close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2728

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2728
(13)
C1
6
(51) F 23C 11/00
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ
ГОРЮЧИХ В ГОРЕЛОЧНО-ТОПОЧНЫХ АППАРАТАХ
(21) Номер заявки: 960473
(22) 1996.09.19
(46) 1999.03.30
(71) Заявитель: Закрытое акционерное общество
"Белагроинторг" (BY)
(72) Авторы: Дедук Ю.М., Телушкин В.В., Минченя
И.Е., Лежнев А.В. (BY)
(73) Патентообладатель: Закрытое акционерное общество "Белагроинторг" (BY)
(57)
1. Способ сжигания жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах путем нагрева
горючего для его испарения, смешения с воздухом и воспламенения образовавшейся горючей смеси, отличающийся тем, что горючее нагревают в теплообменнике до 120-300°С при давлении 2,0-3,0 кГс/см2 и при
этом давлении подают в смеситель, в который одновременно вводят такой же температуры водяной пар
при соотношении 55 масс.% пара и 45 масс.% горючего, полученную смесь направляют в реактор, заполненный никелевым или алюмосиликатным катализатором, в котором полученную смесь подвергают конверсии путем ее нагрева отходящими газами горелочно-топочных аппаратов, до 420-500°С при давлении 49 кГс/см2, после чего образовавшуюся газовую смесь очищают от серы путем охлаждения смеси ниже
100°С при давлении 1-2 кГс/см2 в циклон-накопителе, и подают в газовые горелки, а накапливаемую в циклон-накопителе кристаллическую серу периодически удаляют.
BY 2728 C1
2. Устройство сжигания жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах, содержащее
насосный блок, теплообменник, обвязочные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой и средствами для контроля давления, а также горелки, отличающееся тем, что оно снабжено распределителем пара,
реактором, циклон-накопителем и смесителем, выполненным в виде струйного аппарата, который через запорную арматуру и средства для контроля давления связан с магистралью пара и трубопроводом инжектируемого горючего, на котором установлен теплообменник, связанный посредством запорной арматуры и
трубопроводов с магистралью пара, при этом выход струйного аппарата соединен со входом реактора, причем последний заполнен никелевым или алюмосиликатным катализатором и снабжен установленным на выходе отходящих газов из горелочно-топочного аппарата датчиком блока для измерения температуры, при
этом выход реактора посредством трубопроводов соединен со входом циклон-накопителя, к которому через
запорную арматуру подведена охлаждающая вода, а циклон-накопитель снабжен регулятором давления, установленным на его выходе и сообщенным посредством трубопроводов, запорной арматуры и средствами для
контроля давления с горелками.
(56)
1. Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках.- М.: Энергоиздат, 1982. - С. 34- 37 (прототип).
2. Ляндо И.М. Сжигание топочного мазута и газа в промышленных котельных.- М.: Госэнергоиздат,
1963. -С. 138-143 (прототип).
Изобретение относится к области теплоэнергетики и касается эффективности использования жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах. Изобретение может быть внедрено в энергетических котлоагрегатах и нагревательных печах.
Известно, что традиционным способом сжигание жидких углеводородных горючих осуществляется в потоке воздуха. Поэтому этот способ сжигания жидких углеводородных горючих включает четыре основные
стадии:
1) распыление горючего на мельчайшие капли;
2) смешение и испарение горючего с поверхности капель и образование горючей смеси паров горючего с
воздухом;
3) воспламенение образовавшейся горючей смеси;
4) горение горючей смеси, сопровождающееся полным испарением и догоранием коксовых частиц.
Реализация известного способа сжигания жидких углеводородных горючих осуществляется путем известных форсуночных, горелочных и топочных устройств [1].
