температура в слое устанавливается 700-750°C повышением расхода топлива. В период пуска КРП контролируется температура и давление в теплообменнике (д) и сепараторе (27). Уровень псевдоожиженного слоя находится ниже теплообменника. Теплота от горения топлива передается теплообменнику (д) дымовыми газами, выходящими из псевдоожиженного слоя. После повышения давления пара в сепараторе (27) до необходимого начинают его отбор через патрубок (29). Далее через патрубок (13) из бункера (19) с помощью эжектора (20) начинают догрузка катализатора в КРП. При этом увеличивается расход конденсата насосом (22) и одновременно увеличивается количество подаваемого на сжигание топлива. Также увеличивается отбор пара из сепаратора (27). При достижении высоты псевдоожиженного слоя верхней границы теплообменника, т.е. при полном погружении теплообменника в псевдоожиженный слой пар из теплообменника (д) направляется в теплообменник перегрева пара (е) и далее через патрубок (26) в паровую турбину. Увеличением расхода топлива температура перегретого пара в теплообменнике (е) доводится до номинальной. Дымовые газы из псевдоожиженого слоя проходят устройство против уноса катализатора (23) и через патрубок (5) направляются в воздухоподогреватель и экономайзер.

Сущность изобретения иллюстрируется следующим примером.

Пример.

В каталитический реактор-парогенератор (КРП) по предлагаемому изобретению диаметром в нижней части 500 мм и диаметром в верхней части 605 мм загружают 370 кг (370 л) сферического катализатора глубокого окисления веществ, состоящего из носителя Al₂O₃ и 30% активного компонента в виде смешанного хромита меди и магния. Диаметр гранул катализатора 1,5-2,5 мм. КРП запускают в работу в порядке соответствующему изобретению. В качестве топлива используется бурый уголь Канско-Ачинского месторождения. В период работы КРП анализируют состав дымовых газов и определяют содержание CO. Через двое - трое суток работы КРП отбирают пробу катализатора в количестве 0,5 л и весовым методом определят потерю веса катализатора, соответствующую степени его истирания в весовых % в сутки. Затем из КРП через нижний патрубок отгружают определенное объемное количество катализатора и догружают через загрузочный патрубок такое же объемное количество кварцевого песка с диаметром частиц 0,8-1,0 мм. После догрузки инертного материала определяют содержание CO в дымовых газах. Через двое - трое суток отбирают из КРП пробу смеси катализатора и инертного материала. Отделяют рассевом частицы инертного материала от частиц катализатора и взвешиванием определяют потерю веса частиц катализатора и соответствующую ей степень истирания катализатора в весовых % в сутки. Операцию отгрузки катализатора и догрузки песка повторяют периодически через несколько суток вплоть до полной замены в КРП катализатора на инертный материал.

На Фиг.2 показаны зависимости степени истирания катализатора и содержания CO в дымовых газах от содержания инертного материала в смеси катализатор -инертный материал. С ростом содержания в смеси инертного материала степень истирания катализатора уменьшается. Содержание CO в дымовых газах остается постоянным вплоть до содержания катализатора в смеси 20%. При дальнейшем снижении количества катализатора в смеси в дымовых газах возрастает содержание CO.

Замена части дефицитного и дорогостоящего катализатора на дешевый инертный материал (например, речной песок) позволяет значительно снизить затраты катализатора на получение пара.