Комплексная теплогенерирующая установка
INTEGRATED HEAT GENERATING PLANT

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано как теплогенерирующая установка для совместного получения водяного пара и нагрева сетевой воды в системах теплоснабжения.
Известен контактный парогенератор, содержащий топку, состоящую из корпуса, внутри которого по окружности помещены экранные трубы, соединенные с верхним кольцевым коллектором, снабженным патрубком выхода питательной воды и нижним кольцевым коллектором, снабженным патрубком входа питательной воды, осесимметично которому устроена горелка, причем экранные трубы и корпус выгнуты таким образом, что полость образованная экранными трубами повторяет конфигурацию факела пламени, образующегося в результате горения топлива в горелке, эжектор, циклон и питательный насос, при этом топка соединена своим выходным отверстием, образованным кольцом верхнего коллектора с приемной камерой эжектора, диффузор которого соединен с тангенциальным патрубком циклона, патрубок выхода обратной воды которого соединен через трубопровод обратной воды, трубопровод питательной воды и питательный насос с патрубком входа питательной воды в нижний коллектор топки, а патрубок выхода горячей воды из верхнего коллектора соединен трубопроводом с соплом эжектора [Патент РФ № №2383815, МПК F 22 В 27/00, 2010].
Основными недостатками известного контактного парогенератора являются исполнение экранного пучка труб топки в виде одиночного факела, что создает опасность перегрева верхней зоны экранного пучка, снижает надежность и ограничивает производительность, необходимость для проведения процесса горения чистого водорода и кислорода, для чего требуется наличие источников этих компонентов, получение теплоносителя только в виде водяного пара, что ограничивает диапазон его использования, значительно увеличивает стоимость полученного теплоносителя и таким образом, снижает его эффективность.
Более близким к предлагаемому изобретению является комплексная котельная установка, содержащая контактный парогенератор, состоящий из корпуса топки, внутри которого по эллиптическому периметру помещены экранные трубы, соединенные с верхним эллиптическим коллектором, снабженным патрубком выхода питательной воды и нижним эллиптическим коллектором, снабженным патрубком входа питательной воды, соединенным с питательным насосом, внутри нижнего эллиптического коллектора осесимметрично ему расположены горелки, экранные трубы и корпус топки выгнуты таким образом, что нижняя зона полости образованная экранными трубами повторяет конфигурацию факела пламени, образующегося в результате горения топлива в горелках, а верхняя часть экранных труб и корпуса топки направлены вертикально вверх, эжектор, приемная камера которого соединена снизу с топкой, а диффузор соединен на выходе с циклоном, корпус которого снабжен входным тангенциальным патрубком, патрубками отвода парогазовой смеси и конденсата, соответственно, внутри которого помещена центральная труба, соединенная с патрубком выхода пара, причем патрубок отвода парогазовой смеси соединен с прямоугольным корпусом пластинчатого конденсатора, состоящего, из расположенных сверху–вниз пирамидального парогазового коллектора, снабженного парогазовым патрубком, соединенного снизу с теплообменным коробом, в котором устроены вертикальные теплообменные перегородки, выполненные из коррозионно-устойчивого материала, образующие вертикальные парогазовые и горизонтальные водные каналы, причем парогазовый коллектор соединен через паровые каналы сверху–вниз с газовым коллектором и пирамидальным днищем, снабженными газовым и конденсатным патрубками, а водные каналы соединены справа и слева с пирамидальными входным и выходным водяными коллекторами, соединенными с входным и выходным патрубками сетевой воды, газовый и конденсатный патрубки соединены с корпусом дегазатора, снабженного конденсатным патрубком, патрубком входа конденсата, патрубком входа влажного газа, соединенного с перфорированным распределителем, каплеотбойником и патрубком выхода очищенных газов, соединенным с вентилятором высокого давления, напорный патрубок которого снабжен коническим насадком [Патент РФ № №2705528, МПК F 22 В 27/00, 2019].
Основными недостатками известной комплексной котельной установки являются невозможность получения перегретого пара, обусловленное отсутствием пароперегревателя в парогенераторе, недостаточный температурный напор в пластинчатом конденсаторе, обусловленная перекрестным ходом теплоносителей в нем, наличие в уходящих дымовых газах существенного количества оксидов азота и оксидов углерода, обусловленное отсутствием установки очистки от этих примесей, что ограничивает диапазон использования полученного пара, снижает эффективность процесса конденсации, ухудшает экологические характеристики установки и, таким образом, снижает ее экономическую и экологическую эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение экономической и экологической эффективности комплексной теплогенерирующей установки.