Недостатками данного способа сжигания жидких углеводородных горючих являются:
1) установлено прямым наблюдением, что при горении жидких углеводородных горючих в зонах возможного недостатка кислорода образуются твердые продукты неполного сгорания, что приводит к появлению темного дыма. Склонность к дымообразованию определяется структурой горючего, наличием высокомолекулярных соединений и величиной капель распыливания. Чем крупнее капля, тем больший размер
имеет коксовый остаток. Поэтому относительно велики потери тепла от химической неполноты сгорания углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах (коэффициент полноты сгорания составляет 0,850,9);
2) свыше 85 % углеводородных горючих, потребляемых в горелочно-топочных аппаратах, содержит от 2
до 4,5 % серы, от 0,005 до 0,15 % ванадия, а также натрия и других элементов. В связи с этим при сгорании
жидкого углеводородного горючего золообразующие вещества дают такие соединения, как окиси различных
металлов, серы, кремния, ванадия, а также сульфаты и другие соединения, которые отлаживаются на элементах проточной части горелочно-топочных аппаратов и вызывают коррозию. Отложения образуются в основном за счет натриевых соединений, ванадиевого ангидрида и других более сложных соединений ванадия и
натрия, находящихся в потоке газов в расплавленном виде. Коррозия элементов проточной части горелочнотопочных аппаратов является химическим процессом, резко интенсифицирующимся при увеличении температуры. Сильнейшую коррозию деталей проточной части горелочно-топочных аппаратов вызывает пятиокись ванадия V2O5, а также сульфат натрия Na2SO4. Наиболее опасна ванадиевая коррозия, которая резко
интенсифицируется в присутствии сульфата натрия при температуре от 650 - 700°C и выше.
При температуре более 800°C сульфат натрия также способен растворять защитный слой металла и вызывать коррозию [2];
3) при горении топливо-воздушной смеси в факеле образуется окись азота в результате окисления как
азота воздуха (при высоких температурах), так и азота входящего в органическую массу горючего. В этом и
другом случае скорость образования окиси азота и конечная её концентрация зависят от содержания свободного кислорода в объеме горящего факела и его температуры.
2
BY 2728 C1
Указанные недостатки обуславливают существенные трудности при работе горелочно-топочных аппаратов на жидких углеводородных горючих. Эти трудности связаны, в основном, с большими выбросами вредных соединений окислов серы и азота в атмосферу, с сернистой и ванадиевой коррозией оборудования, с загрязнением конвективных поверхностей нагрева продуктами неполного сгорания.
Кроме того, указанные способ и устройство его реализации не позволяют использовать воду в качестве
компонента топлива, т.е. не позволяют осуществлять конверсию жидких углеводородных горючих водой в
синтез-газ.
Задача изобретения - повысить эффективность способа и устройства сжигания жидких углеводородных
горючих в горелочно-топочных аппаратах.
Решение указанной задачи достигается тем, что жидкое углеводородное горючее нагревают в теплообменнике до 120-300°С при давлении 2,0-3,0 кГс/см2 и при этом давлении подают в смеситель, в который одновременно вводят такой же температуры водяной пар при соотношении 55 мас. % пара и 45 мас. % горючего, полученную смесь направляют в реактор, заполненный никелевым или алюмосиликатным катализатором,
в котором полученную смесь подвергают конверсии путем ее нагрева отходящими газами горелочнотопочных аппаратов до 420-500°С при давлении 4-9 кГс/см2 после чего образовавшуюся газовую смесь очищают от серы путем охлаждения смеси ниже 100°C при давлении 1-2 кГс/см2 в циклон-накопителе и подают
в газовые горелки, а накапливаемую в циклон-накопителе кристаллическую серу из циклона-накопителя периодически удаляют.
Это позволяет в несколько раз увеличить полноту сгорания углеводородных горючих в горелочнотопочных аппаратах, использовать воду в качестве топлива и тем самым экономить до 23 % по весу углеводородное горючее, возвращать из углеводородного горючего в чистом виде серу в производство, как ценное
сырье, в несколько раз уменьшить скорость коррозии, резко снизить золовые заносы поверхностей нагрева,
значительно снизить образование окислов азота (в 3...4 раза) и полностью исключить образование окислов
серы и их выброс в атмосферу, повысить к.п.д. горелочно-топочных аппаратов.
