Теплогазогенераторная установка получения и использования водородсодержащего газообразного топлива

Область техники:

Изобретение относится к теплоэнергетической промышленности частично использующее альтернативные источники топлива и предназначено для увеличения коэффициента полезного действия и универсальности энергосберегающих теплогазогенераторных установок вырабатывающих из воды (H₂O) в сочетании с катализатором СпНгп+2 водородсодержащий газ, используемый для выработки тепла и накопление водород-содержащего газового топлива.

Уровень техники:

Проведенный поиск прототипов в существующем уровне техники показал наличие наиболее близких аналогов:

1. Известен патент на изобретение «Способ получения водородсодержащего газа в турбогенераторной установке» (RU №2269486, 2004 г.).

Недостатки конструкции:

1.1) Первичное перемешивание в жидкой фазе воды и углеводородного компонента осуществляется при нормальной (20 градусов) температуре компонентов, что не обеспечивает стабильности дисперсного состава смеси, направляемой в дальнейшем на нагрев для получения топлива, с момента прекращения воздействия по перемешиванию (т.е. с момента подачи смеси на нагревание) начинается обратный процесс - происходит расслоение смеси, обусловленное разными плотностями воды и углеводородного компонента. Последнее приводит к неоднородности смеси по дисперсному составу. При последующем нагреве смеси наблюдается также неоднородность ее по температуре. Эти неоднородности сохраняются в конечном продукте - газообразного топлива, направляемого на поджиг факела, вызывают нестабильность горения факела, обусловленное с одной стороны образованием в составе смеси локальных очагов (по составу) не возгараемой смеси, что вызывает срывы поджига и угасание факела (что характерно для тяжелых углеводородных компонентов), с другой стороны образование в составе смеси локальных очагов (по составу) быстрого горения, что вызывает не санкционированные вспышки быстрого горения в пламени факела, возникновение детонационных явлений, что характерно для легких углеводородных компонентов;

1.2) Ступени турбогенераторной установки разделены на отдельные блоки с зазорами между ними (не монолитное исполнение) с подачей атмосферного воздуха из внешней среды в каждую ступень турбинной горелочной системы, что приводит к обдуву внутренних поверхностей охлажденными газами, снижающими эффективность нагрева 2 и 3 ступеней и уменьшенной выработке водородсодержащего газообразного топлива;

1.3) Подача окислителя (воздуха) в огневую камеру турбогенераторной установки без наддува избыточным давлением не может обеспечить полное сгорание газообразного топлива.

2. Известен патент на изобретение «Многостадийный способ получения водородсодержащего газообразного топлива и теплогазогенераторная установка его реализации (способ Аракеляна Г.Г.)» (RU №2478688, 2011 г.).

Недостатки конструкции:

2.1) Корпус, выполненный из цилиндрических труб не имеет возможности для активного теплового обмена (передача тепла от огневого пламени к внутренней поверхности технологических цилиндров для получения водородсодержащего газообразного топлива);

2.2) Отсутствует возможность отключения подачи газообразного топлива из 2-й ступени на форсунку горелки запуска в режиме принудительного подогрева по окончании процесса разогрева установки.

3. Известен патент на полезную модель «Теплогазогенераторная установка (установка Аракеляна Г.Г.)» (RU №117145, 2011 г.).

Недостатки конструкции:

3.1) Корпус, выполненный из цилиндрических труб и сужающим устройством в огневой камере что не достаточно эффективно для активного теплового обмена (передача тепла от огневого пламени к внутренней поверхности технологических цилиндров для получения водородсодержащего газообразного топлива);

3.2) Отсутствует возможность отключения подачи газообразного топлива из 2-й ступени на форсунку горелки запуска в режиме принудительного подогрева по окончании процесса разогрева установки.

4. Общие недостатки конструкций патентов по пунктам 1, 2 и 3:

4.1) Внутри 2 и 3 ступени теплогазогенераторов конструкция представлена в виде полых цилиндров и не учитывается закон газодинамики течения газов, в следствии чего от точки входа до точки выхода из цилиндрического замкнутого объема движение основного потока газов будет осуществляться по пути наименьшего сопротивления, т.е. в отдаленных участках цилиндра будут оставаться застойные зоны по которым движение газов будет минимальным, в следствии чего снижен КПД установки;

