Теплогенерирующая установка

Изобретение относится к области котлостроения, в частности к теплогенерирующим установкам для получения горячей воды с температурой до 95°C. Технический результат заключается в повышении кпд теплогенерирующей установки и интенсификации теплообмена в водогрейном котле. Топливо подается в горелку, в которой смешивается с подаваемым воздухом и сжигается факельным способом. Тангенциально вокруг факела пламени впрыскивается питательная вода через распылительные форсунки камеры сгорания. Образующаяся турбулизированная расширяющаяся парогазовая смесь, перемешивается с помощью завихрителя, расположенного в камере сгорания. В камеру орошения камеры сгорания подается питательная вода. Процесс тепломассообмена протекает интенсивно, т.к. турбулизированная парогазовая смесь интенсивно контактирует с родственной и более холодной капельной жидкостью. Камера сгорания выполнена тупиковой посредством установки цилиндрического экрана вокруг факела пламени в камере орошения. Нагретая вода стекает в водошламосборник, который является гидрозатвором и шламоотделителем. Обратный клапан предохраняет котел от переполнения водой при изменениях нагрузки котла. При этом гидрораспределитель устанавливается на уровне водошламосборника в горизонтальном положении для обеспечения самотечного удаления нагретой воды из котла. Из гидрораспределителя сетевым насосом сетевая горячая вода подается потребителю. Скопившийся в нижней части водошламосборника шлам удаляется с продувкой шлама. Отходящие дымовые газы очищаются от капелек влаги в сепараторе-водоотделителе, расположенном на выходе из камеры сгорания, и удаляются в атмосферу. Вредные газовые выбросы (СО, СO₂, оксиды азота) поглощаются водой. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области котлостроения, в частности к теплогенерирующим установкам для получения горячей воды с температурой до 95°C.

Известен способ теплообмена между тепловым полем продуктов сгорания топлива и водой и устройством для его осуществления - контактным водонагревателем эрлифтного типа [Кучухидзе Д.Г. Разработка и исследование контактных водонагревателей с циклонными топками. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук].

Недостатком известного способа является то, что теплообмен между продуктами сгорания и жидкостью происходит по поверхностям ограниченным внутренней геометрией устройства, что существенно снижает интенсивность теплообмена, а наличие в устройстве (контактном водонагревателе эрлифтного типа) эрлифтных трубок усложняет конструкцию устройства для осуществления способа, снижает надежность работы из-за возможности отложений накипи и шлама в эрлифтных трубках, а также увеличивает его материалоемкость.

Известно устройство, контактный водонагреватель [А.С. 376636 (СССР). Контактный водонагреватель. Ю.П. Соснин], в котором нагреваемая вода поступает по трубе в нижнюю зону корпуса и постепенно поднимается вверх. На уровне щита в слой жидкости с большой скоростью через щель входят образовавшиеся в камере сгорания дымовые газы. Струя газов, обладающая определенной кинетической энергией, при ударе о воду разбивается на множество мелких пузырьков, в результате чего, предположительно, создается развитая межфазная поверхность, через которую происходит тепло- и массообмен между газами и водой. Пузырьки газов, всплывая вверх под действием гравитационных сил, увлекают за собой близлежащие слои воды. Газожидкостная эмульсия поднимается вверх и в верхней ее зоне ударяется об отражатель. При этом двухфазная система газ-жидкость разрушается. Газ в виде продуктов сгорания и водяного пара поднимается вверх, а нагретая вода поступает в сборник и затем самотеком выливается к потребителям.

Недостатком известного устройства является то, что образование мелких капель идет недостаточно интенсивно при ударе струи газов о поверхность воды, имеющих ~800-кратное соотношение плотности жидкости и газов, что не позволяет должным образом подготовить условия для интенсивного межфазного теплообмена. Энергопотребление и материалоемкость устройства высокая.

Наиболее близким к предложенному устройству является котел водогрейный для осуществления способа контактного теплообмена [Патент RU 2619429 «Способ контактного теплообмена и устройство для его осуществления»], включающий горелочное устройство, камеру сгорания, содержащую камеру смешения, завихритель, камеру орошения, сепаратор-водоотделитель.

Недостатком известного устройства является то, что не проработаны устройство подачи питательной воды и организация потоков парогазовой смеси для обеспечения максимальной конденсации водяных паров, что снижает КПД устройства. Также не решен вопрос надежной циркуляции теплоносителя в системе «котел - система теплоснабжения».

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД теплогенерирующей установки, независимость от качества питательной воды, экологичность и безопасность эксплуатации теплогенерирующей установки, а также интенсификация теплообмена в котле водогрейном контактного теплообмена конденсационного типа.

