Способ утилизации дымовых газов, получаемых при сжигании жидкого, газообразного или пылевидного углеводородного топлива

 

Способ относится к области сжигания углеводородного топлива для получения пара или горячей воды и может быть использован в производстве тепла или электроэнергии. Способ ведут путем сжигания топлива в окислительной среде, состоящей из кислорода и углекислого газа, взятых в заданном соотношении. При этом углекислый газ получают из дымовых газов путем их мокрой фильтрации. Остаток получаемого после смешения с кислородом углекислого газа используют в качестве побочного продукта. Способ способствует увеличению КПД процесса получения тепла или электроэнергии при полном исключении выброса дымовых газов в атмосферу. 1 ил.

Изобретение относится к области сжигания топлива и может быть использовано для получения пара или горячей воды и углекислого газа.

Известен способ сжигания топлива (см. патент США 3466351, публикация 9.09.1969, т. 866, 2), например, во вращающихся цементных печах обжига. В процессе сжигания топлива газовая смесь непрерывно циркулирует в печи и к циркулирующей смеси непрерывно добавляют топливо и кислород для подвода тепловой энергии. При этом некоторое количество циркулирующей газовой смеси непрерывно выводится из печи. Удаляемое количество этой смеси может быть очищено от нежелательных загрязнений и может быть использовано в качестве побочного продукта.

Недостатком способа является наличие большого количества неконтролируемого воздуха, проникающего через неплотности в газовый тракт (например, через горячую головку печи в месте выгрузки клинкера), что существенно увеличивает загрязнение смеси дымовых газов трудно отделимым азотом.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ (принятый за прототип) сгорания топлива (патент 2028541 от 10.10.89. Изобретатель 4, 1995), в котором в качестве окислителя используют кислород, подаваемый в камеру сгорания. Как балласт используют воду, впрыскиваемую в камеру сгорания. В процессе горения образуется парогазовая смесь, используемая для получения пара или горячей воды в котле-утилизаторе. После отдачи тепла дымовых газов теплоносителю дымовые газы при температуре 150-250^oС охлаждают холодной водой. При этом находящиеся в дымовых газах водяные пары конденсируются и частью направляются в зону горения. После конденсации водяных паров в дымовых газах остается в основном только углекислый газ, получаемый при сгорании топлива. Углекислый газ используют как побочный продукт.

Недостатком способа является то, что при охлаждении дымовых газов и конденсации из них водяных паров теряется большое количество тепла, уносимого с охлаждающей водой.

Технической задачей изобретения является уменьшение потерь тепла при полном исключении выброса дымовых газов в атмосферу.

Задача решается тем, что в способе утилизации дымовых газов, получаемых при сжигании жидкого, газообразного или пылевидного углеводородного топлива, включающем нагрев теплоносителя дымовыми газами при замкнутом процессе циркуляции последних, сжигание топлива производят в окислительной среде, состоящей из кислорода и углекислого газа, взятых в заданном соотношении, при этом углекислый газ получают из дымовых газов путем их мокрой фильтрации и остаток получаемого после смешения с кислородом углекислого газа используют как побочный продукт.

Сущность изобретения состоит в том, что кислород и углекислый газ смешивают в установленном соотношении (от 1:3 до 1:6), получая окислительную смесь, в которой углекислый газ играет роль балластного газа, обеспечивая получение установленной (1000-1400)^oC температуры в зоне горения. Образующиеся при горении дымовые газы содержат только водяные пары и углекислый газ, получаемые при сгорании топлива с кислородом. Дымовые газы, отдавая тепло теплоносителю котла-утилизатора, охлаждаются до 150-250^oС. Поскольку доля водяных паров в дымовых газах не превышает 15%, то содержание тепла в дымовых газах при этой температуре много меньше, чем в прототипе, в котором содержание водяных паров в дымовых газах может доходить до 30-40%.

Охлажденную до указанной выше температуры газовую смесь подвергают мокрой фильтрации, в процессе которой водяные пары конденсируются, а в дымовых газах остается только углекислый газ с влажностью 100%. Часть углекислого газа направляют на смешение с кислородом для образования окислительной смеси, а остаток используют как побочный продукт в газообразном или твердом виде. Таким образом, в системе непрерывно циркулирует постоянное количество углекислого газа со стопроцентной влажностью, а та часть углекислого газа, которая образуется при сжигании топлива, используется как побочный продукт и выводится из процесса. Поскольку дымовые газы в зоне горения содержат только трехатомные газы, то лучистый обмен в зоне горения максимален при прочих равных условиях.

На чертеже приведена функциональная схема реализации способа в виде установки. Установка содержит котел-утилизатор 1, смеситель 2, кислородную установку 3, мокрый фильтр 4, трубопроводы подачи топлива 5, подачи окислителя 6, воздуха 7 и воды 8 в котел-утилизатор 1, трубопроводы отвода пара 9 и дымовых газов 10 из котла-утилизатора 1, трубопровод отвода 11 воды из фильтра 4, трубопровод 12 отвода углекислого газа и трубопровод подвода воды 13 в фильтр 4. Установка состоит из обычного выпускаемого промышленностью оборудования.

