Спосіб утилізації теплоти відпрацьованих газів високотемпературної установки

Реферат: Спосіб утилізації теплоти відпрацьованих газів високотемпературної установки включає змішування вихідного палива з частиною відпрацьованих газів, подачу отриманої вихідної суміші на каталітичну конверсію і подачу конвертованого палива на технологічне спалювання. Частину палива y в суміші з частиною відпрацьованих газів z стехіометрично спалюють в окремій камері, причому величини y і z пов'язані з коефіцієнтом надлишку повітря у високотемпературній установці  залежностями y    1 / 4 , z  1/ 3  1 . Утворені в камері відпрацьовані гази вводять в теплообмінник з каталітичним реактором для нагрівання і каталітичної конверсії вихідної суміші, після чого їх подають на змішування з вихідним паливом. Відпрацьовані гази, частка яких становить 1 z  , вводять в рекуператор теплообмінника, після чого їх подають в повітронагрівач і потім направляють на вихід в атмосферу. UA 92281 U (54) СПОСІБ УТИЛІЗАЦІЇ ТЕПЛОТИ ВІДПРАЦЬОВАНИХ ГАЗІВ ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНОЇ УСТАНОВКИ UA 92281 U UA 92281 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до галузі теплотехніки, зокрема до способів утилізації тепла відпрацьованих газів високотемпературних теплоенергетичних та теплотехнологічних установок, що працюють на газовому паливі (газових турбін, двигунів внутрішнього згоряння, нагрівальних печей і т. ін.) Традиційне спалювання газу у високотемпературних установках (ВУ) характеризується значними втратами тепла (до 70 %) з відпрацьованими газами. Підвищити енергоефективність цих установок можна за рахунок утилізації (регенерації) тепла, що безповоротно втрачається. З цією метою може бути використаний відомий метод термохімічної регенерації (ТХР) теплоти [1]. Суть методу ТХР полягає у використанні фізичного тепла димових газів для ендотермічної переробки (конверсії) суміші первинного палива (природного газу) з певним окислювачем. При цьому утворюється конвертоване паливо (КП), яке має більшу, ніж первинне, теплоту згоряння. Це додаткове хімічно зв'язане тепло вивільняється при спалюванні КП у камері згоряння ВУ, що забезпечує відповідне зниження витрати первинного палива. В залежності від технологічних умов спалювання може проводитись як при стехіометричному відношенні кількості повітря до кількості палива, так і при деякій недостачі чи надлишку повітря. В останньому випадку у продуктах згоряння міститься кисень. Відомий спосіб утилізації теплоти відпрацьованих газів, який базується на термохімічній регенерації тепла [2]. Згідно з цим способом в реактор, куди подається вихідне органічне паливо, додатково вводиться деяка частина продуктів згоряння цього палива. За рахунок утилізації теплоти продуктів згоряння відбувається їх некаталітичне відновлення (конверсія) органічним паливом. В результаті утворюється конвертоване паливо з більш високою калорійністю, ніж вихідне. Для здійснення процесу некаталітичного відновлення продукти згоряння повинні мати температуру Τ ≈ 2200-2500 К. У зв'язку з цим елементи пристроїв для проведення процесу потрібно виготовляти зі спеціальних жароміцних матеріалів, які мають дуже високу ціну. При значно нижчих температурах відпрацьованих газів (T ≤ 1200-1300 К), які характерні для більшості промислових ВУ, такий спосіб утилізації теплоти непридатний. В цьому випадку необхідно використання каталізатора, який суттєво знижує температуру початку відновлення, а також додаткове обігрівання суміші відпрацьованих газів з органічним паливом. З огляду на це, найбільш близьким до корисної моделі, що пропонується, є спосіб утилізації тепла відпрацьованих газів печей [3], згідно з яким вихідне паливо змішують з 20-50 % відпрацьованих газів, а отриману суміш перед подачею на каталітичну конверсію підігрівають у теплообміннику до температури вище температури початку конверсії. Загальними суттєвими ознаками прототипу та корисної моделі, що заявляється, є змішування вихідного палива з частиною продуктів згоряння, подача утвореної