Технический результат достигается комплексной теплогенерирующей установкой, содержащей контактный парогенератор, состоящий из корпуса топки, внутри которого по эллиптическому периметру помещены экранные трубы, соединенные с верхним эллиптическим коллектором, снабженным патрубком выхода питательной воды и нижним эллиптическим коллектором, снабженным патрубком входа питательной воды, соединенным с питательным насосом, внутри нижнего эллиптического коллектора осесимметрично ему расположены горелки, сверху корпус топки соединен с конвекционным газоходом, в котором размещен пароперегреватель, сам конвекционный газоход соединен сверху с приемной камерой эжектора, входной патрубок которого соединен с патрубком питательной воды, а диффузор соединен с циклоном, патрубок выхода пара которого соединен, в свою очередь, с пароперегревателем, патрубок отвода парогазовой смеси соединен с прямоугольным корпусом пластинчатого конденсатора, состоящего, из расположенных сверху–вниз пирамидального парогазового коллектора, снабженного парогазовым патрубком, соединенного снизу с теплообменным коробом, в котором устроены вертикальные теплообменные перегородки, выполненные из коррозионно-устойчивого материала, образующие вертикальные парогазовые и горизонтальные водные каналы, причем парогазовый коллектор соединен через парогазовые каналы сверху–вниз с газовым коллектором и пирамидальным днищем, снабженными газовым патрубком, перед которым установлен каплеотбойник и конденсатным патрубком, соответственно, а водные каналы соединены справа снизу и слева сверху с входным и выходным водяными коллекторами, соединенными с входным и выходным патрубками сетевой воды, соответственно, газовый патрубок соединен с корпусом адсорбера, снабженного патрубками входа и выхода очищенного газа, патрубками входа и выхода промывочной воды, причем в полости адсорбера сверху–вниз расположены каплеотбойник, ороситель, соединенный с патрубком входа промывочной воды и, в шахматном порядке, перфорированные корзины, заполненные гранулированным доменным шлаком, а патрубок выхода очищенных газов, соединен с вентилятором высокого давления, напорный патрубок которого снабжен коническим насадком.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемой комплексной теплогенерирующей установки (КТГУ), на фиг. 2–5 – разрезы пластинчатого конденсатора.
КТГУ содержит контактный парогенератор 1, состоящий из корпуса топки 2, внутри которого по эллиптическому периметру помещены экранные трубы 3, соединенные с верхним эллиптическим коллектором 4, снабженным патрубком выхода питательной воды 5 и нижним эллиптическим коллектором 6, снабженным патрубком входа питательной воды 7, соединенным с питательным насосом 8, внутри нижнего эллиптического коллектора 6 осесимметрично ему расположены горелки (на фиг. 1–5 не показаны), сверху корпус топки 2 соединен с конвекционным газоходом 9, в котором размещен пароперегреватель 10, сам конвекционный газоход 9 соединен сверху с эжектором 11, состоящим из приемной камеры 12 с патрубком 13 и соплом 14, соединенными с патрубком выхода питательной воды 5, смесительной камеры 15 и диффузора 16, приемная камера 12 эжектора 11 соединена снизу с топкой 2 через конвекционный газоход 9, а диффузор 16 с циклоном 17, корпус которого снабжен входным тангенциальным патрубком 18, патрубками отвода парогазовой смеси 19 и конденсата 20, соответственно, внутри которого помещена центральная труба 21, соединенная с патрубком выхода пара 22, соединенного, в свою очередь, с пароперегревателем 10, причем патрубок отвода парогазовой смеси 19 соединен с прямоугольным корпусом пластинчатого конденсатора 23, состоящего, из расположенных сверху–вниз пирамидального парогазового коллектора 24, снабженного парогазовым патрубком 25, соединенного снизу с теплообменным коробом 26, в котором устроены вертикальные теплообменные перегородки 27, выполненные из коррозионно-устойчивого материала (например, из армированного малощелочного стекла), образующие вертикальные парогазовые 28 и горизонтальные водные каналы 29, причем парогазовый коллектор 24 соединен через парогазовые каналы 28 сверху–вниз с газовым коллектором 30 и пирамидальным днищем 31, снабженными газовым патрубком 32, перед которым установлен каплеотбойник 33 и конденсатным патрубком 34, соответственно, а водные каналы 29 соединены справа снизу и слева сверху с входным и выходным водяными коллекторами 35 и 36, соединенными с входным и выходным патрубками сетевой воды 37 и 38, соответственно, газовый патрубок 32 соединен с корпусом адсорбера 39, снабженного патрубками входа и выхода очищенного газа 40 и 41, патрубками входа и выхода промывочной воды 42 и 43, причем в полости адсорбера сверху–вниз расположены каплеотбойник 44, ороситель 45, соединенный с патрубком входа промывочной воды 42 и в шахматном порядке перфорированные корзины 46, заполненные гранулированным доменным шлаком 47, а патрубок выхода очищенных газов 41, соединен с вентилятором высокого давления 48, напорный патрубок которого снабжен коническим насадком 49.
1
1
1
0
Т
1
2
0
2
2
2
2
2
3
1
2
0
п
п
2
3
К
К
К
2
2
4
В
4
п
п
пп
п
КТГУ работает следующим образом. Питательный насос 8, создающий высокое давление Р, через патрубок 7 и нижний эллиптический коллектор 6 подает питательную воду в экранные трубы 3, которые равномерно обогреваются от факелов из горелок (на фиг. 1–5 не показаны) Из экранных труб вода, нагретая до температуры кипения, поступает в верхний эллиптический коллектор 4, откуда через патрубок 5 и соединенный с ним патрубок 13 эжектора 11, из сопла 14 струя питательной воды, нагретая до температуры кипения Т при давлении Р с большой скоростью, попадает в смесительную камеру 14, создавая в приемной камере 11 разрежение. В результате созданного разрежения продукты сгорания топлива (например, полученные при сгорании природного газа или мазута: оксиды углерода, оксиды азота, пары воды) при давлении Ри высокой температуре Т из топки 2 попадают в приемную камеру 11 и далее в смесительную камеру 14. В смесительной камере 14 давление воды снижается от Р до Р, а давление дымовых газов, наоборот, повышается от Р до Р, питательная вода смешивается и контактирует с продуктами сгорания из топки 2, интенсивно испаряясь, в результате снижения давления до Р и скоростного теплообмена с продуктами сгорания, а образовавшаяся парогазовая смесь при давлении Р и температуре Т поступает в диффузор 16. В диффузоре 15 динамическое давление струи пара трансформируется в статическое, в результате чего давление паровоздушной смеси на выходе из диффузора 15 поднимается от Р до Р, величина которого несколько меньше, чем Р, но значительно больше чем Р и Р [В. В. Харитонов и др. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды. – Минск: Выш. школа, 1988, с. 68]. Полученная парогазовая смесь через тангенциальный патрубок 18 поступает в циклон 17, где в результате вращения и воздействия центробежных сил на парогазовую смесь происходит ее деление на практически чистый насыщенный водяной пар с давлением Р и температурой Т, собирающийся в верхней и средней зонах полости корпуса циклона 17, парогазовую смесь, которая за счет большей плотности составляющих ее газов собирается в нижней зоне полости корпуса циклона 17 и конденсат, который стекает в поддон циклона 17. В соответствии с этим водяной пар отбирается через центральную трубу 21 из патрубка 22 и поступает в пароперегреватель 10, из конденсатного патрубка 20 отводится конденсат на ХВО, а из патрубка 19 выводится парогазовая смесь в пластинчатый конденсатор 23, выполненный из коррозионно-устойчивого материала. В конденсаторе 23 парогазовая смесь, перемещаясь сверху–вниз, отдает тепло при конденсации водяных паров, охлаждаясь при нагреве через перегородки 27 обратной сетевой водой, движущейся снизу–вверх в противотоке, которая через патрубок 38 подается потребителю. Одновременно, в конденсаторе 23 при конденсации паров воды, снижении температуры и давления парогазовой смеси от Т и Р до Ти Р (температура Т ниже точки росы) происходит окисление монооксидов азота до диоксидов и поглощение диоксидов азота и частично диоксида углерода образовавшимся конденсатом. При этом несконденсировавшиеся газы из парогазовой смеси (N, СО и др.), в результате своей большей плотности по сравнению с парами воды, собираются в газовом коллекторе 30, откуда проходя через каплеотбойник 33, газ очищается от капель конденсата и через патрубки 32 и 40 поступает в адсорбер 39, а образовавшийся конденсат, насыщенный кислыми компонентами, стекает в поддон 31, откуда через патрубок 34 подается на ХВО. В адсорбере 39 газ проходит поочередно через перфорированные корзины 46, заполненные гранулированным доменным шлаком 47, в которых за счет основных свойств доменного шлака, происходит адсорбция его компонентов, которые обладают кислыми свойствами (оксиды азота, оксиды углерода, оксиды серы), в результате чего газ очищается от вредных примесей, далее освобождается от уносимых капель конденсата в каплеотбойнике 44 и через патрубок 41 с давлением Р близким к атмосферному поступают на всас вентилятора высокого давления 48, снабженного коническим насадком 49 и расположенного на верхней отметке (например, на крыше котельной). Из вентилятора 48 очищенные и охлажденные дымовые газы с давлением Р и температурой Т через конический насадок 49 выбрасываются в виде факела в атмосферу. Параллельно этому процессу насыщенный водяной пар с давлением Р и температурой Т из циклона 17 поступает в пароперегреватель 10, где происходит его нагрев до температуры Т значительно более высокой, чем Т, после чего перегретый пар подается потребителю.
