Теплохимический генератор

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплогенерирующих установках, работающих на природном газе. Техническим результатом является увеличение эффективности и уменьшение загрязнения окружающей атмосферы путем утилизации вредных газообразных выбросов. Теплохимический генератор включает парогенератор, снабженный пароперегревателем и конвективной шахтой с хвостовыми поверхностями, зону обработки дымовых газов, классификатор для разделения очищенных дымовых газов, узел подготовки реакционной смеси, представляющий собой двухступенчатый эжектор, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I–й и II–й ступеней, который соединен с двумя одинаковыми конвертерами, расположенными внутри парогенератора между пароперегревателем и хвостовыми поверхностями, каждый из которых состоит из верхнего коллектора, представляющего собой камеру нагрева, соединенного с питательным трубопроводом, и нижнего коллектора, представляющего собой камеру усреднения, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами, на входе в которые закреплены лопатки завихрителя, образующие зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность покрыта слоем катализатора, нижний торец реакционных труб соединен с нижним коллектором, снабженным выходным регенеративным и продуктовым трубопроводами. 6 ил.

 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано в теплогенерирующих установках, работающих на природном газе для увеличения экономической эффективности и уменьшения загрязнения окружающей атмосферы путем утилизации вредных газообразных выбросов.

Известно устройство для полной утилизации дымовых газов включающее теплогенератор, зону обработки дымовых газов, соединенную трубопроводом кислого конденсата и газоходом с утилизатором, который, в свою очередь, соединен газоходом с газовым классификатором, представляющим собой цилиндрическую колонну, снабженную газовыми патрубками для входа очищенного газа, выхода азота, выхода углекислого газа и жидкостными штуцерами для подачи промывочной воды и удаления карбонизированной воды [Патент РФ №2477648, F 23 C 11/00, 2013 ].

Недостатком известного устройства является невозможность утилизации выделенных компонентов дымовых газов с использованием технологических возможностей теплогенератора, что снижает эффективность теплогенерирующей установки.

Более близким к предлагаемому изобретению является устройство для подготовки и сжигания газообразного топлива, содержащее два одинаковых конвертера, параллельно присоединенных к подводящим и отводящим коммуникациям, каждый из которых состоит из корпуса, внутри которого снизу вверх помещены: камера подготовки реакционной смеси (камера смешения), обечайка которой снабжена тангенциальными патрубками газообразного топлива и водяного пара, а верхний торец соединен с трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующих зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону риформинга, покрыта слоем никелевого катализатора на керамической основе, верхний конец труб соединен с камерой усреднения, крышка которой снабжена патрубком выхода конвертированного газа (синтез–газа), причем над камерой смешения помещена кольцевая камера сгорания, снабженная тангенциальной горелкой и сообщающаяся с конвективной шахтой, соединенной с кольцевым коллектором, снабженным патрубком дымовых газов, причем выходные торцы патрубков соединены с коллекторами конвертируемого природного газа, водяного пара, конвертированного газа и дымовых газов, соответственно, горелки соединены с коллектором природного газа и коллектором воздуха, а коллекторы конвертированного газа соединены с горелками топки котла [Патент РФ №2388523, F 23 C 99/00; F 23 C 13/00, 2010].

Основными недостатками известного устройства подготовки и сжигания газообразного топлива являются необходимость использования компрессора для создания требуемого давления в конвертере, сложность конструкции, сжигание газа в камере сгорания, расположенной вне топки котла, невозможность использования диоксида углерода дымовых газов для генерации синтез–газа и последующее сжигание полученных компонентов конвертированного газа в топке теплогенератора, что снижает экономическую и экологическую эффективность теплогенерирующей установки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение экономической и экологической эффективности теплохимического генератора путем одновременной генерации в нем тепла и химических продуктов за счет использования технологических возможностей теплогенератора.