суміші на каталітичну конверсію, нагрівання повітря і подача конвертованого палива та нагрітого повітря на технологічне спалювання. Недоліками відомого способу є низький ступінь процесу конверсії, якщо конвертоване паливо спалюється з коефіцієнтом надлишку повітря   1 . Як зазначалося вище, у таких випадках продукти згоряння містять кисень, наявність якого в реакції конверсії знижує калорійність конвертованого палива [4]. Подача відпрацьованих газів спочатку в повітронагрівач, а потім в теплообмінник призводить до зменшення температури відпрацьованих газів, теплота яких використовується для проведення процесу конверсії. В результаті повнота конверсії зменшується, що призводить до зниження калорійності конвертованого палива. Крім того, нагрівання суміші вихідного палива з продуктами згоряння в окремому теплообміннику, а її конверсія в окремому реакторі призводить до ускладнення схеми утилізації і до подорожчання установки, в якій буде реалізовуватись відомий спосіб. В основу корисної моделі, що пропонується, поставлено задачу вдосконалення способу утилізації теплоти відпрацьованих газів ВУ шляхом випалювання кисню з деякої частини відпрацьованих газів, суміщення процесів нагрівання суміші вихідного палива з продуктами згоряння і її конверсії в одному технологічному блоці та зміни послідовності відбору теплоти відпрацьованих газів для конверсії та нагрівання повітря. Поставлена задача вирішується тим, що в способі утилізації теплоти відпрацьованих газів, що включає змішування вихідного палива з частиною відпрацьованих газів, подачу отриманої вихідної суміші на каталітичну конверсію і подачу конвертованого палива на технологічне спалювання, частину цього палива y в суміші з частиною відпрацьованих газів z стехіометрично спалюють в окремій камері, причому величини y і z пов'язані з коефіцієнтом надлишку повітря у ВУ  залежностями y    1 / 4 , z  1/ 3  1 , утворені в камері відпрацьовані гази вводять в теплообмінник з каталітичним реактором для нагрівання і 1 UA 92281 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 каталітичної конверсії вихідної суміші, після чого їх подають на змішування з вихідним паливом, а відпрацьовані гази, частка яких становить 1 z  , вводять в рекуператор теплообмінника, після чого їх подають в повітронагрівач і потім направляють на вихід в атмосферу. При спалюванні будь-якого палива з надлишком повітря у продуктах згоряння завжди присутній кисень. У способі, що заявляється, спалювання в окремій камері частини конвертованого палива з частиною відпрацьованих газів при запропонованих залежностях частки палива y і газів z від коефіцієнта надлишку повітря  дозволяє отримати в камері продукти згоряння (відпрацьовані гази), які не містять кисню. При каталітичній конверсії суміші таких продуктів з вихідним паливом утворюється конвертоване паливо з більшою калорійністю, ніж у випадку, коли в продуктах згоряння є кисень. Відбір теплоти з відпрацьованих газів на нагрівання повітря після теплообмінника (а не до його, як у прототипі), також сприяє підвищенню калорійності конвертованого палива, оскільки на здійснення процесу конверсії можна використати більше теплоти. Здійснення процесів нагрівання суміші вихідного палива з продуктами згоряння і конверсії суміші в одному технологічному блоці (хімічному реакторі) дозволяє спростити спосіб утилізації теплоти відпрацьованих газів. Технічна суть і принцип дії корисної моделі, що пропонується, пояснюється кресленням, де зображено схему способу утилізації теплоти відпрацьованих газів. Схема включає змішувач 1, високотемпературну установку 2, камеру згоряння 3, теплообмінник 4 з хімічним реактором 5 і рекуператором 6, повітронагрівач 7 з рекуператором 8. Спосіб здійснюється таким чином. Вихідне паливо у суміші з відпрацьованими газами із змішувача 1 подається в хімічний реактор 5, де відбувається його каталітична конверсія з утворенням конвертованого палива, яке використовується для спалювання у ВУ 2. Це паливо матиме найбільшу калорійність, якщо у відпрацьованих газах, що