4.2) Конструкции теплогазогенераторов предусматривают использование в качестве катализатора углеводородов только в жидком фазовом состоянии (монофазные топливные установки). Конструкция установок не предусматривает использование углеводородов в газообразном (предельные углеводороды: метан, этан, пропан, бутан) и твердом фазовом состояниях. Отсутствует подогрев расходной емкости с углеводородами, в следствии чего, невозможно при нормальной (20°С) температуре использовать в установке тяжелые остатки нефтеперерабатывающих производств находящиеся в твердом фазовом состоянии, сгустках и высоковязкие нефти (битум, гудрон, тяжелый газойль, мазут, экстракты селективной очистки масляных фракций), а при использовании в холодных климатических условиях (до и ниже -40°С) значительно увеличивается вязкость даже дизельного топлива и работа установки становится невозможной и так же потребуется подогрев емкости с водой;

4.3) Не возможна безостановочная работа теплогазогенераторной установки по причине отсутствия дублирующей системы питания, что требует остановки работы оборудования и дозаправки расходных емкостей.

Сущность изобретения:

Данное устройство предназначено для увеличения коэффициента полезного действия и универсальности энергосберегающих теплогазогенераторных установок вырабатывающих из воды (H₂O) в сочетании с катализатором CnHm+2 водородсодержащий газ, используемый для выработки тепла и накопление водородсодержащего газового топлива.

Техническая задача:

• устранение недостатков, присущих известному техническому решению,

• обеспечение стабильности процессов для получения водородсодержащего газообразного топлива,

• увеличение коэффициента полезного действия теплогазогенераторной установки за счет активной передача тепла от огневого пламени на стенки корпуса и увеличения давления сжигания газов в огневой камере,

• многотопливность установки для обеспечения возможности использования в качестве катализатора углеводородов в разных фазовых состояниях - газообразные, жидкие и твердые, для этого газообразные предельные углеводороды в качестве катализатора подаются вместо воздуха в пустую расходную емкость углеводородов с таким же избыточным давлением, углеводороды в жидкой фазе в дополнительной подготовке не нуждаются, а для углеводородов в твердой фазе топливные емкости углеводородного компонента оснащены подогревателем, чем обеспечивается изменение фазового состояния с твердого на жидкое,

• адаптация использования установки к холодным климатическим условиям (до и ниже минус -40°С),

• возможность безостановочной эксплуатации установки,

Технический результат - получение однородного фазового состояния смеси в процессе получения топлива для обеспечения стабильности и постоянства горения рабочего факела и горелки запуска, увеличение коэффициента полезного действия, интенсификация режима нагрева корпуса теплогазогенератора для интенсивной выработки водородсодержащего газообразного топлива, многотопливность установки, а также повышенный уровень безопасности получения водородсодержащего топлива, в том числе за счет снижения расхода углеводородного компонента.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается устройством, которым предусмотрена многостадийность процесса получения топлива, каждой стадии которого соответствует наиболее безопасное, стабильное и однородное фазовое состояние компонентов и смеси путем изменения направлений технологических потоков с раздельным вводом углеводородного компонента и воды, перемешивания подогреваемого углеводородного компонента с водяным паром, возможностью использования горючих газов и углеводородов в твердом фазовом состоянии наравне с углеводородами в жидком фазовом состоянии, увеличением КПД установки нагреванием пароуглеводородной смеси с ее движением по спиралевидной траектории внутри ступеней технологического корпуса и дублирующими топливными емкостями.

Теплогазогенераторная установка в одном из вариантов может быть выполнена в виде:

• единого четырехступенчатого устройства, имеющего сложный многозвенный корпус;

• каждая ступень которого выполненная в виде двух вложенных друг в друга труб с зазором, образующим технологический корпус, разделенный на изолированные ступени технологического цилиндра по числу стадий процесса приготовления газообразного топлива и может быть выполнено конусовидной или цилиндрической формы (труба);

• при цилиндрической форме технологического корпуса, на внутренней поверхности размещаются продольные лопасти с углом до 3° к осевой линии движения огневого пламени, чем обеспечивается более активная передача тепла от огневого пламени на стенки корпуса;

• внутри полостей 2, 3 и 4 ступеней технологического корпуса размещаются спиралевидные перегородки обеспечивающие движение газов от точки входа до точки выхода из цилиндров по спиралевидной траектории, увеличивающая длину пути газового потока внутри цилиндров и КПД каждой ступени;

• устройство снабжено топливными емкостями, выполненными в виде герметичных раздельных расходных емкостей для воды и подогреваемого углеводородного компонента и каждая с дублирующей емкостью для возможности дозаправки основной рабочей емкости без остановки работы установки;

