МНОГОСТАДИЙНЫЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДОСОДЕРЖАЩЕГО ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА И ТЕПЛОГАЗОГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ (СПОСОБ АРАКЕЛЯНА Г.Г.)
MULTISTAGE METHOD FOR OBTAINING HYDROGEN-BEARING GASEOUS FUEL, AND HEAT GAS GENERATOR PLANT FOR ITS IMPLEMENTATION (ARAKELYAN METHOD)

1. Область техники
2
n
2n+2
Изобретение относится к энергосберегающим технологиям, в основном, к способам и установкам для преобразования воды НО в водородсодержащий газ в сочетании среды катализатора из ряда СН (дизельное топливо, мазут) в непрерывной тепловой огневой среде при температуре горения свыше 500°С. Чаще всего такие способы относятся к системам, в которых получение газообразного топлива и его реализация сжиганием совмещены в единый цикл, но может быть использовано и для накопления водородосодержащего газового топлива.
2. Уровень техники.
Известен способ генерации водородосодержащего газа (SU Пат №1144977, 1985), при котором в процессе получения водородосодержащего газа компоненты сжигают в высокотемпературном режиме.
Недостатком этого способа является высокая энергоемкость.
Известен способ получения газа из углеводородного сырья (SU Пат. №939380, 1982), в котором осуществляют перемешивание перегретого до 430 градусов водяного пара с углеводородами с последующим подогревом парогазовой смеси.
Недостатком способа является использование дополнительного энергоносителя для получения перегретого пара и последующего подогрева.
Известно применение водяного пара в различных его фазовых состояниях, каждое из которых характеризуется различными равновесными состояниями (Советский энциклопедический словарь. М.: 1985, - с.962, Реф. «Пар»).
Известен также принятый заявителем за наиболее близкий аналог «Способ получения водородосодержащего газа в турбогенераторной установке» (RU Пат. №2269486, 2006). Известный способ и устройство его реализации имеют то же назначение, что и заявленное техническое решение, при этом способ характеризуется последовательностью выполнения операций по стадиям, совмещенных в единый замкнутый цикл, а устройство - соответствующим этим стадиям ступеням.
В части способа в известном техническом решении осуществляют многостадийный способ получения водородосодержащего газообразного топлива с замкнутым циклом, включающий запуск процесса в режиме принудительного разогрева и осуществление процесса саморазогрева в штатном режиме саморазогрева, включающем перемешивание углеводородного компонента и воды, их ввод нагнетанием под давлением, нагревание, возврат топлива и поджиг.
В известном решении первичное перемешивание в жидкой фазе воды и углеводородного компонента при нормальной (20 градусов) температуре компонентов не обеспечивает стабильности дисперсного состава смеси, направляемой в дальнейшем на нагрев для получения топлива. С момента прекращения воздействия по перемешиванию (т.е. с момента подачи смеси на нагревание) начинается обратный процесс - происходит расслоение смеси, обусловленное разными плотностями воды и углеводородного компонента. Последнее приводит к неоднородности смеси по дисперсному составу. При последующем нагреве смеси наблюдается также неоднородность ее по температуре. Эти неоднородности сохраняются в конечном продукте - топливной смеси, направляемой на поджиг факела, вызывают нестабильность горения факела, обусловленную, с одной стороны, образованием в составе смеси локальных очагов (по составу) не возгораемой смеси, что вызывает срывы поджига и угасание факела (что характерно для тяжелых углеводородных компонентов), с другой стороны, образование в составе смеси локальных очагов (по составу) быстрого горения, что вызывает несанкционированные вспышки пламени в факеле, что характерно для легких углеводородных компонентов.
В части известного устройства оно включает соответствующие элементы реализации способа, присущие также заявляемому техническому решению, теплогазогенераторная установка выполнена в виде единого устройства, имеющего сложный многозвенный корпус, включает горелочную систему, огневую камеру, устройство для перемешивания компонентов, запальное импульсное устройство, трубопроводы и систему запуска, включающую горелку запуска с подводом горючего топлива.
Устройству присущи недостатки реализованного способа, в том числе возникновение срывов в процессе получения топлива, обусловленных неоднородностью смеси.
3. Сущность изобретения
3.1. Результат решения технической задачи
Техническая задача - устранение недостатков, присущих известному техническому решению, обеспечение стабильности процессов получения водородосодержащего газообразного топлива, снижение энергоемкости и расхода углеводородного компонента.
Технический результат - получение однородного фазового состояния смеси в процессе получения топлива для обеспечения стабильности и постоянства огневого технологического факела горения и горения рабочего факела, а также повышенный уровень безопасности получения водородосодержащего топлива, в том числе за счет снижения расхода углеводородного компонента.
Решение поставленной технической задачи обеспечивается многостадийностью процесса получения топлива, каждой стадии которого соответствует наиболее безопасное, стабильное и однородное фазовое состояние компонентов и смеси путем изменения направлений технологических потоков с разделением ввода углеводородного компонента и воды и перемешивания углеводородного компонента с водой в измененном фазовом состоянии последней.
3.2. Перечень фигур чертежей
На фиг.1 представлена блок-схема алгоритма способа: а) обобщенная блок-схема алгоритма, b) детализация блок-схемы с основными элементами; на фиг.2 - схема теплогазогенераторной трехступенчатой установки; на фиг.3 - сечение I-I на фиг.2; на фиг.4 - сечение II-II на фиг.2; на фиг.5 - схема смесителя инжекторного типа; на фиг.6 - тепловой температурный режим в технологическом цилиндре,
n
2n+2
n
2n+2
где 1 - расходная емкость для воды; 2 - расходная емкость для углеводородного компонента CH; 3 - рабочая горелка; 4 - горелка запуска; 5 - внешний независимый источник-генератор с искровым импульсным устройством зажигания; 6 - устройство турбонаддува; 7 - индукционный (контактный) нагреватель запуска турбогенератора; 8 - смеситель инжекторного типа; 9 - огневая камера; 10 - первая ступень технологического цилиндра; 11 - вторая ступень технологического цилиндра, 12 - третья ступень технологического цилиндра; 13 - зона поджига, воспламенения и образования огневого факела; 14 - зона технологического горения огневого факела; 15 - устройство формирования рабочего факела; 16 - зона рабочего факела; 17 - технологический трубопровод подачи воды нагнетанием из расходной емкости (1) в первую ступень (10) технологического цилиндра; 18 - технологический трубопровод подачи углеводородного компонента CH нагнетанием из расходной емкости (2) в смеситель (8) инжекторного типа; 19 - технологический трубопровод подачи пара из первой ступени (10) технологического цилиндра в смеситель (8) инжекторного типа; 20 - технологический трубопровод подачи пароуглеводородной смеси из смесителя (8) во вторую ступень (11) технологического цилиндра; 21 - технологический трубопровод подачи пароуглеводородной смеси из второй ступени (11) технологического цилиндра в третью ступень (12) технологического цилиндра; 22 - технологический трубопровод подачи пароуглеводородной смеси из второй ступени (11) технологического цилиндра в горелку запуска (4) (возврат топлива в режиме принудительного разогрева), 23 - технологический трубопровод подачи топлива из третьей ступени (12) технологического трубопровода в рабочую горелку (3) (возврат топлива в штатном режиме саморазогрева); 24 - трубопровод отбора топлива внешнему потребителю; 25 - регулировочный клапан; 26 - место загрузки воды в расходную емкость (1); 27 - место загрузки углеводородного топлива в расходную емкость (2); 28 - приборы, контролирующие напор и давление на технологических трубопроводах, 29 - парообразование, 30 - формирование огневого факела, 31 - перемешивание и нагревание пароуглеводородной смеси, 32 - осуществление процесса разогрева пароуглеводородной смеси для получения топлива, 33 - внутренний цилиндр теплогазогенератора; 34 - наружный цилиндр теплогазогенератора; а - подвод для запуска пароуглеводородной смеси от второй ступени (11) технологического цилиндра; b - подвод для запуска горючей смеси от внешнего источника; с - подвод для запуска углеводородного компонента; 35 - нагрев технологического цилиндра.
3.3. Отличительные признаки
В способе, в отличие от известного, процесс получения топлива осуществляют многостадийно с раздельным вводом углеводородного компонента и воды в разогреваемый огневым факелом технологический цилиндр, разделенный на изолированные ступени по числу стадий процесса получения топлива, на первой стадии вводят воду, нагревают ее до образования водяного пара, на последующих стадиях вводят углеводородный компонент и перемешивают его с водяным паром, затем пароуглеводородную смесь дополнительно нагревают и разогревают до температуры образования водородосодержащего газообразного топлива, поток которого направляют на возврат в зону поджига для обеспечения горения огневого факела.
В штатном режиме саморазогрева процессы образования водородосодержащего газообразного топлива могут осуществляться с нагревом не менее чем в три стадии, соответствующие процессу парообразования в первой стадии, где вводят воду нагнетанием под давлением 0,3-0,5 МПа и нагревают ее до образования водяного пара с температурой 500-550°С, соответствующим процессу перемешивания и дальнейшего нагрева во второй стадии, где вводят нагнетанием в смеситель под давлением 0,3-0,5 МПа углеводородный компонент, его перемешивают с водой инжектированием водяным паром давлением 0,06-0,25 МПа при соотношении воды к углеводородному компоненту от 10,5:1 до 8:1 и смесь нагревают до температуры 1000-1100°С, на третьей и последующих стадиях, соответствующих процессу получения водородосодержащего газообразного топлива, смесь разогревают до температуры 1300-2000°С.
В штатном режиме саморазогрева поджиг может осуществляться от огневого факела и/или запальным импульсным устройством с внешним источником-генератором искрообразования, работающим с частотой 1-2 Гц, поток топлива на возврат для поджига и образования огневого факела может частично направляться на хранение или/и внешнее потребление, а процесс образования и поддержания огневого факела для повышения качества и эффективности горения может осуществляться с турбонаддувом.
При запуске процесса в режиме принудительного разогрева предварительное нагнетание воды целесообразно выполнять в количестве 40-50% от максимально допустимого штатного рабочего объема под давлением 0,3-0,5 МПа, изменение фазового состояния воды осуществлять нагреванием до образования водяного пара с температурой 450-500°С от независимого источника тепла, например индуктивным нагревателем, а поджиг пароуглеводородной смеси или иного топливного компонента осуществлять от независимого источника запальным искровым импульсным устройством с независимым источником искрообразования, работающим с частотой 40-50 Гц.
Теплогазогенераторная установка выполнена в виде единого устройства, имеющего сложный многозвенный корпус, в отличие от известного устройства имеет сложный корпус, выполненный в виде двух вложенных друг в друга цилиндрических труб с зазором, образующим технологический цилиндр, разделенный на изолированные ступени технологического цилиндра по числу стадий процесса приготовления топливной смеси, огневую камеру образует емкость внутренней трубы, устройство для перемешивания выполнено в виде инжектора с раздельным вводом воды в виде пара и ввода углеводородного компонента, выход последней ступени технологического цилиндра соединен трубопроводом со входом огневой камеры, где установлена горелочная система с запальным устройством с искровым импульсным источником зажигания, рабочей горелкой, горелкой запуска, на выходе огневой камеры установлен элемент формирования рабочего факела в виде сужающего устройства, устройство снабжено топливными емкостями, выполненными в виде герметичных раздельных расходных емкостей для воды и углеводородного компонента.
Устройство может быть выполнено в виде трехступенчатого технологического цилиндра, в котором 1-я ступень реализует стадию парообразования, выполнена с независимыми индукционным источником тепла, 2-я ступень реализует стадии перемешивания компонентов и нагревания парогазовой смеси, 3-я ступень обеспечивает стадию разогревания для получения топливной смеси, при этом в устройстве расходная емкость для воды соединена трубопроводом со входом 1-й ступени технологического цилиндра, выход которой соединен трубопроводом с первым входом инжектора, второй вход инжектора соединен трубопроводом с расходной емкостью углеводородного компонента, выход инжектора соединен трубопроводом со 2-й ступенью технологического цилиндра, соединенной трубопроводом с третьей ступенью технологического цилиндра.
Соотношении радиусов труб, образующих технологический цилиндр для приготовления топливной смеси, может составляет:
0,3>(R1/r2)>0,1;
где R1 - наружный диаметр внутренней трубы,
r2 - внутренний диаметр наружной трубы,
а на входе турбинной горелочной системы может быть установлено устройство турбонаддува, в расходных емкостях целесообразно поддерживать постоянное избыточное давление 0,3-0,5 МПа.
3.4. Описание способа и установки его реализации
2
n
2n+2
2
2
Способ и устройство реализуют зависимость НО+СН=Н+СО в высокотемпературном многостадийном режиме. Тепловая способность углерода утилизируется наилучшим образом при водяном газе. На парообразование водяного газа углерода требуется 8% его собственных ресурсов, при этом водяной газ состоит главным образом из СО (40-60%) и Н2 (30-50%).
Процесс образования водяного газа представляет собой сложный минимально двухстадийный процесс - при 500°С происходит полное разложение на водород и углекислоту (С+2Н2О=2Н2+СО2), при 1000-1200°С - разложение на водород и окись углерода (CO2+С=2СО). Если вода взята в состоянии пара, то разложение водяного пара (С+H2O=СО+Н2) сопровождается тепловыми потерями, а потому ведет к охлаждению, в связи с чем для компенсации тепловых потерь температура первой стадии нагрева должна быть выше, окончательной стадии - не менее чем 1300°С. Наличие турбоподдува (воздухом, кислородом или иным дополнительным окислителем) позволяет получать так называемый генераторный газ с температурой горения смеси 1935°С при практическом отсутствии на выходе экологически вредных компонентов.
Сущность способа представлена на блок-схеме алгоритма способа (фиг.1). Способ включает (фиг.1а) формирование огневого факела и обеспечение технологического горения (30) для нагревания компонентов и смеси (35). Для обеспечения процесса и поставленной технической задачи предусматривается разделение технологических потоков с раздельной подачей (17-18) компонентов (воды (1) и углеводородного компонента (2)). Вода подается для нагревания и парообразования (29) для последующей подачи пара (19) на перемешивание с углеводородным компонентом и последующего нагрева пароуглеводородной смеси (31), которая уже на этом этапе может представлять возгораемую смесь. Эту смесь используют на этапе запуска системы (22). Затем смесь направляют на последующие стадии (32) на доразогрев (20-21). Полученное топливо направляют на вход системы на поджиг (23), а также используется для создания рабочего факела на выходе установки. Нагрев компонентов и смеси (35) в штатном режиме осуществляют с помощью технологического цилиндра, имеющего несколько ступеней по числу стадий для реализации способа.
Компоненты - вода и углеводородный компонент загружают в герметичные сосуды (1, 2) под постоянным давлением 0,3-0,5 МПа для обеспечения их бесперебойной подачи в систему нагнетанием через регулировочные клапаны (25) (фиг.1a, фиг.2). Загрузка может осуществляться как периодически по мере расходования компонентов, так и непрерывно.
При принятом за основу трехстадийном процессе на первой стадии в штатном режиме саморазогрева воду нагревают до образования перегретого пара с температурой 500-550°С, в режиме запуска с принудительным разогревом - до температуры 450-500°С. Образующийся перегретый пар направляют на перемешивание с углеводородным компонентом. Перемешивание обеспечивается инжектированием (8) паром (фиг.5). Затем пароуглеводородную смесь дополнительно нагревают во второй ступени технологического цилиндра (11) и в третьей ступени (12) разогревают до температуры образования газового топлива, которое в штатном режиме саморазогрева направляют на возврат (23) для поджига и образования огневого факела. В режиме запуска с принудительным разогревом (7) пароуглеводородную смесь направляют (22) на поджиг со второй ступени (11).
Установка включает соответствующие элементы реализации способа, выполнена в виде единого устройства, имеющего сложный многозвенный корпус, включает горелочную систему (30), огневую камеру (9), устройство инжекторного типа для перемешивания компонентов (8), запальное импульсное устройство (5), трубопроводы и систему запуска, включающую горелку запуска (4) с подводом горючего топлива (a, b или с).
Корпус выполнен единым в виде двух вложенных друг в друга цилиндрических труб (33, 34) с зазором, образующим технологический цилиндр. Технологический цилиндр разогревается огневым факелом и разделен на герметично изолированные ступени (10, 11, 12) - по числу стадий процесса приготовления топливной смеси, первая ступень (10) устройства соответствует стадии парообразования и снабжена независимым индукционным источником тепла (7) для осуществления процесса запуска, вторая ступень - соответствующая стадии перемешивания компонентов и нагревания парогазовой смеси - включает ступень 11 технологического цилиндра и смеситель инжекторного типа (8) и 3-я ступень (12) служит для окончательного разогревания смеси и получения топлива. Емкость внутренней трубы (9) с внутренним диаметром r1 образует огневую камеру формирования огневого факела (13, 14) для нагрева технологического цилиндра. Устройство для перемешивания (8) 2-й ступени выполнено в виде инжектора с раздельным вводом (19) воды в виде пара и ввода (18) углеводородного компонента, устройство снабжено топливными емкостями, выполненными в виде герметичных раздельных расходных емкостей для воды (1) и углеводородного компонента (2), расходная емкость (1) для воды соединена трубопроводом (17) со входом первой ступени технологического цилиндра камеры (10) парообразования, выход камеры парообразования соединен трубопроводом с первым входом инжектора, со вторым входом которого соединена расходная емкость для углеводородного компонента, выход инжектора соединен трубопроводом с камерой (11) нагрева парогазовой смеси, камера нагрева парогазовой смеси (11) соединена трубопроводом (21) с камерой разогрева (12) для образования топливной смеси, которая своим выходом соединена трубопроводом (23) со входом огневой камеры (9), где установлена турбинная горелочная система с запальным устройством с искровым импульсным источником зажигания (5), рабочей горелкой (3), горелкой запуска (4), на выходе огневой камеры установлен элемент формирования рабочего факела (16) в виде сужающего устройства (15). Соотношение радиусов труб, образующих технологический цилиндр для приготовления топливной смеси, составляет:
0,3<(r2/R1)>0,1;
где R1 - наружный диаметр внутренней трубы,
r2 - внутренний диаметр наружной трубы.
На входе турбинной горелочной системы установлено устройство турбонаддува (6), а в расходных емкостях (1, 2) поддерживается постоянное избыточное давление 0,3-0,5 МПа.
На графике фиг.6 представлена зависимость температуры в технологическом цилиндре по его ступеням.
4. Возможность осуществления изобретения
В таблице представлены сопоставительные характеристики известного технического решения и рассматриваемого способа, подтверждающие, что реализация способа решает поставленные технические задачи - имеет место повышение стабильности процессов получения водородосодержащего газообразного топлива (существенное снижение числа отказов), снижение энергоемкости и расхода углеводородного компонента (повышение показателя отношения вода/дизельное топливо).
Таблица
Пример конкретной реализации способа и технические характеристики теплогазогенераторных установок, реализующих способ Аракеляна Г.Г.
Техническая характеристика
Единица измерения
Установка «Гранстрой» типа ВТПГУ-1 серии 2009 (реализация прототипа)
Установка «Грантстрой» типа ВТТГУ-700 серии 2011 (реализация заявленного решения)
Расход воды H<sub>2</sub>O
л/час
20-25
20-25
Расход дизельного топлива в штатном режиме
л/час
3,0-3,1
2,4-2,5
Соотношение вода/дизельное топливо
(6,5:1)-(8,0:1)Среднее (7,25:1)(87,9:12,1)%
(8,0:1)-(10,4:1)Среднее (9,5:1)(90,5:9,5)%
Наружный диаметр установки
мм
203
203
Тепловая мощность
Гкал
1,0
1,0
Средняя частота срыва пламени по наработке за 1000 часов
шт./час
0,1
0,01