Указанный технический результат достигается за счет теплогенерирующей установки, включающей котел водогрейный контактного теплообмена конденсационного типа, питательный насос, циркуляционный насос, гидрораспределитель, дозатор комплексоната и водошламосборник. В котле водогрейном контактного теплообмена конденсационного типа, включающем горелочное устройство, камеру сгорания, имеющую камеру парообразования и смешения с газами факела, завихритель, камеру орошения, сепаратор-водоотделитель, подача питательной воды осуществляется на распылительные форсунки и форсунки орошения, расположенные в камере сгорания, причем распылительные форсунки камеры сгорания размещены тангенциально в обхват вокруг горелки, а форсунки орошения - встречно образующемуся газопотоку в обхват факела горелки камеры сгорания. Питательная вода подается двумя потоками в соотношении: первый - на распылительные форсунки ~4,7% и второй - на форсунки орошения ~94,3% от общего расхода питательной воды. В котле водогрейном контактного теплоообмена конденсационного типа теплообмен протекает путем контакта теплового поля факела с водой в капельном состоянии, посредством первичного аккумулирования всей энергии факела (радиационной и конвективной составляющих) в теплоте парообразования капель (d₁≤0,2 мм) воды в объеме ~4,7% от массы общего количества нагреваемой воды, с образованием динамичной парогазовой смеси и последующего интенсивного энергообмена парогазовой смеси адгезионно-конденсационным теплообменом с каплями (d₂≥0,4 мм) основной массы воды в объеме ~94,3%. При интенсивном турбулентном контактировании парогазовой смеси с каплями орошения, первичные капли конденсируются на каплях (более холодной) родственной капельной жидкости. Камера сгорания выполнена тупиковой посредством установки цилиндрического экрана вокруг факела пламени в камере орошения. В результате увеличивается время контакта парогазовой смеси и орошающих капель жидкости, что способствует более полной конденсации водяных паров. В сепараторе-водоотделителе в результате встречного движения дымовых газов и питательной воды, подаваемой в сепаратор-водоотделитель, происходит отделение частично уносимой капельной влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах. Количество питательной воды, подаваемой на сепаратор-водоотделитель, определяется тепловым балансом и составляет примерно 1% от общего расхода питательной воды.

Для надежности циркуляции сетевой и питательной воды при изменении нагрузки на теплогенерирующую установку, гидрораспределитель подключается через обратный клапан к водошламосборнику на уровне водошламосборника в горизонтальном положении, чем предотвращается осушение водошламосборника, что может привести к срыву работы питательного насоса, или переполнение контура циркуляции, что может привести к затоплению камеры орошения.

В целом происходит повышение КПД, независимость от качества питательной воды, экологичность и безопасность эксплуатации теплогенерирующей установки. Также повышается КПД котла водогрейного, контактного теплообмена конденсационного типа, вследствие использования тепла конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах; снижается материалоемкость котла водогрейного, контактного теплообмена конденсационного типа и его стоимость, вследствие снижения его габаритов при более интенсивной теплопередаче; снижаются требования к качеству питательной воды с точки зрения накипеобразования на поверхностях нагрева, т.к. поверхностью нагрева являются капельки воды, и накипь образуется в виде шлама, удаляемого с продувкой; повышается экологичность, за счет промывки каплями орошающей воды дымовых газов, поглощающими вредные газовые выбросы (СО, CO₂, оксиды азота); повышается безопасность эксплуатации, т.к. корпус котла не находится под давлением. Получаемые вредные жидкие стоки существенно дешевле обезвреживаются и утилизируются локальным захоронением или возвратом в химическую промышленность по сравнению с обезвреживанием газовых выбросов.

На фиг. 1 показана схема теплогенерирующей установки.

Схема включает в себя следующие элементы: 1 - камера сгорания, 2 - камера парообразования и смешения с газами факела, 3 - камера орошения, 4 - горелочное устройство, 5 - подвод топлива, 6 - подвод воздуха, 7 - факел пламени, 8 - гидрораспределитель, 9 - распылительные форсунки, 10 - спирально закрученная капельно-испаряемая вода, 11 - поток орошающих нагреваемых капель, 12 - завихритель, 13 - питательный насос, 14 - форсунки орошения, 15 - обратная сетевая вода, 16 - дозатор комплексоната, 17 - сепаратор-водоотделитель, 18 - водошламосборник, 19 - сетевой насос, 20 - горячая сетевая вода, 21 - продувка шлама, 22 - отходящие дымовые газы, 23 - цилиндрический экран, 24 - обратный клапан.

Теплогенерирующая установка включает в себя котел водогрейный, контактного теплообмена конденсационного типа, питательный насос, циркуляционный насос, гидрораспределитель, дозатор комплексоната, водошламосборник.