• для стабилизации работы установки, в расходных емкостях поддерживается избыточное давление воздухом;

• для осуществления возможности использования в качестве катализатора газообразные предельные углеводороды, подача горючего газа осуществляется вместо воздуха в пустую расходную емкость углеводородов с таким же избыточным давлением;

• углеводороды в жидкой фазе в дополнительной подготовке не нуждаются;

• для углеводородов в твердой фазе топливные емкости углеводородного компонента оснащены подогревателем, чем обеспечивается изменение фазового состояния с твердого на жидкое;

• расходная емкость для воды через регулирующий кран соединена трубопроводом со входом 1-й ступени технологического цилиндра;

• 1-я ступень реализует стадию парообразования и выполнена с независимым источником тепла для стадии запуска установки;

• выход 1-й ступени соединен трубопроводом с подогревателем расходной емкости углеводородов или может через регулирующий кран и трубопровод напрямую быть соединенным со входом 2-й ступени;

• 2-я ступень реализует стадию нагревания водяного пара, выход 2-й ступени соединен с первым входом инжектора;

• расходная емкость углеводородного компонента через регулирующий кран соединена трубопроводом со вторым входом инжектора;

• смешивание компонентов осуществляется в инжекторе с раздельным вводом воды в виде пара и подогреваемого углеводородного компонента;

• выход инжектора соединен трубопроводом с входом 3-й ступени технологического корпуса;

• 3-я ступень реализует стадию перемешивания компонентов и нагревания парогазовой смеси, выход 3-й ступени соединенной трубопроводом с входом 4-й ступени технологического корпуса, а так же через регулирующий кран с форсункой горелки запуска в режиме принудительного подогрева установки;

• 4-я ступень обеспечивает стадию окончательного разогревания и получения газообразного топлива, выход 4-й ступени технологического корпуса соединен трубопроводом с входом огневой камеры, где установлена форсунка рабочей горелки с запальным устройством (искровым импульсным источником зажигания - пьезоэлемент) и форсунка горелки запуска;

• на вход в огневую камеру для получения генераторного газа совместно с водородсодержащим газообразным топливом, при помощи наддува подается окислитель (воздух, кислород), вход закрывается крышкой позволяющей повысить давление сжигания газов;

• огневую камеру образует емкость внутренней трубы, на выходе огневой камеры используется элемент формирования рабочего факела в виде сужающего устройства.

Представленное оборудование увеличивает КПД установки, значительно расширяет линейку многотопливности выбора углеводородного компонента и универсальность возможностей применения, на основании чего можно считать, что представленная работа обладает изобретательским уровнем.

Краткое описание чертежей:

На фигуре №1 представлен эскиз технологического цилиндра конусовидной формы. На фигуре №2 представлен эскиз технологического цилиндра цилиндрической формы (труба).

На фигуре №3 представлен разрез четвертой ступени технологического цилиндра конусовидной формы.

На фигуре №4 представлен разрез четвертой ступени технологического цилиндра цилиндрической формы (труба).

На фигуре №5 представлен эскиз спиралевидной перегородки пластинчатого типа

Пронумерованы следующие детали:

где 1 - расходная емкость для воды; 2 - расходная емкость для углеводородного компонента C_nH_2n+2; 3 - рабочая горелка; 4 - горелка запуска; 5 - внешний независимый источник-генератор с искровым импульсным устройством зажигания; 6 - устройство турбонаддува; 7 - внешний нагреватель для запуска теплогазогенератора; 8 - смеситель инжекторного типа; 9 - огневая камера; 10 - первая ступень технологического цилиндра; 11 - вторая ступень технологического цилиндра, 12 - третья ступень технологического цилиндра; 13 - четвертая ступень технологического цилиндра; 14 - зона по джига, воспламенения и образования огневого факела; 15 - устройство формирования рабочего факела; 16 - технологический трубопровод подачи воды нагнетанием из расходной емкости (I) в первую ступень (10) технологического цилиндра; 17 - технологический трубопровод подачи углеводородного компонента C_nH_2n+2 нагнетанием из расходной емкости (2) в смеситель (8) инжекторного типа; 18 - технологический трубопровод подачи пара из первой ступени (10) технологического цилиндра в подогреватель (28) расходной емкости углеводородного компонента C_nH_2n+2 и на вход второй ступени (11) технологического цилиндра; 19 - технологический трубопровод подачи пара из второй ступени (11) технологического цилиндра в смеситель (8) инжекторного типа; 20 - технологический трубопровод подачи пароуглеводородной смеси из смесителя (8) в третью ступень (12) технологического цилиндра; 21 - технологический трубопровод подачи пароуглеводородной смеси из третьей ступени (12) технологического цилиндра в четвертую ступень (13) технологического цилиндра; 22 - технологический трубопровод подачи пароуглеводородной смеси смеси из третьей ступени (12) технологического цилиндра в горелку запуска (4) (возврат топлива в режиме принудительного разогрева), 23 технологический трубопровод подачи топлива из четвертой ступени (13) технологического цилиндра в рабочую горелку (3) (возврат топлива в штатном режиме саморазогрева); 24 - трубопровод отбора топлива внешнему потребителю; 25 - регулировочный кран; 26 - место загрузки воды в расходную емкость (1); 27 - место загрузки углеводородного топлива в расходную емкость (2); 28 - подогреватель расходной емкости углеводородного компонента C_nH_2n+2; 29 - крышка огневой камеры; 30 - внутренний цилиндр теплогазогенератора; 31 - наружный цилиндр теплогазогенератора; 32 - спиралевидная перегородка; 33 - продольные лопасти.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения:

Описание устройства.

Установка выполнена в виде единого устройства, имеющего сложный многозвенный корпус, включает подогреваемые топливные емкости (1, 2), горелочную систему образующую огневой факел (14), огневую камеру (9), устройство инжекторного типа для перемешивания компонентов (8), запальное импульсное устройство (5), трубопроводы и систему запуска, включающую горелку запуска (4) и рабочую горелку (3).

Корпус выполнен единым в виде двух вложенных друг в друга труб (30, 31) с зазором, образующим технологический корпус, разделенный на изолированные ступени технологического корпуса по числу стадий процесса приготовления газообразного топлива и может быть выполнено конусовидной или цилиндрической формы (на внутренней поверхности размещаются дополнительные продольные лопасти 33 с углом до 3° к осевой линии движения огневого пламени, чем обеспечивается увеличение передачи тепла от огневого пламени на стенки корпуса). Внутри полостей 2, 3 и 4 ступеней технологического корпуса размещается спиралевидная перегородка (32) обеспечивающая движение газов от точки входа до точки выхода из цилиндров по спиралевидной траектории, увеличивая таким образом длину пути газовой смеси внутри цилиндров и КПД каждой ступени. Устройство снабжено топливными емкостями, выполненными в виде герметичных раздельных расходных емкостей для воды и подогреваемого углеводородного компонента и каждая с дублирующей емкостью для возможности дозаправки основной рабочей емкости без остановки работы установки. Для стабилизации работы установки, в расходных емкостях поддерживается избыточное давление воздухом. Для осуществления возможности использования в качестве катализатора газообразных предельных углеводородов, подача горючего газа осуществляется вместо воздуха в пустую расходную емкость углеводородов с таким же избыточным давлением, углеводороды в жидкой фазе в дополнительной подготовке не нуждаются, а для углеводородов в твердой фазе топливные емкости углеводородного компонента оснащены подогревателем, чем обеспечивается изменение фазового состояния с твердого на жидкое.

Технологический корпус разогревается огневым факелом и разделен на герметично изолированные ступени (10, 11, 12, 13) - по числу стадий процесса приготовления топливной смеси, 1-й ступень (10) устройства соответствует стадии парообразования и снабжена внешним источником тепла (7) для осуществления процесса запуска. Выход 1-й ступени соединен трубопроводом (18) с подогревателем расходной емкости углеводородного компонента (28) или может через регулирующий кран (25) и трубопровод напрямую быть соединенным со входом 2-й ступени. 2-я ступень (11) реализует стадию нагревания водяного пара, выход 2-й ступени соединен с первым входом инжектора (8). Расходная емкость углеводородного компонента (2) через регулирующий кран соединена трубопроводом со вторым входом инжектора. Смешивание компонентов осуществляется в инжекторе с раздельным вводом воды в виде пара и подогреваемого углеводородного компонента. Выход инжектора соединен трубопроводом с входом 3-й ступени технологического цилиндра. 3-я ступень (12) реализует стадию перемешивания компонентов и нагревания пароуглеводородной смеси, выход 3-й ступени соединенной трубопроводом с входом 4-й ступени технологического корпуса, а так же через регулирующий кран с форсункой горелки запуска (4) в режиме принудительного подогрева установки. 4-я ступень (13) обеспечивает стадию окончательного разогревания и получения газообразного топлива, выход 4-й ступени технологического цилиндра соединен трубопроводом с входом огневой камеры, где установлена форсунка рабочей горелки (3) с запальным устройством (искровым импульсным источником зажигания) и форсунка горелки запуска. Для стабилизации процессов горения на вход в огневую камеру для получения генераторного газа совместно с водородсодержащим газообразным топливом при помощи наддува повышенным давлением подается окислитель (воздух, кислород), вход закрывается крышкой (29). Огневую камеру образует емкость внутренней трубы (30) с продольными лопастями (33), на выходе огневой камеры установлен элемент формирования рабочего факела (15) в виде сужающего устройства.