2
При падении активности адсорбента–гранулированного доменного шлака 47 его подвергают регенерации, которую осуществляют по мере необходимости. Процесс регенерации заключается в очистке поверхности и пор гранул шлака 47 от мелкодисперсных частиц и адсорбированных молекул вредных примесей и осуществляется путем их промывки промывочной водой (или очищенным конденсатом) из оросителя 45. Обратная промывочная вода, насыщенная кислотными компонентами и СО, выводится из адсорбера 39 через патрубок выхода промывочной воды 43, откуда подается на ХВО. При механическом износе гранул шлака 47 его заменяют на свежий. Периодичность и продолжительность промывки, время замены адсорбента определяются опытным путем.
3
2
2
3
2
2
3
x
х
Количество и параметры пара, получаемого в контактном парогенераторе 1 с учетом его перегрева в пароперегревателе 10, сетевой воды нагреваемой в пластинчатом конденсаторе 23, степень очистки дымовых газов после адсорбера 39 зависят от вида топлива, количества и давления воды на выходе из сопла 14, создаваемого питательным насосом 8, теплопроизводительности и количества горелок (на фиг. 1–5 не показаны, площади поверхности экранных труб 2, теплового напряжения в топке 2, технологических параметров эжектора 11 и циклона 17. Так как в эжекторе 11 происходит смешение газообразных продуктов сгорания с питательной водой, в них присутствуют пары питательной воды и пары воды, образовавшейся при сжигании топлива. Поэтому при конденсации образовавшейся парогазовой смеси в конденсаторе 23 при противоточном движении парогазовой смеси и сетевой воды увеличивается температурный напор, интенсифицируется процесс теплопередачи [А. А. Щукин и др. Теплотехника – М.: Металлургия, 1973, с. 203]. В результате вышеперечисленных факторов  образуется количество конденсата большее, чем поступило питательной воды на величину конденсата от паров воды, образовавшейся при сжигании топлива, что обеспечивает повышение КПД, создает замкнутый цикл водоснабжения КТГУ и снижает выбросы вредных компонентов и парниковых газов в атмосферу. Кроме того, использование доменного шлака в качестве адсорбента для очистки дымовых газов позволяет значительно снизить выбросы вредных веществ в атмосферу при минимальных затратах на процесс очистки. Сам гранулированный доменный шлак представляет собой мелкозернистый материал в виде пористых стекловидных или кристаллических гранул со средним размером (2-8) и более мм. Плотность шлака, в зависимости от состава, составляет 2,8-3,0 г/см, твёрдость зёрен 5-8 кгс/см. Химический состав шлака, в зависимости от состава исходной руды и вида выплавляемого чугуна, изменяется в широких пределах: СаО – 30-49%; АLО – 4,5-20%; SiO – 33-44%; FeO – 0.3-0.8%; MgO – 1.5-15%; MnO – 0.3-3.0%. Основные характеристики доменного шлака: пористость, основность, гидравлические свойства, активность [ГОСТ 3476-74 Шлаки доменные и электротермофосфатные гранулированные для производства цементов. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1976. - с.5]. Так как удаляемые из дымовых газов вредные примеси (NO, CO и пр.) имеют кислые свойства, для процесса очистки дымовых газов используется доменный шлак с модулем основности М>1.
Таким образом, предлагаемая комплексная теплогенерирующая установка обеспечивает получение пара и горячей воды без хвостовых поверхностей и дымовой трубы с использованием технологических и конструктивных преимуществ конструкции контактного парогенератора с пароперегревателем, эжектора и циклона, для очистки продуктов сгорания от вредных компонентов в качестве адсорбента гранулированного доменного шлака и автономной подпиткой водоснабжения, что увеличивает ее экономическую и экологическую эффективность.