Котел водогрейный контактного теплообмена конденсационного типа, включает горелочное устройство; камеру сгорания, имеющую камеру парообразования и смешения с газами факела; распылительные форсунки и форсунки орошения; завихритель; сепаратор-водоотделитель и камеру орошения, содержащую цилиндрический экран.

Топливо 5 (жидкое или газообразное) подается в горелочное устройство 4, в котором смешивается с подаваемым воздухом 6 (избыток воздуха определяется характеристиками горелки, в зависимости от вида сжигаемого топлива) и сжигается факельным способом. От питательного насоса питательная вода подается на распылительные форсунки и форсунки орошения камеры сгорания, причем на распылительные форсунки подается ~4,7%, а на форсунки орошения - ~94,3% от общего расхода питательной воды. Вокруг факела пламени 7 капельно и тангенциально впрыскивается питательная вода через распылительные форсунки камеры сгорания 9 потоком спирально закрученной капельной испаряемой воды 10 камеры сгорания 1 с помощью нагнетания питательным насосом 13 обратной сетевой воды 15, забираемой из гидрораспределителя 8, для:

- капельно-испарительного охлаждения стенки камеры сгорания 1 и горелочного устройства 4;

- поглощения радиационной составляющей теплового поля факела - образуя радиационный экран;

- образования пара (средний размер капель по полноте испарения d₁≤0,2 мм) обеспечивающего формирование энергоемкого фазового состояния воды, родственного последующей орошающей воде.

Образующаяся тангенциально-закрученная расширяющаяся парогазовая смесь, перемешивается с образующимися газами факела пламени 7 с помощью завихрителя 12, расположенного в камере парообразования и смешения с газами факела 2. В камеру орошения 3 камеры сгорания 1 подается питательная вода через форсунки орошения 14 нагревательного контура с помощью отвода от питательного насоса 13. Ввод распыленной питательной воды осуществляется конусообразно, с омыванием стенок камеры орошения 3 и цилиндрического экрана 23 для предотвращения их перегрева. Процесс тепло-массообмена протекает интенсивно, т.к. турбулизированная парогазовая смесь интенсивно контактирует с родственной и более холодной капельной жидкостью находящейся в мелкодисперсном состоянии, размеры капель по минимизации испарения d₂≥0,4 мм. Камера сгорания выполнена тупиковой, посредством установки цилиндрического экрана 23 вокруг факела пламени 7 в камере орошения 3, что увеличивает время контакта парогазовой смеси и способствует более полной конденсации водяных паров. Нагретая вода стекает в водошламосборник 18, который является гидрозатвором и шламоотделителем. Нагретая вода из водошламосборника через обратный клапан 24 самотеком поступает в гидрораспределитель 8. Обратный клапан предохраняет котел от переполнения водой при изменениях нагрузки котла. При этом гидрораспределитель устанавливается на уровне водошламосборника в горизонтальном положении для обеспечения самотечного удаления нагретой воды из котла. Из гидрораспределителя 8 сетевым насосом 19 сетевая горячая вода 20 подается потребителю. Скопившийся в нижней части водошламосборника 18 шлам удаляется с продувкой шлама 21. Отходящие дымовые газы 22 очищаются от капелек влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах в сепараторе-водоотделителе 17, расположенном на выходе из камеры сгорания, и удаляются в атмосферу. Вредные газовые выбросы (СО, CO₂, оксиды азота) поглощаются водой.

Пример осуществления способа.

Теплогенерирующая установка предназначена для получения горячей воды с температурой не более 95°C для нужд теплоснабжения, а также эффективна для систем с невозвратом теплоносителя, например, при закачке теплоносителя в нефтяные пласты для увеличения их нефтеотдачи, т.к. в случае применения обычных теплогенераторов (с теплопередающими поверхностями: водотрубными, жаротрубными и газотрубными) требуется водоподготовительная установка большой производительности, что в условиях транспортабельной установки не приемлемо. Температура обратной сети нижним пределом не лимитируется (в обычных теплогенерирующих установках температура обратной сетевой воды ограничивается температурой 70°C, что связано с предотвращением образования конденсата на хвостовых поверхностях нагрева). В предлагаемой теплогенерирующей установке температура обратной сетевой воды может быть ниже 70°C, в зависимости от потребителя.

Теплогенерирующая установка предназначена для работы на газообразном или жидком топливе и, соответственно, включает горелочное устройство, к которому подводится топливо и воздух. При сжигании топлива образуется факел в камере сгорания.

Питательный насос обеспечивает подвод питательной воды на распылительные форсунки и форсунки орошения камеры сгорания, причем распылительные форсунки расположены тангенциально в обхват вокруг горелки, форсунки орошения - встречно образующемуся газопотоку в обхват факела горелки камеры сгорания. Питательная вода подается двумя потоками в соотношении первый - на распылительные форсунки ~4,7% и второй - на форсунки орошения ~94,3% от общего расхода питательной воды, а камера сгорания выполнена тупиковой, посредством установки цилиндрического экрана вокруг факела пламени в камере орошения. Например, при мощности установки 3,0 МВт, расход оборотной воды 102,9 м³/ч: первый поток - 5,9 м³/ч; второй поток - 97 м³/ч.