змішуються з вихідним паливом, відсутній кисень. Але спалювання палива у ВУ 2 при надлишку повітря  призведе до утворення відпрацьованих газів, які будуть містити кисень. Для досягнення позитивного результату у способі, що заявляється, доцільно було б якимось чином випалити кисень з відпрацьованих газів і потім змішувати їх з вихідним паливом. З цією метою частина конвертованого палива y разом з частиною відпрацьованих газів z , які надходять з ВУ 2, спалюється в камері згоряння 3. Аналіз матеріального балансу камери 3 та умова повного випалювання кисню з відпрацьованих газів, що надходять до камери, дає систему двох рівнянь z1  y   1  y ; 4z1  y   y   1, яка має єдиний розв'язок y    1 / 4 ; z  1/ 3  1 , де  - коефіцієнт надлишку повітря у ВУ. При такому спалюванні утворюються високотемпературні продукти згоряння, що не містять кисню. Ці продукти згоряння подаються в теплообмінник 4, в якому їхнє тепло використовується для здійснення ендотермічних реакцій каталітичної конверсії в хімічному реакторі 5. Після відбору теплоти вони виводяться з теплообмінника 4 і подаються у змішувач 1. Відпрацьовані гази, що залишилися, частка яких становить 1 z  подаються в рекуператор 6 теплообмінника 4, в результаті чого в теплообмінник вноситься додаткова кількість теплоти, яка використовується для поліпшення умов процесу каталітичної конверсії в хімічному реакторі 5. Після виходу з рекуператора 6 відпрацьовані гази направляються в повітронагрівач 7 з рекуператором 8 і потім скидаються в атмосферу. Повітря, яке проходить через рекуператор 8, нагрівається за рахунок теплоти відпрацьованих газів і подається у ВУ 2. Зрозуміло, що нагрівання повітря підвищує економічні показники способу. Результати проведених досліджень показали, що при реалізації способу, який заявляється (схема № 1), калорійність конвертованого палива більше, ніж при реалізації прототипу (схема № 2). Отримані термодинамічні показники процесу утилізації теплоти за обома способами для двох значень коефіцієнта надлишку повітря наведені в таблиці. Тут для обох схем: T2 - температура повітря на вході у ВУ, T3 - температура газів на вході в теплообмінник, T4 , Q 4 - температура конвертованого палива і його калорійність на виході з хімічного реактора, T5 - температура відпрацьованих газів, що викидаються в атмосферу. При ,   1 y  0 , z  0,25 , а при   1 2 y  0,0417 , z  0,2174 . При розрахунках показників прийнято, що температури вихідного палива і атмосферного повітря однакові і дорівнюють 300 К. 2 UA 92281 U Таблиця Показники процесу утилізації теплоти відпрацьованих газів при температурі газів на виході з печі Т1 = 1000К  Схема утилізації За способом, пропонується що 1 1,2 1 1,2 За прототипом 5 10 20 30 35 40 45 Q4, МДж/кмоль СН4 971 979 937 895  n T5  326 К). При зростанні коефіцієнта надлишку повітря виграш у прирості калорійності також зростає. Наприклад, за даними, наведеними в таблиці для коефіцієнта надлишку повітря   1 2 , величина виграшу становить 9,3 %, з урахуванням того, що у способі, який заявляється, частина конвертованого палива не надійде у ВУ, а буде спалена в камері згоряння, тобто виграш становить B  100 Qc 1  y   Qn / Qn . Зазначимо, що отримане при   1 2 значення , 4 4 4   Qc 4 25 T5 342 387 326 607 В подальшому температури і калорійності, які отримані при утилізації теплоти за схемою № 1, будемо позначати верхнім індексом "с", а за схемою № 2 - індексом "n". З порівняння наведених в таблиці даних видно, що при одній і тій же температурі відпрацьованих газів на виході з ВУ і однаковій температурі повітря, яке подається до неї, калорійність конвертованого палива при застосуванні способу, що заявляється, вище, ніж при застосуванні прототипу. Наприклад, при   1 величина Q c становить 971 МДж/кмоль СН4, а Qn  937 МДж/кмоль 4 4 СН4. Отже, виграш В у прирості калорійності конвертованого палива при застосуванні способу, що пропонується, становить 3,6 %. Величина виграшу розраховувалась за виразом B  100 Qc  Qn / Qn . Зазначимо, що цей приріст досягнуто тільки за рахунок того, що 