Описание работы устройства.

Устройство реализует зависимость Н₂О+C_nH_2n+2=Н₂+СО₂ в высокотемпературном многостадийном режиме.

Компоненты - вода и углеводородный компонент загружают в герметичные сосуды (1, 2) и их подача осуществляется постоянным избыточным давлением для обеспечения их бесперебойной подачи в систему нагнетанием через регулировочные краны (25). Загрузка может осуществляться как периодически по мере расходования компонентов, так и непрерывно.

В устройстве используется многостадийность способа получения водородсодержащего газообразного топлива с замкнутым циклом и осуществляется раздельным вводом (17, 19) компонентов воды (1) и углеводородного компонента (2). Нагрев компонентов и смеси в штатном режиме осуществляют с помощью технологического корпуса, имеющего несколько ступеней по числу стадий для реализации способа. При принятом за основу четырех-ступенчатом процессе на первой ступени в штатном режиме саморазогрева воду нагревают до образования перегретого пара с температурой 500-550°С, в режиме запуска с принудительным разогревом - до температуры 450-500°С. Вода подается для нагревания и парообразования в первую ступень (10) для последующей подачи пара на подогрев (23) расходной емкости углеводородного компонента или через регулирующий кран и технологический трубопровод на вторую ступень для разогрева пара. Внутри полостей 2, 3 и 4 ступеней технологического корпуса размещается спиралевидная перегородка обеспечивающая движение газов от точки входа до точки выхода из цилиндров по спиралевидной траектории, устраняя застойные зоны и увеличивая таким образом длину пути газового потока внутри цилиндров и КПД каждой ступени. Образующийся во второй ступени перегретый пар направляют на инжектор (8) для перемешивания с углеводородным компонентом и последующего нагрева пароуглеводородной смеси в третьей ступени (12), после чего смесь уже на этом этапе может представлять возгораемое топливо. Эту смесь используют на этапе запуска системы (22) с принудительным разогревом (7) пароуглеводородной смеси. Затем смесь направляют в четвертую ступень (13) где разогревают до температуры образования водородсодержащего газообразного топлива, которое в штатном режиме саморазогрева направляют на вход системы для сжигания в огневой камере с продольными лопастями на внутренней поверхности повышающими активный теплообмен и нагрев внутренней стенки корпуса технологического корпуса и создания рабочего факела на выходе установки. Наличие турбоподдува окислителем (воздухом, кислородом) дает возможность создания зоны повышенного давления в огневой камере, для чего вход огневой камеры закрывается крышкой, а на выходе огневой камеры установлен элемент сужающего устройства, что в совокупности позволяет получать так называемый генераторный газ с температурой горения смеси 1935°С при практическом отсутствии на выходе экологически вредных компонентов и полном сгорании топлива.

При запуске процесса в режиме принудительного разогрева предварительное нагнетание воды целесообразно выполнять в штатного рабочего объема с избыточным давлением, изменение фазового состояния воды осуществлять нагреванием до образования водяного пара с температурой 450-500°С от внешнего источника тепла (например газовой горелкой) а поджиг водородсодержащего газообразного топлива можно осуществляться от запального факела (той же газовой горелки) или внешнего импульсного устройства искрообразования (пьезоэлемент).

В штатном режиме саморазогрева процессы образования водородсодержащего газообразного топлива могут осуществляться при соотношении воды к углеводородному компоненту от 10,5:1 до 8:1 и смесь нагревают на соответствующих процессу получения водород-содержащего газообразного топлива до температуры 1300-2000°С. Поток вырабатываемого водород-содержащего газообразного топлива направляется на образование огневого факела и может частично направляться на хранение и (или) внешнее потребление.