Технический результат достигается в теплохимическом генераторе, включающем парогенератор, снабженный пароперегревателем и конвективной шахтой с хвостовыми поверхностями, зону обработки дымовых газов и классификатор для разделения очищенных дымовых газов, узел подготовки реакционной смеси, представляющий собой двухступенчатый эжектор, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I–й и II–й ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру, сопло и диффузор, при этом приемная камера и сопло I–й ступени соединены трубопроводами с патрубком выхода диоксида углерода классификатора и газопроводом, приемная камера II–й ступени соединена с диффузором I–й ступени, сопло в приемной камере II–й ступени соединена с пароперегревателем, а диффузор II–й ступени соединен с трубой распределителя, который, в свою очередь, через питательнгые трубопроводы, снабженные запорно–регулирующими устройствами и входными регенеративными трубопроводами также, соединены с двумя одинаковыми конвертерами, расположенными внутри парогенератора между пароперегревателем и хвостовыми поверхностями, причем каждый конвертер состоит из верхнего коллектора, представляющего собой камеру нагрева, соединенного с питательным трубопроводом и нижнего коллектора, представляющего собой камеру усреднения, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующих зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону конверсии, покрыта слоем катализатора, нижний торец реакционных труб соединен с нижним коллектором, снабженным выходным трубопроводом, разделенным на регенеративный и продуктовый трубопроводы со своими запорно–регулирующими устройствами.

Теплохимический генератор изображен на фиг. 1–6 (фиг. 1 – общий вид, фиг. 2 – двухступенчатый эжектор, фиг. 3, 4 – компоновка конвертеров, фиг. 5, 6 – узлы конвертера).

Предлагаемый теплохимический генератор включает парогенератор 1, снабженный пароперегревателем 2 и конвективной шахтой 3 с хвостовыми поверхностями 4, зону обработки дымовых газов и классификатор для разделения очищенных дымовых газов (на фиг. 1–6 не показаны), узел подготовки реакционной смеси 5, представляющий собой двухступенчатый эжектор 6, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I–й и II–й ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру 7, сопло 8 и диффузор 9, при этом приемная камера 7 и сопло 8 I–й ступени соединены трубопроводами 10 и 11 с патрубком выхода диоксида углерода (СО₂) классификатора и газопроводом (на фиг. 1–6 не показаны), соответственно, приемная камера 7 II–й ступени соединена с диффузором 9 I–й ступени, сопло II–й ступени соединена с пароперегревателем 2, а диффузор 9 II–й ступени соединен с трубой распределителя 12, который, в свою очередь, через питательные трубопроводы 13, снабженные запорно–регулирующими устройствами (ЗРУ) 14 и входными регенеративными трубопроводами 15 с ЗРУ 16, соединены с двумя одинаковыми конвертерами 17, расположенными внутри парогенератора 1 между пароперегревателем 2 и хвостовыми поверхностями 4. Каждый конвертер 17 состоит из верхнего коллектора 18, представляющего собой камеру нагрева, соединенного с трубопроводом 13 и нижнего коллектора 19, представляющего собой камеру усреднения, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами 20, стенки 21 которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя 22, образующих зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону конверсии, покрыта слоем, например, никелевого катализатора на керамической основе 23, нижний торец реакционных труб 20 соединен с нижним коллектором 19, снабженным выходным трубопроводом 24, разделенным на регенеративный и продуктовый трубопроводы 25 и 26 с ЗРУ 27 и 28, соответственно.

Предлагаемый теплохимический генератор работает следующим образом. При установившемся режиме работы парогенератора 1, зоны обработки и классификатора (на фиг. 1–6 не показаны) в узел подготовки реакционной смеси 5 (I–ю ступень двухступенчатого эжектора 6) поступает природный газ из газораспределительного пункта с давлением Р_г, который смешивается с СО₂, поступающего из классификатора (на фиг. 1–6 не показаны) с давлением Р_СО2 в приемную камеру 7 I–й ступени, с созданием давления образовавшейся газоуглекислотной смеси Р₁, далее вышеупомянутая смесь поступает приемную камеру 7 II–й ступени эжектора 6, где из сопла 8 подается перегретый пар с давлением Р_п значительно выше 1 МПа, где образуется парогазоуглекислотная смесь с давлением Р₂ также выше 1 МПа, которая поступает в трубу распределителя 12. Полученная парогазоуглекислотная смесь с давлением Р₂ из распределителя 12 по питательному трубопроводу 13 поступает в верхний коллектор 18 (камеру нагрева) работающего конвертера 17, где нагревается дымовыми газами до температуры выше 800⁰С после чего распределяется по реакционным трубам 20. Нагретая до температуры выше 800⁰С при давлении Р₂>1 МПа, парогазоуглекислотная смесь на входе в реакционную трубу закручивается в лопатках завихрителя 22 с образованием турбулентного потока, затем поступает в зону конверсии, покрытую, например, слоем никелевого катализатора на керамической основе 23, где происходит каталитическая реакция конверсии метана, диоксида углерода и воды (паровая и углекислотная конверсия) с поглощением теплоты (кДж/моль) по уравнениям окислительной конверсии метана в синтез-газ [Д. Ю. Гамбург и др. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд.– М.: 1989, 672 с.; Арутюнов В.С., Крылов О.В. Окислительные превращения метана. М.: Наука, 1998, с. 350; Bradford M.C.J., Vannice M.A. Catal. Revs., 1999, v. 41, № 1, p. 1042]:

паровая конверсия

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ (∆Н = +206 кДж/моль) (1)

углекислотная конверсия

CH ₄ + CO₂ = 2СО + 2 H₂ (∆Н = +247 кДж/моль), (2)

где тепло реакции получают в результате нагрева реакционных труб 20 дымовыми газами с температурой выше 1000⁰С. Полученный синтез–газ, состоящий в основном из оксида углерода СО и водорода Н₂, из реакционных труб 20 поступает в нижний коллектор 19 (камеру усреднения), смешивается, в результате чего происходит усреднение концентраций всех его компонентов, и через трубопроводы 24 и 26 поступает в реакторы синтеза метанола или диметилэфира (на фиг. 1–6 не показаны). При этом, соотношение СО и H₂ в синтез–газе зависит от типа катализатора, температуры и давления в реакционных трубах 20. Количество конвертеров 17 и, соответственно, производительность по синтез–газу зависит от мощности парогенератора 1 и производительности зоны обработки и классификатора (на фиг. 1–6 не показаны).

При падении активности катализатора 23 его регенерируют, для чего конвертор I отключают от питательного 13 и продуктового 26 трубопроводов и включают в работу конвертор II аналогично вышеописанному, а в конвертор I через входной регенеративный трубопровод 15 в реакционные трубы 20 подают метан или водород, который после использования через выходной регенеративный трубопровод 25 подается в топку парогенератора (на фиг. 1–6 не показана) на сжигание.

Таким образом, предлагаемый теплохимический генератор, в основу работы которого положен процесс каталитической конверсии углеводородов (парового и углекислотного риформинга), позволяет одновременно вырабатывать тепло в виде водяного пара, химические продукты (синтез–газ) и снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, что увеличивает его экономическую и экологическую эффективность.

Теплохимический генератор, включающий парогенератор, снабженный пароперегревателем и конвективной шахтой с хвостовыми поверхностями, зону обработки дымовых газов и классификатор для разделения очищенных дымовых газов, узел подготовки реакционной смеси, одинаковые конвертеры, состоящие из камеры нагрева, камеры усреднения, которые соединены между собой вертикальными реакционными трубами, стенки которых выполнены из жаропрочного материала, в каждой из которых на входе закреплены лопатки завихрителя, образующие зону турбулизации, а остальная внутренняя поверхность, представляющая собой зону конверсии, покрыта слоем катализатора, отличающийся тем, что узел подготовки реакционной смеси представляет собой двухступенчатый эжектор, состоящий из последовательно размещенных по ходу газа и соединенных между собой I–й и II–й ступеней, каждая из которых содержит приемную камеру, сопло и диффузор, при этом приемная камера и сопло I–й ступени соединены трубопроводами с патрубком выхода диоксида углерода классификатора и газопроводом, приемная камера II–й ступени соединена с диффузором I–й ступени, сопло в приемной камере II–й ступени соединено с пароперегревателем, а диффузор II–й ступени соединен с трубой распределителя, который в свою очередь через питательнгые трубопроводы, снабженные запорно–регулирующими устройствами и входными регенеративными трубопроводами, соединен с двумя одинаковыми конвертерами, расположенными внутри парогенератора между пароперегревателем и хвостовыми поверхностями, каждый из которых состоит из верхнего коллектора, представляющего собой камеру нагрева, соединенного с питательным трубопроводом, и нижнего коллектора, представляющего собой камеру усреднения, верхний и нижний коллекторы соединены между собой вертикальными реакционными трубами, причем нижний коллектор снабжен выходным трубопроводом, разделенным на регенеративный и продуктовый трубопроводы со своими запорно–регулирующими устройствами.