4 4 4 нагрівання повітря в процесі утилізації теплоти за схемою № 1 здійснюється після теплообмінника, а не перед ним, як у схемі № 2. Відзначимо також, що при   1 температури c відпрацьованих газів, що виводяться в атмосферу відрізняються несуттєво ( T5  342 К і  15 Температура, К T3 T4 1000 964 1320 980 953 910 872 852 T2 370 516 370 516 калорійності на 16,9 % більше теплоти згоряння метану, величина якої в наших розрахунках становила 802,3 МДж/кмоль. В наведеному прикладі приріст калорійності обумовлений вже двома факторами випалюванням кисню з продуктів згоряння, які подаються на конверсію в хімічний реактор, і зміною послідовності конверсії та нагрівання повітря. При нагріванні повітря відпрацьованими газами згідно з прототипом, тобто перед теплообмінником, з них відбирається деяка кількість теплоти, яка могла б бути використана більш ефективно для конверсії паливної суміші у хімічному реакторі. В способі, що заявляється, нагрівання повітря здійснюється після теплообмінника, тому більша, порівняно з прототипом, частина тепла відпрацьованих газів може бути використана для нагрівання хімічного реактора і відповідного підвищення калорійності конвертованого палива. Виявилось також, що при коефіцієнті надлишку повітря   1 у способі, що заявляється, крім збільшення калорійності конвертованого палива порівняно з прототипом, досягається також зменшення температури відпрацьованих газів, які викидаються в атмосферу. У наведеному в c n таблиці прикладі T5  387 К, а T5  607 К. Менші значення температури відпрацьованих газів, які виводяться в атмосферу при утилізації їх теплоти за способом, що заявляється, обумовлені тим, що відбір теплоти на нагрівання повітря здійснюється після теплообмінника, а не перед ним, як це передбачено у прототипі. Таким чином, випалювання кисню з деякої частини відпрацьованих газів та зміна послідовності відбору теплоти відпрацьованих газів для конверсії та нагрівання повітря дозволяють підвищити калорійність конвертованого палива і тим самим зменшити витрати вихідного палива (метану). Здійснення процесів нагрівання і конверсії суміші вихідного палива з продуктами згоряння в одному технологічному блоці (хімічному реакторі) сприяє спрощенню реалізації способу, що заявляється. 3 UA 92281 U 5 10 Джерела інформації: 1. Носач В.Г. Энергия топлива. - Киев: Наукова думка, 1989. - 148 с. 2. А. с. 303344 СССР, C10J 1/26. Способ утилизации теплоты отходящих газов МГДгенератора / Марченко Г.В., Козлюк В.Н., Носач В.Г. - № 960809/24-06; заявл. 21.09.64; опубл. 15.03.78, Бюл. № 10. 3. А. с 1013726 А СССР, F27D 17/00. Способ утилизации тепла отходящих газов печей / Носач В.Г., Кривоконь Α.Α., Филипчук В.Е. [и др] - № 3346584/22-02; заявл. 16.10.81; опубл. 23.04.83, Бюл. № 15. 4. Шрайбер О.А. Використання теплових вторинних енергоресурсів методом термохімічної регенерації. Розрахунок конверсії палива / О.А. Шрайбер // Проблеми загальної енергетики. 2013. - № 2(33). - С. 39-42. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 Спосіб утилізації теплоти відпрацьованих газів високотемпературної установки, що включає змішування вихідного палива з частиною відпрацьованих газів, подачу отриманої вихідної суміші на каталітичну конверсію і подачу конвертованого палива на технологічне спалювання, який відрізняється тим, що з метою підвищення калорійності конвертованого палива частину цього палива y в суміші з частиною відпрацьованих газів z стехіометрично спалюють в окремій камері, причому величини y і z пов'язані з коефіцієнтом надлишку повітря у високотемпературній установці  залежностями y    1 / 4 , z  1/ 3  1 , утворені в камері відпрацьовані гази вводять в теплообмінник з каталітичним реактором для нагрівання і каталітичної конверсії вихідної суміші, після чого їх подають на змішування з вихідним паливом, а відпрацьовані гази, частка яких становить 1 z  , вводять в рекуператор теплообмінника, після чого їх подають в повітронагрівач і потім направляють на вихід в атмосферу. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4