В устройстве сжигания жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах, содержащем
насосный блок, теплообменник, обвязочные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой и средствами для контроля давления, а также горелки для решения названной задачи. Оно снабжено распределителем
пара, реактором, циклон-накопителем и смесителем, выполненным в виде струйного аппарата, который через запорную арматуру и средства для контроля давления связан с магистралью пара и трубопроводом инжектируемого горючего, на котором установлен теплообменник, связанный посредством запорной арматуры
и трубопроводов с магистралью пара. Выход струйного аппарата соединен со входом реактора, причем последний заполнен никелевым или алюмосиликатным катализатором и снабжен установленным на выходе отходящих газов из горелочно-топочного аппарата датчиком блока для измерения температуры. Выход реактора посредством трубопроводов соединен со входом циклон-накопителя, к которому через запорную
арматуру подведена охлаждающая вода. Циклон-накопитель снабжен регулятором давления, установленным
на его выходе и сообщенным посредством трубопроводов, запорной арматуры и средствами для контроля
давления с горелками.
Конверсия жидкого углеводородного горючего в горелочно-топочных аппаратах водяным паром в синтез-газ (смесь газов СО и Н2), подаваемый к горелкам может быть осуществлена следующим образом.
Жидкое углеводородное горючее с помощью теплообменника рабочим паром из горелочно-топочного
аппарата нагревают до температуры 120...300°С при давлении 2,0...3,0 кГс/см2. В этом выбранном диапазоне
температур и давлений жидкие углеводородные горючие типа топочных мазутов будут находится в весьма
текучем состоянии, даже такие высокосернистые топочные мазуты, как М200 [3].
Подогретое углеводородное горючее при температуре 120...300°С под давлением 2,0...3,0 кГс/см2 подают в смеситель, в который одновременно вводят такой же температуры водяной пар в потребном соотношении и полученную смесь (55 % по весу водяного пара и 45 % по весу углеводородного горючего) направляют в реактор, заполненный, например, алюмосиликатным катализатором, в котором полученную смесь
нагревают отходящими газами горелочно-топочного аппарата до температуры 420...500°С при давлении
4...9 кГс/см2. При температуре 444,6°С находящаяся в смеси сера закипает, а при температуре 500°С переходит полностью в парообразное состояние, происходит конверсия молекул углеводородов. При этом осуществляется перестройка молекул углеводородов, происходит синтез новых соединений, а именно образуется
синтез-газ (смесь СО, Н2 и Sг). Затем полученную смесь газов СО, Н2 и Sг в циклоне-накопителе при давлении 1...2 кГс/см2 охлаждают до температуры ниже 100 °C. При температуре ниже 100 °С в полученном синтез-газе происходит образование хрупких кристаллов серы, которые задерживаются в циклоне-накопителе.
Таким приемом производят очистку полученного синтез-газа от серы. После очистки полученную смесь
газов СО и Н2 из циклона-накопителя через регулятор давления подают к горелкам, а скопившуюся выкристаллизованную серу из циклона-накопителя периодически удаляют и используют в народном хозяйстве по
прямому назначению.
3
BY 2728 C1
Расчет потребного количества воды для конверсии жидкого топочного углеводородного горючего, например, мазута производят следующим образом.
В соответствии с [3] средний элементарный состав мазута, %:
Сс = 83,82; Нс = 11,1; S cоб = 2,0 .
Условная формула мазута будет иметь вид:
С6,9786 Н11,013 S0,062.
Конверсию мазута будем осуществлять в соответствии с уравнением:
...450°C
С 6,9786 H11,013S 0,062 6,9786н 2 м 420
   →
+
96,908499г
125,72143г катализатоp.
12,492н 2
6,9786CO
0,062S
+
+
− 131,4кДж / моль.
