СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ТЕПЛОГЕНЕРАТОРА С ПСЕВДООЖИЖЕННЫМ СЛОЕМ
METHOD TO CONTROL HEAT GENERATOR CAPACITY WITH FLUIDISED BED

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения и при сжигании топлива для нагрева рабочих тел, где сжигание различных топлив происходит в псевдоожиженном слое.
Известен способ регулирования тепловой мощности каталитического теплогенератора, описанный в патенте РФ №2124674, F23C 11/02, 10.01.99. Теплогенератор состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, между которыми внутри корпуса размещена газораспределительная решетка со слоем гранулированного катализатора окисления, в средней части генератора размещен теплообменник из U-образных трубок, под которыми распложена неизотермическая насадка, на внешней поверхности корпуса имеется охлаждающая рубашка, причем рубашка выполнена водяной и состоит из независимых секций, работающих параллельно и подключенных последовательно к теплообменнику. Наличие водяной секционной рубашки на корпусе выше и ниже уровня неизотермической насадки позволяет регулировать количество теплоты, отводимой из зоны горения, за счет отключения или включения секций водяной рубашки.
Недостатками известного способа регулирования мощности каталитического теплогенератора являются:
x
1. Наличие водяной рубашки на корпусе приводит к сильному охлаждению слоя катализатора в зоне горения топлива и, как следствие, увеличению выбросов CO и NO.
2. При отключении отдельной секции рубашки ее температура быстро достигает температуры слоя катализатора 700-800°C. При необходимости вновь повысить мощность теплогенератора, подача воды в эту секцию становится невозможной из-за испарения воды и повышения давления в секции вплоть до давлений вызывающих ее разрушение.
3. Наличие на корпусе водяной рубашки в зоне горения топлива затрудняет или делает невозможным пуск теплогенератора в работу, т.к. во время пуска слой катализатора в зоне горения необходимо нагреть до температуры каталитического зажигания топлива 200-400°C (температура зажигания зависит от активности катализатора). За счет рубашки будет происходить сильное охлаждение слоя катализатора.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ регулирования тепловой мощности каталитического теплогенератора за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем катализатора, описанный в патенте РФ №2232942, F23D 14/18, F23C 10/00, 20/07/2004.
Известный каталитический теплогенератор состоит из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива, между которыми внутри корпуса размещена воздухораспределительная решетка со слоем гранулированного катализатора окисления, в средней части теплогенератора размещен теплообменник с шахматно-ширмовым расположением теплообменных трубок, под которыми расположены неизотермическая и организующая насадки, в корпусе под неизотермической насадкой предусмотрен патрубок для выгрузки катализатора и/или несколько патрубков для выгрузки катализатора над неизотермической насадкой, в корпусе выше уровня псевдоожиженного слоя предусмотрен патрубок для загрузки катализатора.
Наличие патрубков для выгрузки и загрузки катализатора позволяет изменять уровень катализатора в теплогенераторе во время его работы, что дает возможность изменять величину поверхности теплообменника, контактирующего с катализатором и, следовательно, менять тепловую мощность теплогенератора без изменения расхода воздуха, воды на теплообменник и сохранении оптимальной температуры в зоне горения топлива 700-800°C.
Схема каталитического теплогенератора (по прототипу) приведена на фигуре.
Теплогенератор состоит из вертикального корпуса (1), в котором размещены секции подвода воздуха (а), горения (б), теплосъема (в) и сепарационная зона (г). Секция подвода воздуха (а) состоит из камеры с патрубком (6) для ввода воздуха и предназначена для равномерного распределения воздуха по сечению газораспределительной решетки (4), а при боковом вводе воздуха дополнительно для изменения направления потока воздуха на 90°.
Секция горения (б) отделена от секции подвода воздуха газораспределительной решеткой (4) и имеет патрубки для подачи газообразного (24) или жидкого (8) или твердого топлива (7), патрубок с вентилем или заслонкой для выгрузки катализатора (14). Дополнительно, в секции горения над газораспределительной решеткой размещена объемная организующая насадка (9) (перед неизотермической насадкой (10), например, из проволочных решеток, с живым сечением 50-90% с величиной отверстий 2-15 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете решеток 85-95%.
Секция теплосъема (в) состоит из теплообменника (3) и объемной неизотермической насадки (10), размещенной под теплообменником над организующей насадкой. В секции теплосъема расположены патрубок входа холодной воды (11), патрубок для выхода нагретой воды (12), сифон (18) с вентилем для слива воды из теплообменника во время остановки теплогенератора при температурах наружного воздуха ниже 0°C; патрубки (15), (16), (17) с вентилями или заслонками для выгрузки катализатора.
Сепарационная зона (г) расположена в верхней части теплогенератора и имеет патрубок (5) для выхода дымовых газов, патрубок с вентилем или заслонкой (13) для перегрузки катализатора, патрубок (2) для засыпки катализатора, предохранительную мембрану (21).
Каталитический теплогенератор работает следующим образом. В теплогенератор через патрубок (2) загружают катализатор, количество которого соответствует максимальной мощности теплогенератора. Воздух по патрубку (6) подается в секцию подвода воздуха (а), проходит газораспределительную решетку (4) в секцию горения (б), куда по патрубкам (24) или (8) или (7) подается топливо (газовое или жидкое или твердое).
Частицы катализатора приводятся в псевдоожиженное состояние под действием восходящего потока воздуха и дымовых газов. В секции горения происходит выделение тепла за счет сгорания топлива на катализаторе.
Горячие дымовые газы и катализатор проходят через неизотермическую насадку (10) в секцию теплосъема, где отдают тепло теплообменнику и охлаждаются. Холодный катализатор возвращается в зону горения. Основное количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива в секции горения, передается в секцию теплосъема частицами катализатора. Далее дымовые газы проходят через сепарационную зону и устройство против уноса катализатора (23). Отвод теплоты происходит через поверхность теплообменника (3), погруженного в псевдоожиженный слой. Отвод теплоты от дымовых газов происходит через поверхность, находящуюся в надслоевом пространстве сепарационной зоны, или на дополнительном теплообменнике (экономайзере), установленном вне теплогенератора. Вода в теплообменник поступает по патрубку (11) с температурой 40-60°C и выходит из теплообменника (3) с температурой 80-100°C.
Автоматическое регулирование температуры в зоне горения топлива (б) и температуры горячей воды на выходе (12) из теплогенератора осуществляется путем отключения и включения подачи топлива. При достижении предельной температуры горячей воды, например, 95°C и температуры в зоне горения топлива, например, 800°C происходит отключение подачи топлива. При снижении температуры в зоне горения ниже 800°C и температуры воды ниже 90 С происходит включение подачи топлива. Снижение температуры слоя происходит достаточно быстро. Снижение температуры горячей воды (12) происходит более медленно и поэтому регулирование режимов работы теплогенератора осуществляется в зависимости от температуры горячей воды, т.е. подача топлива включается только после снижения температуры воды до 90°C. При этом температура слоя в секции горения может понижаться и ниже 700°C.
x
При максимальной мощности потребления тепла в системе отопления, соответствующей максимальной мощности теплогенератора, температура в секции горения сохраняется в пределах 700-800°C при изменении температуры горячей воды в пределах 5-10°C. С уменьшением теплосъема в системе отопления происходит повышение температуры обратной (холодной) воды (11) выше регламентированной 40-60°C. Это приводит к увеличению интервала времени между отключением и включением подачи топлива в секцию горения, и, как следствие, снижению температуры в секции горения существенно ниже 700°C. В свою очередь, снижение температуры в секции горения ниже 700°C приводит к уменьшению полноты сгорания топлива и увеличению выбросов CO и NO с дымовыми газами. Поэтому при повышении температуры обратной воды (11) выше предельной открывается вентиль или клапан на патрубке (14) и выгружается часть катализатора из теплогенератора, например, в бункер (19). Это приводит к уменьшению поверхности теплообменника (3), погруженного в псевдоожиженный слой и снижению мощности теплогенератора. Как следствие, при этом интервал времени между включением и отключением подачи топлива в секцию горения уменьшается и температура в секции горения сохраняется в пределах 700-800°C. При наличии автоматического уровнемера на бункере (19) количество отгружаемого катализатора строго соответствует значению температуры обратной воды (11). При отсутствии уровнемера отгрузка катализатора из теплогенератора производится ступенчато самотеком через патрубки (15) или (16) или (17) и т.д. путем открытия вентилей или заслонок в соответствии со значением температуры обратной воды (11).
Обратное повышение мощности теплогенератора с увеличением теплосъема в системе отопления и снижении температуры обратной воды (11) на входе в теплообменник (3) проводится догрузкой катализатора в теплогенератор до необходимого уровня.
Минимальная мощность теплогенератора достигается при отсутствии контакта псевдоожиженного слоя с теплообменными поверхностями. При этом топливо сгорает в избытке воздуха, обеспечивающем поддержание температуры в слое катализатора 700-800°C, а дымовые газы отдают теплоту и охлаждаются до необходимой температуры на существующих теплообменных поверхностях в теплогенераторе и в экономайзере. При этом количество теплоты, которое содержится в дымовых газах и передается теплообменным поверхностям в конвективном режиме, соответствует предельному минимуму тепловой мощности теплогенератора. Минимальное количество воздуха задается скоростью псевдоожижения частиц катализатора и не может быть уменьшено ниже скорости начала псевдоожижения.
Недостатком известного способа регулирования тепловой мощности теплогенератора является невозможность уменьшения тепловой мощности ниже номинальной более чем на 70-80%. При длительной эксплуатации теплогенератора в теплое время года в режиме получения теплоты только для горячего водоснабжения требуемая мощность теплогенератора обычно менее 20-30%. При отсутствии или малом потреблении горячей воды необходимо в течение суток либо останавливать теплогенератор и проводить повторный пуск при появлении водоразбора, либо иметь резервный теплогенератор меньшей мощности.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке способа регулирования тепловой мощности каталитического теплогенератора, эффективно использующего теплоту при сжигании топлива при экологической чистоте отходящих газов и обеспечивающего снижение тепловой мощности менее чем 20-30% от номинальной без изменения конструкции теплогенератора.
Задача решается предлагаемым способом регулирования мощности за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем катализатора в каталитическом теплогенераторе, состоящем из вертикального корпуса с патрубками подачи воздуха и топлива в нижней части, патрубками отвода дымовых газов и загрузки катализатора в верхней части, с газораспределительной решеткой внутри корпуса между патрубками подачи воздуха и топлива, на которой находится слой гранулированного катализатора окисления, выше которой последовательно размещены организующая и неизотермическая насадки, теплообменник, а на корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для выгрузки катализатора, при этом регулирование тепловой мощности теплогенератора проводят изменением расхода воздуха, подаваемого на псевдоожижение, и количества сжигаемого топлива за счет изменения размера гранул катализатора и/или за счет изменения плотности гранул катализатора, находящегося в теплогенераторе.
В каталитический теплогенератор можно загружать смесь гранулированного катализатора окисления и гранул инертного материала..
Технический результат - уменьшение количества сжигаемого топлива и тепловой мощности теплогенератора.
Предлагаемый способ реализуют в теплогенераторе, описанном в патенте РФ №2232942, F23D 14/18, F23C 10/00, 20/07/2004.
В таблице 1 приведена зависимость изменения полной тепловой мощности теплогенератора в зависимости от среднего размера частиц применяемого катализатора. Не меняя конструктивных размеров теплогенератора можно уменьшить расход воздуха на псевдоожижение и, соответственно, его тепловую мощность более чем в 25 раз за счет уменьшения размера частиц катализатора, т.е. до менее 4% от полной мощности.
В теплогенераторе обычно используют полидисперсный катализатор с размером гранул 1,0-2,0 мм. Средний размер гранул 1,5 мм. При этом скорость начала псевдоожижения для такого катализатора составляет 0,5 м/с. Рабочая скорость псевдоожижения 1 м/с.
С уменьшением размера гранул катализатора скорость начала псевдоожижения и соответственно рабочая скорость уменьшается (таблица 1).
Таблица 1
Зависимость полной тепловой мощности теплогенератора от скорости псевдоожижения и размера частиц катализатора с плотностью 1500 кг/м<sup>3</sup>.
Пример № п/п
Диаметр частиц, мм
Скорость начала псевдоожижения, м/с
Рабочая скорость, м/с
Расход воздуха, м<sup>3</sup>/ч
Тепловая мощность, кВт
1. (прототип)
1,5
0,50
1,00
250
230
2
1,0
0,31
0,62
155
143
3
0,5
0,11
0,22
55
51
4
0,2
0,02
0,04
10
9
При эксплуатации теплогенератора при скоростях воздуха близких к началу псевдоожижения крупных частиц катализатора происходит сепарация частиц по высоте псевдоожиженного слоя. В нижней части слоя находятся в основном крупные частицы. В верхней части слоя «кипят» мелкие частицы. При эксплуатации теплогенератора в теплый период года уменьшение мощности проводят, сливая катализатор из нижнего патрубка 14, расположенного внизу псевдоожиженного слоя над газораспределительной решеткой. При этом из слоя удаляются в основном крупные частицы. В зависимости от требуемой тепловой нагрузки выбирают необходимую мощность теплогенератора и, соответственно, проводят догрузку теплогенератора катализатором с необходимым размером через патрубок 13 и снижают расход воздуха до номинального (таблица 1). Последующее регулирование мощности выполняют, сливая часть катализатора с освобождением теплообменной поверхности, погруженной в слой.
Аналогичный результат достигается при использовании катализатора с более низкой плотностью.
Таблица 2
Зависимость полной тепловой мощности теплогенератора от скорости псевдоожижения и плотности частиц катализатора со средним размером 1,5 мм.
Пример № п/п
Плотность частиц, кг/м<sup>3</sup>
Скорость начала псевдоожижения, м/с
Рабочая скорость, м/с
Расход воздуха, м<sup>3</sup>/ч
Тепловая мощность, кВт
1 (прототип)
1500
0,50
1,00
250
230
5
1000
0,38
0,76
190
175
6
500
0,23
0,46
115
106
В таблице 2 приведена зависимость изменения полной тепловой мощности теплогенератора при загрузке катализаторов меньшей плотности при сохранении среднего размера частиц применяемого катализатора. Не меняя конструктивных размеров теплогенератора можно также уменьшить расход воздуха на псевдоожижение и, соответственно, его тепловую мощность.
В настоящее время в промышленные теплогенераторы в соответствии с со способом сжигания топлив, описанном в патенте РФ 2057988, F23C 11/02, 10.04.1996, загружается смесь катализатора и инертного теплоносителя (речной песок). Как показано в примерах 7-8, замена части катализатора на песок не приводит к снижению мощности теплогенератора. Количество токсичных веществ в дымовых газах практически не изменятся при уменьшении мощности теплогенератора до 50 кВт.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами.
Пример 1 (прототип).
3
3
В теплогенератор (в соответствии с приведенной фигурой) тепловой мощностью 230 кВт загружают 150 л катализатора со средним диаметром гранул 1,5 мм и плотностью 1500 кг/м. В качестве топлива используют порошкообразный бурый уголь Канско-Ачинского месторождения. Рабочая скорость псевдоожижения катализатора воздухом составляет 1,0 м/с. Скорость начала псевдоожижения катализатора - 0,5 м/с. Температуру в слое поддерживают на уровне 750°C. Степень выгорания угля составляет 99,0-99,5%. Количество монооксида углерода в дымовых газах 0,05-0,06 об.%. Количество оксидов азота 100-150 мг/м.
Тепловая мощность 230 кВт
Пример 2.
3
3
Аналогичен примеру 1. В теплогенератор (в соответствии с приведенной фигурой) загружается 150 л катализатора со средним диаметром гранул 1,0 мм и плотностью 1500 кг/м. Рабочая скорость псевдоожижения катализатора воздухом 0,62 м/с. Скорость начала псевдоожижения катализатора 0,31 м/с.. Температуру в слое поддерживают на уровне 750°C. Степень выгорания угля составляет 99,0-99,5%. Количество монооксида углерода в дымовых газах 0,05-0,06 об.%. Количество оксидов азота 100-150 мг/м.
Тепловая мощность 143 кВт
Пример 3.
3
В теплогенератор (в соответствии с приведенной фигурой) загружают 150 л катализатора со средним диаметром гранул 0,5 мм и плотностью 1500 кг/м. Рабочая скорость псевдоожижения катализатора воздухом 0,22 м/с. Скорость начала псевдоожижения катализатора 0,11 м/с.
Полученная тепловая мощность 51 кВт.
Пример 4.
3
В теплогенератор (в соответствии с приведенной фигурой) загружают 150 л катализатора со средним диаметром гранул 0,2 мм и плотностью 1500 кг/м. Рабочая скорость псевдоожижения катализатора воздухом 0,04 м/с. Скорость начала псевдоожижения катализатора 0,02 м/с.
Тепловая мощность 9 кВт.
Пример 5.
3
Аналогичен примеру 1. В теплогенератор (в соответствии с фигурой) загружают 150 л катализатора со средним диаметром гранул 1,5 мм и плотностью 1000 кг/м. Рабочая скорость псевдоожижения катализатора воздухом 0,76 м/с. Скорость начала псевдоожижения катализатора 0,38 м/с.
Тепловая мощность 175 кВт.
Пример 6.
3
В теплогенератор (в соответствии с фигурой) загружают 150 л катализатора со средним диаметром гранул 1,5 мм и плотностью 500 кг/м. Рабочая скорость псевдоожижения катализатора воздухом 0,46 м/с. Скорость начала псевдоожижения катализатора 0,23 м/с.
Тепловая мощность 106 кВт.
Пример 7 (прототип).
3
3
3
В теплогенератор (в соответствии с приведенной фигурой) загружают 150 л смеси катализатора со средним диаметром гранул 1,5 мм и плотностью 1500 кг/м и гранулы речного песка с размером 1,3 мм и плотностью 2500 кг/м в соотношении 1:3 по объему соответственно. Рабочая скорость псевдоожижения смеси гранул катализатора и песка воздухом 1,0 м/с. Скорость начала псевдоожижения смеси 0,5 м/с. Степень выгорания угля составляет 99,0-99,5%. Количество монооксида углерода в дымовых газах 0,05-0,06 об.%. Количество оксидов азота 100-150 мг/м.
Тепловая мощность 230 кВт
Пример 8.
3
3
3
В теплогенератор (в соответствии с приведенной фигурой) загружают 150 л смеси катализатора со средним диаметром гранул 0,5 мм и плотностью 1500 кг/м и гранулы речного песка с размером 0,4 мм и плотностью 2500 кг/м в соотношении 1:3 по объему соответственно. Рабочая скорость псевдоожижения смеси гранул катализатора и песка воздухом 0,22 м/с. Скорость начала псевдоожижения смеси 0,11 м/с. Степень выгорания угля составляет 99,0-99,5%. Количество монооксида углерода в дымовых газах 0,05-0,06 об.%. Количество оксидов азота 100-150 мг/м.
Тепловая мощность - 52 кВт.
Таким образом, заявляемый способ регулирования тепловой мощности теплогенератора позволяет увеличить пределы изменения мощности теплогенератора с псевдоожиженным слоем катализатора, не меняя его конструктивных параметров, в десятки раз с сохранением экологически чистого сжигания топлив при максимальном КПД 0.93-0,96