Трубопровод подачи топлива 5 через вход 14 соединен с котлом-утилизатором 1. Трубопровод 7 подачи воздуха соединен со входом 16 кислородной установки 3, выход 17 которой соединен со входом 18 смесителя 2. Выход 19 последнего через трубопровод 6 соединен со входом 15 котла-утилизатора 1. Трубопровод подачи воды 8 соединен со входом 20 котла-утилизатора 1, а выход 22 последнего соединен с трубопроводом 9 отвода пара. Выход 21 котла-утилизатора 1 через трубопровод 10 отвода дымовых газов соединен со входом 27 мокрого фильтра 4. Трубопровод 13 подвода воды соединен со входом 23 фильтра 4, а трубопровод 11 отвода воды через выход 24 соединен с фильтром 4. Выход 25 фильтра 4 соединен со входом 26 смесителя 2, а выход 25 фильтра 4 соединен с трубопроводом 12 отвода углекислого газа. Установка, реализующая способ, работает следующим образом. Топливо по трубопроводу 5 через вход 14 подают в зону горения котла-утилизатора 1. Воздух по трубопроводу 7 через вход 16 подают в установку 3 для получения кислорода. С выхода 17 кислородной установки 3 кислород подают на вход 18 смесителя 2. В смесителе 2 кислород и углекислый газ, подаваемый на вход 26 смесителя, смешивают в заданном соотношении. С выхода 19 смесителя полученную окислительную смесь через трубопровод 6 подают в зону горения котла-утилизатора 1 через вход 15. Через трубопровод 8 на вход 20 котла-утилизатора подают воду. В котле-утилизаторе 1 воду превращают в пар и с выхода 22 последний отводят по паропроводу 9. С выхода 21 котла-утилизатора дымовые газы, состоящие из водяных паров и углекислого газа, при температуре 150-250^oС подают на вход 27 фильтра 4. На вход 23 фильтра 4 через трубопровод 13 подают охлаждающую воду. Дымовые газы барботируют через воду фильтра 4. При этом водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, конденсируются и через выход 24 по трубопроводу 11 отводятся из фильтра для охлаждения и повторного использования. После конденсации водяных паров в газообразной фазе остается только влажный углекислый газ. При сжигании пылевидного топлива в фильтре 4 отделяют от дымовых газов также и твердую фазу. С выхода 25 через вход 26 смесителя часть углекислого газа при температуре 60-80^oС отводятся в смеситель 2, в котором последний смешивают в заданном соотношении с кислородом. Остаток углекислого газа через трубопровод 12 отводят для последующей очистки и переработки в сжатый газ или сухой лед для использования как побочный продукт.

Пример использования.

Исходное топливо - мазут с теплотворной способностью 9500 Ккал/кг. При сжигании мазута в окислительной среде, содержащей 20% кислорода и 80% углекислого газа необходимо затратить кислорода: Vк=0,0187•Cp+0,056•Нр, (1) где: Ср = 84,8 и Нр = 12 Отсюда Vк равен 2,256 м³/кг.

Весовой расход кислорода равен: Gк=Г1•Vк, (2) где Г1 - удельный вес кислорода, равный 1,429 кг/м³ Gк=1,429•2,256=3,64 кг.

Объем водяных паров, образующихся при сжигании 1 кг мазута, равен 1,34 м³/кг. Весовой выход водяных паров при сжигании 1 кг мазута равен: Gвп=Г2•1,34, (3) где Г2 - удельный вес водяных паров, равный 0,805 кг/м³.

Gвп=1,34•0,805=1,08 кг/кг.

На получение Gвп водяных паров затрачено Gквп кислорода: Gквп=Gвп•М1/М2, (4)
где M1 и М2 - молекулярные веса кислорода и водяных паров соответственно.

Gквп=1,08•16/18=0,96 кг/кг.

Количество кислорода Gкс, затраченного на сжигание углерода топлива, равно:
Gкс=Gк-Gквп, (5)
Gкс=3,64-0,96=2,68 кг/кг.

При этом получают углекислого газа:
Gco=Gкс•М3/М4, (6)
где М3 и М4 - молекулярные веса углекислого газа и кислорода соответственно.

Gco=2,68•46/32=3,88 кг/кг.

Прибыль, получаемая при сжигании 1 кг мазута, равна:
П=Цсо•Gсо-Цо•Gо, (7)
где Цсо и Цо - цены газообразных углекислого газа и кислорода в долларах США на 1 т мазута
П=40•3,88-40•3,64=9,6 Д США.

Формула изобретения

Способ утилизации дымовых газов, получаемых при сжигании жидкого, газообразного или пылевидного углеводородного топлива, включающий нагрев теплоносителя дымовыми газами при замкнутом процессе циркуляции последних, отличающийся тем, что сжигание топлива производят в окислительной среде, состоящей из кислорода и углекислого газа, взятых в заданном соотношении, при этом углекислый газ получают из дымовых газов путем их мокрой фильтрации и остаток получаемого после смешения с кислородом углекислого газа используют в качестве побочного продукта.

РИСУНКИ

Рисунок 1