195,47337г 25,182372г 1.988092г
Выбранный диапазон значений параметров способа определяется следующим:
1) в диапазоне температур (120...300°С жидкие углеводородные горючие (мазут всех марок, дизельное горючее,
соляровое масло, моторное масло, керосин, бензин) при давлении 2,0...3,0 кГс/см2 будут находиться в газообразном
состоянии. При снижении температуры такие горючие как керосин, соляровое масло будут в парообразножидком состоянии. Это затрудняет получение в смесителе стехиометрического соотношения газообразной
смеси;
2) выбранное весовое соотношение в реакторе водяного пара (55 %) и газообразного углеводородного горючего (45 %) является стехиометрическим. Поэтому отклонения от этого соотношения приводит или к неполному реагированию водяного пара и в последующем конденсации, или - углеводородного горючего;
3) в диапазоне температур в реакторе (420..500 °С при давлении 4...9 кГс/см2 компоненты находятся в
одинаковых газообразных фазах, что способствует их полной конверсии. При снижении температуры ниже
420 °С отдельные составляющие углеводородных горючих будут находиться в жидком состоянии (например,
сера) и тем самым блокируют работу катализатора. Нагрев реактора выше 500 °С нецелесообразен из-за излишков расходования тепла и снижения коэффициента полезного действия горелочно-топочного аппарата.
Разработанный способ и устройство опробированы на опытной установке, на которой проведена конверсия водяным паром углеводородных горючих: мазута, дизельного горючего, солярового масла, керосина,
бензина, моторного масла в синтез-газ. Получаемый синтез-газ содержит в среднем: 88 % СО и 12 % Н2.
Потребное количество воды для конверсии 1 кг мазута:
96,908499 г - 125,72143 г
125,72143 ⋅ 1000
= 1297,3209г
X H 2O =
1000г − X H 2O
96,908499
Количество полученного синтез-газа в результате конверсии 1 кг мазута:
Окиси углерода СО:
2297,3209 ⋅ 195,47337
222,62992 г - 195,47337 г
= 2017,092г
X CO =
2297,3209 г - ХСО
222,62992
водорода Н2:
222,62992 г - 25,182372 г
2297,3209 − X H 2
парообразной серы Sг:
222,62992 г - 1,988092 г
2297,3209 − X Sr
X H2 =
2297,3209 ⋅ 25,182372
= 259,85719г
222,62992
X Sr =
2297,3209 ⋅ 1,988092
= 20,515145г
222,62992
После очистки полученного синтез-газа от парообразной серы суммарное количество газа, подаваемого к
горелкам составит:
ΣG газа = G CO + G H 2O = 2017,092г + 259,85719г = 2276,94919г
Расчетно-теоретический анализ баланса выделения тепловой энергии при сгорании полученного синтез
газа показывает, что:
количество выделенной энергии при сгорании водорода Н2:
H2
0,5O 2
H 2O
+
=
+ 241,8кДж / моль
2,01588г 15,9994г 18,01528г
259,85719
= 31169,248кДж;
Q H 2 = 241,8 ⋅
2,01588
4
BY 2728 C1
количество выделенной тепловой энергии при сгорании окиси углерода СО:
0,5O 2
СO 2
CO
+
=
+ 283кДж / моль
28,0104г 15,9994г 44,0098г
2017,092
Q CO = 283 ⋅
= 20379,467кДж;
28,0104
количество поглощенной тепловой энергии при конверсии 1 кг мазута в синтез-газ:
2297,3209
= −3114,9791кДж ;
Q п = (−131,4) ⋅
96,908499
суммарный тепловой эффект:
ΣQ1 = Q H 2 + Q CO + Q п = 31169,248 + 20379,467 − 3114,9791 = 48433,736кДж.