Через форсунки испарительного контура (первый поток) с помощью питательного насоса распыляется питательная вода с тангенциальной подачей в охват факела пламени, со средним размером капель d₁≤0,2 мм - по условию полноты испаряемости, в количестве ~4,7% от общей массы воды. Температура дымовых газов при этом снижается и стенки камеры сгорания горелки и корпуса котла не перегреваются.

В камеру орошения камеры сгорания подается основная масса питательной воды (второй поток ~94,3%) потоком через форсунки орошения с распылением на капли размером d₂≥0,4 мм - по условию неиспаряемости, с помощью питательного насоса. Сетевой теплоноситель нагревается конденсационно-контактно парогазовой смесью до температуры 95°C в оросительной камере. При непосредственном соприкосновении капель жидкости и потока газов, коэффициент теплопередачи достигает 20…50 кВт/(м²*К), а поверхность теплообмена зависит от необходимой степени распыления (параметров факела), определяемой конструкцией форсунки. Время пребывания частиц в зоне контакта увеличивается за счет применения цилиндрического экрана вокруг факела пламени в камере орошения, который образует «тупиковую» камеру.

Дымовые газы удаляются через дымовую трубу, проходя предварительно через сепаратор-водоотделитель, расположенный на выходе из камеры сгорания. В сепараторе-водоотделителе в результате встречного движения дымовых газов и питательной воды, подаваемой с расходом ~1% от общего расхода питательной воды, в частности, на дырчатый (перфорированный) лист, происходит отделение уносимой капельной влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах. Высота дымовой трубы может быть снижена вследствие повышения экологичности газовых выбросов.

Питательная вода подается к форсункам камеры сгорания центробежным питательным насосом под нормируемым форсунками давлением 0,15-0,5 МПа (например, форсунки www.spray expert.ru) двумя потоками, причем сечение форсунок осуществляется путем подбора суммарного сечения пропорционально заданным соотношениям расходов потоков (на распылительные форсунки ~4,7% и на форсунки орошения ~94,3% от общего расхода питательной воды), т.к. давление перед форсунками одинаково. Уходящие газы имеют температуру ниже 70°C, что ниже температуры уходящих газов для обычных котлов (рекомендуется 110-140°C, в зависимости от характеристик топлива и мощности котла). В связи с этим снижаются потери тепла с уходящими газами и, соответственно, повышается КПД (снижение температуры уходящих газов на 12-15°C повышает КПД примерно на 1%). Также возможно повышение КПД котла за счет утилизации тепла конденсации водяных паров дымовых газов с использованием высшей теплотворной способности топлива, что дополнительно может повысить КПД котла на 5-6%.

Скопившийся в нижней части сборника шлам (интенсификация образования которого осуществляется за счет добавляемого в питательную воду комплексоната, например, ОЭДФ-Zn, НТФ-Zn) удаляется с продувкой, а также удаляется часть воды, накопляющаяся в результате конденсации водяных паров из дымовых газов.

Для надежности циркуляции сетевой и питательной воды гидрораспределитель подключается через обратный клапан к водошламосборнику на уровне водошламосборника в горизонтальном положении, и таким образом предотвращается осушение, что может привести к срыву работы питательного насоса, или переполнение контура циркуляции, что может привести к затоплению камеры орошения, при изменении нагрузки на установку.

1. Теплогенерирующая установка, включающая котел водогрейный контактного теплообмена конденсационного типа, питательный насос, циркуляционный насос, гидрораспределитель, дозатор комплекcоната, водошламосборник, отличающаяся тем, что гидрораспределитель устанавливается на уровне водошламосборника в горизонтальном положении и подключается через обратный клапан к водошламосборнику.

2. Теплогенерирующая установка по п. 1, отличающаяся тем, что котел водогрейный содержит горелочное устройство, камеру сгорания с камерой парообразования и смешения с газами факела, завихрителем, камерой орошения и сепаратором-водоотделителем, причем камера сгорания выполнена тупиковой путем установки цилиндрического экрана вокруг факела пламени в камере орошения, а подача питательной воды осуществляется через распылительные форсунки и форсунки орошения, расположенные в камере сгорания, при этом распылительные форсунки размещены тангенциально в обхват вокруг горелки, а форсунки орошения - встречно образующемуся газопотоку в обхват факела горелки камеры сгорания, при этом питательная вода подается двумя потоками в соотношении: первый - на распылительные форсунки ~ 4,7% и второй - на форсунки орошения ~ 94,3% от общего расхода питательной воды.