Таким образом, при конверсии водяным паром топочных мазутов в синтез-газ (смесь СО и Н2) с использованием катализаторов и последующим сжиганием полученной смеси газов в горелках котлов тепловой
эффект полученного синтез-газа из 1 кг мазута составит 48433,736кДж, что превышает теплоту сгорания
сернистых мазутов на 7433 кДж/кг.
При конверсии топочных мазутов водяным паром в синтез-газ с использованием природных катализаторов (например, алюмосиликатных), процесс превращения возможен при температурах 420-450 °С и давлении 1...2 кГс/см2. Это позволяет использовать тепловую энергию отходящих продуктов сгорания (бросовое
тепло), которые имеют температуру вблизи заднего экрана котла 470...580 °С, для нагрева реактора с катализатором и парообразной смесью мазута с водой. Тогда тепловой эффект полученного синтез-газа составит:
ΣQ 2 = Q H 2 + Q CO = 31169,248 + 20379,467 = 51548,715кДж,
что превышает на 10547,9791 кДж количество тепловой энергии, выделяющейся при полном сгорании 1
кг сернистых топочных мазутов.
Очищенный от серы синтез-газ при сгорании не допускает образование окиси серы и сульфата натрия,
что исключает их совместную коррозионную активность деталей проточной части горелочно-топочных аппаратов. Кроме этого окись натрия, находящаяся в факеле в газообразном состоянии, связывается избытком
паров воды по реакции:
Na2O + H2O = 2NaOH,
в результате которой образующийся гидроксид натрия, взаимодействуя с углекислым газом по реакции
2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O,
образует карбонат натрия. Аналогично этому связывается пятиокись ванадия гидроксидом натрия по реакции:
V2 O5 + 2 NaOH = 2 NaVO 3 + H 2 O.
Полученные карбонат и ванадат натрия выбрасываются с отходящими газами в атмосферу.
По мере снижения температуры отходящих газов ниже 100 °C происходит гидролиз карбоната натрия по
уравнению:
Na2CO3+H2O
NaHCO3+NaOH
При этом, образовавшаяся при горении синтез-газа двуокись азота NO2 вступает во взаимодействие с
гидроксидом натрия NaOH с образованием смеси солей азотной и азотистой кислот по уравнению:
2NO2 + 2NaOH = NaNO3 + NaNO2 + H2O, тем самым снижается совместный эффект коррозионного воздействия пятиокиси ванадия, окиси натрия и окислов азота примерно в 3...4 раза на элементы проточной
части горелочно-топочных аппаратов.
Устройство, позволяющее реализовать предлагаемый способ, содержит теплообменник, смеситель, реактор, циклон-накопитель, газовую горелку, запорную, контрольную, предохранительную арматуру и обвязывающие трубопроводы.
Теплообменник 1 предназначен для нагрева паром углеводородного горючего до температуры 120...300
°С при давлении 2,0...3,0 кГс/см2.
Смеситель 2 представляет собой инжектор и служит для смешивания с водяным паром углеводородного
горючего в соотношении 55 % (вес) водяного пара и 45 % (вес.) углеводородного горючего.
Реактор 3 выполнен в виде цилиндра с продольными наружными ребрами, внутренняя полость которого
заполнена, например, алюмосиликатным катализатором, предназначен для нагрева отходящими газами горелочно-топочного аппарата 4 полученной смеси до температур 420...500 °С при давлении 4...9 кГс/см2 и проведения конверсии углеводородного горючего в синтез-газ (смесь СО, Н2 и Sг).
Циклон-накопитель 5 выполнен в виде цилиндра с двойной рубашкой и коническим основанием, в котором предусмотрен герметично закрываемый люк. Во внутренней полости циклона-накопителя установлены
5
BY 2728 C1
отсекатель с завихрителем и трубчатый змеевик, а на наружной обечайке выполнены подводящие и отводящие патрубки охлаждающей жидкости (воды). Циклон-накопитель 5 служит для охлаждения ниже 100 °С газовой смеси СО, Н2, Sг при давлении 1...2 кГс/см2, выкристализации из этой смеси газов серы и последующим накоплением продуктов конверсии.
Газовая горелка предназначена для воспламенения и сжигания полученной смеси газов СО и Н2 в горелочно-топочном аппарате 4.
Регулятор давления газовой смеси 7 служит для поддержания заданного давления синтез-газа перед запорным вентилем 8. Запорные вентили предназначены осуществлять:
вентиль 9 - подачу пара к смесителю 2;
вентиль 10 - подачу пара к теплообменнику 1;
вентиль 11 - подачу горючего через теплообменник 1 к смесителю 2;
вентиль 12 - подачу охлаждающей воды в циклон-накопитель 5.
Манометры служат:
манометр 13 - для контроля давления горючего в напорной магистрали;
манометр 14 - для контроля давления горючего в теплообменнике;
манометр 15 - для контролирования пара в напорной магистрали;
манометр 16 - для контроля давления пара в напорной магистрали смесителя 2;
манометр 17 - для контроля давления синтез-газа в циклоне-накопителе 5;
манометр 18 - для контроля давления синтез-газа перед газовой горелкой 6;
манометр 19 - для контроля давления синтез-газа после регулятора давления 7.
Указатель температуры 21 предназначен для контроля температуры в реакторе 3.
Непоказанное на рисунке предохранительное устройство погасание пламени предназначено для отключения подачи синтез-газа к газовой горелке 6 в случае погасания горения газа.
Предложенное устройство работает следующим образом.
Горючее под давлением 9...10 кГс/см2 подают к запорному вентилю 11, контроль давления осуществляют
по манометру 13. Затем подают рабочий пар под давлением 9...10 кГс/см2 и температурой 120...300 °С к запорному вентилю 9, контроль давления пара осуществляют по манометру 15. Открывают запорный вентиль
12 и подают холодную воду в зарубашечное пространство циклон-накопителя 5. Температуру подаваемой на
охлаждение циклон-накопителя 5 поддерживают в пределах 8...50 °С. Затем открывают запорный вентиль 10
и плавно одновременно приоткрывают запорные вентили 9 и II. При этом по манометру 16 устанавливают
давление пара 2...3 кГс/см2, по манометру 14 устанавливают давление подаваемого горючего 1,0...2,0
кГс/см2. В теплообменнике 1 горючее нагревают до температуры 200...300 °С и затем подают его в смеситель 2, в котором за счет инжектирования смешивают его с паром в соотношении 55 % по весу водяного пара и 45 % по весу горючего. Это соотношение поддерживают за счет перепада давления подаваемых компонентов в смеситель 2. Потребный перепад давлений поддерживают с помощью запорных вентилей 9 и 11.
Полученную смесь потребного соотношения из смесителя 2 подают в реактор 3, в котором смесь нагревают отходящими газами горелочно-топочного аппарата 4 до температуры 450...500 °С при давлении 4...9
кГс/см2 и подвергают конверсии углеводородное горючее в синтез-газ (смесь СО, Н2 и Sг ). Контроль температуры смеси в реакторе 3 осуществляют по указателю 20.
Затем полученную смесь газов СО, Н2 и Sг охлаждают ниже 100 ° в циклоне-накопителе 5 при давлении
1...2 кГс/см2 чем осуществляют очистку синтез-газа от парообразной серы. Контроль давления в циклоненакопителе 5 осуществляют по манометру 17.
После очистки от парообразной серы синтез-газ направляют в регулятор давления 7, в котором давление
газа понижают до потребного (50 мм вод.ст. ...1,5 кГс/см2).
Контроль регулирования давления производят по манометру 19. Затем открывают запорный вентиль 8 и
синтез-газ подают в газовую горелку 6, где происходит смешение синтез-газа с воздухом и последующее его
сгорание.
По мере накопления в циклон-накопителе 5 выкристаллизовавшейся серы, последнюю периодически
удаляют через герметично закрываемый затвор.
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
174 Кб
Теги
by2728, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа