Теплогенерирующая установка
HEAT-GENERATING INSTALLATION

Изобретение относится к области котлостроения, в частности к теплогенерирующим установкам для получения горячей воды с температурой до 95°C.
Известен способ теплообмена между тепловым полем продуктов сгорания топлива и водой и устройством для его осуществления - контактным водонагревателем эрлифтного типа [Кучухидзе Д.Г. Разработка и исследование контактных водонагревателей с циклонными топками. Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук].
Недостатком известного способа является то, что теплообмен между продуктами сгорания и жидкостью происходит по поверхностям ограниченным внутренней геометрией устройства, что существенно снижает интенсивность теплообмена, а наличие в устройстве (контактном водонагревателе эрлифтного типа) эрлифтных трубок усложняет конструкцию устройства для осуществления способа, снижает надежность работы из-за возможности отложений накипи и шлама в эрлифтных трубках, а также увеличивает его материалоемкость.
Известно устройство, контактный водонагреватель [А.С. 376636 (СССР). Контактный водонагреватель. Ю.П. Соснин], в котором нагреваемая вода поступает по трубе в нижнюю зону корпуса и постепенно поднимается вверх. На уровне щита в слой жидкости с большой скоростью через щель входят образовавшиеся в камере сгорания дымовые газы. Струя газов, обладающая определенной кинетической энергией, при ударе о воду разбивается на множество мелких пузырьков, в результате чего, предположительно, создается развитая межфазная поверхность, через которую происходит тепло- и массообмен между газами и водой. Пузырьки газов, всплывая вверх под действием гравитационных сил, увлекают за собой близлежащие слои воды. Газожидкостная эмульсия поднимается вверх и в верхней ее зоне ударяется об отражатель. При этом двухфазная система газ-жидкость разрушается. Газ в виде продуктов сгорания и водяного пара поднимается вверх, а нагретая вода поступает в сборник и затем самотеком выливается к потребителям.
Недостатком известного устройства является то, что образование мелких капель идет недостаточно интенсивно при ударе струи газов о поверхность воды, имеющих ~800-кратное соотношение плотности жидкости и газов, что не позволяет должным образом подготовить условия для интенсивного межфазного теплообмена. Энергопотребление и материалоемкость устройства высокая.
Наиболее близким к предложенному устройству является котел водогрейный для осуществления способа контактного теплообмена [Патент RU 2619429 «Способ контактного теплообмена и устройство для его осуществления»], включающий горелочное устройство, камеру сгорания, содержащую камеру смешения, завихритель, камеру орошения, сепаратор-водоотделитель.
Недостатком известного устройства является то, что не проработаны устройство подачи питательной воды и организация потоков парогазовой смеси для обеспечения максимальной конденсации водяных паров, что снижает КПД устройства. Также не решен вопрос надежной циркуляции теплоносителя в системе «котел - система теплоснабжения».
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД теплогенерирующей установки, независимость от качества питательной воды, экологичность и безопасность эксплуатации теплогенерирующей установки, а также интенсификация теплообмена в котле водогрейном контактного теплообмена конденсационного типа.
1
2
Указанный технический результат достигается за счет теплогенерирующей установки, включающей котел водогрейный контактного теплообмена конденсационного типа, питательный насос, циркуляционный насос, гидрораспределитель, дозатор комплексоната и водошламосборник. В котле водогрейном контактного теплообмена конденсационного типа, включающем горелочное устройство, камеру сгорания, имеющую камеру парообразования и смешения с газами факела, завихритель, камеру орошения, сепаратор-водоотделитель, подача питательной воды осуществляется на распылительные форсунки и форсунки орошения, расположенные в камере сгорания, причем распылительные форсунки камеры сгорания размещены тангенциально в обхват вокруг горелки, а форсунки орошения - встречно образующемуся газопотоку в обхват факела горелки камеры сгорания. Питательная вода подается двумя потоками в соотношении: первый - на распылительные форсунки ~4,7% и второй - на форсунки орошения ~94,3% от общего расхода питательной воды. В котле водогрейном контактного теплоообмена конденсационного типа теплообмен протекает путем контакта теплового поля факела с водой в капельном состоянии, посредством первичного аккумулирования всей энергии факела (радиационной и конвективной составляющих) в теплоте парообразования капель (d≤0,2 мм) воды в объеме ~4,7% от массы общего количества нагреваемой воды, с образованием динамичной парогазовой смеси и последующего интенсивного энергообмена парогазовой смеси адгезионно-конденсационным теплообменом с каплями (d≥0,4 мм) основной массы воды в объеме ~94,3%. При интенсивном турбулентном контактировании парогазовой смеси с каплями орошения, первичные капли конденсируются на каплях (более холодной) родственной капельной жидкости. Камера сгорания выполнена тупиковой посредством установки цилиндрического экрана вокруг факела пламени в камере орошения. В результате увеличивается время контакта парогазовой смеси и орошающих капель жидкости, что способствует более полной конденсации водяных паров. В сепараторе-водоотделителе в результате встречного движения дымовых газов и питательной воды, подаваемой в сепаратор-водоотделитель, происходит отделение частично уносимой капельной влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах. Количество питательной воды, подаваемой на сепаратор-водоотделитель, определяется тепловым балансом и составляет примерно 1% от общего расхода питательной воды.
Для надежности циркуляции сетевой и питательной воды при изменении нагрузки на теплогенерирующую установку, гидрораспределитель подключается через обратный клапан к водошламосборнику на уровне водошламосборника в горизонтальном положении, чем предотвращается осушение водошламосборника, что может привести к срыву работы питательного насоса, или переполнение контура циркуляции, что может привести к затоплению камеры орошения.
2
В целом происходит повышение КПД, независимость от качества питательной воды, экологичность и безопасность эксплуатации теплогенерирующей установки. Также повышается КПД котла водогрейного, контактного теплообмена конденсационного типа, вследствие использования тепла конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах; снижается материалоемкость котла водогрейного, контактного теплообмена конденсационного типа и его стоимость, вследствие снижения его габаритов при более интенсивной теплопередаче; снижаются требования к качеству питательной воды с точки зрения накипеобразования на поверхностях нагрева, т.к. поверхностью нагрева являются капельки воды, и накипь образуется в виде шлама, удаляемого с продувкой; повышается экологичность, за счет промывки каплями орошающей воды дымовых газов, поглощающими вредные газовые выбросы (СО, CO, оксиды азота); повышается безопасность эксплуатации, т.к. корпус котла не находится под давлением. Получаемые вредные жидкие стоки существенно дешевле обезвреживаются и утилизируются локальным захоронением или возвратом в химическую промышленность по сравнению с обезвреживанием газовых выбросов.
На фиг. 1 показана схема теплогенерирующей установки.
Схема включает в себя следующие элементы: 1 - камера сгорания, 2 - камера парообразования и смешения с газами факела, 3 - камера орошения, 4 - горелочное устройство, 5 - подвод топлива, 6 - подвод воздуха, 7 - факел пламени, 8 - гидрораспределитель, 9 - распылительные форсунки, 10 - спирально закрученная капельно-испаряемая вода, 11 - поток орошающих нагреваемых капель, 12 - завихритель, 13 - питательный насос, 14 - форсунки орошения, 15 - обратная сетевая вода, 16 - дозатор комплексоната, 17 - сепаратор-водоотделитель, 18 - водошламосборник, 19 - сетевой насос, 20 - горячая сетевая вода, 21 - продувка шлама, 22 - отходящие дымовые газы, 23 - цилиндрический экран, 24 - обратный клапан.
Теплогенерирующая установка включает в себя котел водогрейный, контактного теплообмена конденсационного типа, питательный насос, циркуляционный насос, гидрораспределитель, дозатор комплексоната, водошламосборник.
Котел водогрейный контактного теплообмена конденсационного типа, включает горелочное устройство; камеру сгорания, имеющую камеру парообразования и смешения с газами факела; распылительные форсунки и форсунки орошения; завихритель; сепаратор-водоотделитель и камеру орошения, содержащую цилиндрический экран.
Топливо 5 (жидкое или газообразное) подается в горелочное устройство 4, в котором смешивается с подаваемым воздухом 6 (избыток воздуха определяется характеристиками горелки, в зависимости от вида сжигаемого топлива) и сжигается факельным способом. От питательного насоса питательная вода подается на распылительные форсунки и форсунки орошения камеры сгорания, причем на распылительные форсунки подается ~4,7%, а на форсунки орошения - ~94,3% от общего расхода питательной воды. Вокруг факела пламени 7 капельно и тангенциально впрыскивается питательная вода через распылительные форсунки камеры сгорания 9 потоком спирально закрученной капельной испаряемой воды 10 камеры сгорания 1 с помощью нагнетания питательным насосом 13 обратной сетевой воды 15, забираемой из гидрораспределителя 8, для:
- капельно-испарительного охлаждения стенки камеры сгорания 1 и горелочного устройства 4;
- поглощения радиационной составляющей теплового поля факела - образуя радиационный экран;
1
- образования пара (средний размер капель по полноте испарения d≤0,2 мм) обеспечивающего формирование энергоемкого фазового состояния воды, родственного последующей орошающей воде.
2
2
Образующаяся тангенциально-закрученная расширяющаяся парогазовая смесь, перемешивается с образующимися газами факела пламени 7 с помощью завихрителя 12, расположенного в камере парообразования и смешения с газами факела 2. В камеру орошения 3 камеры сгорания 1 подается питательная вода через форсунки орошения 14 нагревательного контура с помощью отвода от питательного насоса 13. Ввод распыленной питательной воды осуществляется конусообразно, с омыванием стенок камеры орошения 3 и цилиндрического экрана 23 для предотвращения их перегрева. Процесс тепло-массообмена протекает интенсивно, т.к. турбулизированная парогазовая смесь интенсивно контактирует с родственной и более холодной капельной жидкостью находящейся в мелкодисперсном состоянии, размеры капель по минимизации испарения d≥0,4 мм. Камера сгорания выполнена тупиковой, посредством установки цилиндрического экрана 23 вокруг факела пламени 7 в камере орошения 3, что увеличивает время контакта парогазовой смеси и способствует более полной конденсации водяных паров. Нагретая вода стекает в водошламосборник 18, который является гидрозатвором и шламоотделителем. Нагретая вода из водошламосборника через обратный клапан 24 самотеком поступает в гидрораспределитель 8. Обратный клапан предохраняет котел от переполнения водой при изменениях нагрузки котла. При этом гидрораспределитель устанавливается на уровне водошламосборника в горизонтальном положении для обеспечения самотечного удаления нагретой воды из котла. Из гидрораспределителя 8 сетевым насосом 19 сетевая горячая вода 20 подается потребителю. Скопившийся в нижней части водошламосборника 18 шлам удаляется с продувкой шлама 21. Отходящие дымовые газы 22 очищаются от капелек влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах в сепараторе-водоотделителе 17, расположенном на выходе из камеры сгорания, и удаляются в атмосферу. Вредные газовые выбросы (СО, CO, оксиды азота) поглощаются водой.
Пример осуществления способа.
Теплогенерирующая установка предназначена для получения горячей воды с температурой не более 95°C для нужд теплоснабжения, а также эффективна для систем с невозвратом теплоносителя, например, при закачке теплоносителя в нефтяные пласты для увеличения их нефтеотдачи, т.к. в случае применения обычных теплогенераторов (с теплопередающими поверхностями: водотрубными, жаротрубными и газотрубными) требуется водоподготовительная установка большой производительности, что в условиях транспортабельной установки не приемлемо. Температура обратной сети нижним пределом не лимитируется (в обычных теплогенерирующих установках температура обратной сетевой воды ограничивается температурой 70°C, что связано с предотвращением образования конденсата на хвостовых поверхностях нагрева). В предлагаемой теплогенерирующей установке температура обратной сетевой воды может быть ниже 70°C, в зависимости от потребителя.
Теплогенерирующая установка предназначена для работы на газообразном или жидком топливе и, соответственно, включает горелочное устройство, к которому подводится топливо и воздух. При сжигании топлива образуется факел в камере сгорания.
3
3
3
Питательный насос обеспечивает подвод питательной воды на распылительные форсунки и форсунки орошения камеры сгорания, причем распылительные форсунки расположены тангенциально в обхват вокруг горелки, форсунки орошения - встречно образующемуся газопотоку в обхват факела горелки камеры сгорания. Питательная вода подается двумя потоками в соотношении первый - на распылительные форсунки ~4,7% и второй - на форсунки орошения ~94,3% от общего расхода питательной воды, а камера сгорания выполнена тупиковой, посредством установки цилиндрического экрана вокруг факела пламени в камере орошения. Например, при мощности установки 3,0 МВт, расход оборотной воды 102,9 м/ч: первый поток - 5,9 м/ч; второй поток - 97 м/ч.
1
Через форсунки испарительного контура (первый поток) с помощью питательного насоса распыляется питательная вода с тангенциальной подачей в охват факела пламени, со средним размером капель d≤0,2 мм  - по условию полноты испаряемости, в количестве ~4,7% от общей массы воды. Температура дымовых газов при этом снижается и стенки камеры сгорания горелки и корпуса котла не перегреваются.
2
2
В камеру орошения камеры сгорания подается основная масса питательной воды (второй поток ~94,3%) потоком через форсунки орошения с распылением на капли размером d≥0,4 мм - по условию неиспаряемости, с помощью питательного насоса. Сетевой теплоноситель нагревается конденсационно-контактно парогазовой смесью до температуры 95°C в оросительной камере. При непосредственном соприкосновении капель жидкости и потока газов, коэффициент теплопередачи достигает 20…50 кВт/(м*К), а поверхность теплообмена зависит от необходимой степени распыления (параметров факела), определяемой конструкцией форсунки. Время пребывания частиц в зоне контакта увеличивается за счет применения цилиндрического экрана вокруг факела пламени в камере орошения, который образует «тупиковую» камеру.
Дымовые газы удаляются через дымовую трубу, проходя предварительно через сепаратор-водоотделитель, расположенный на выходе из камеры сгорания. В сепараторе-водоотделителе в результате встречного движения дымовых газов и питательной воды, подаваемой с расходом ~1% от общего расхода питательной воды, в частности, на дырчатый (перфорированный) лист, происходит отделение уносимой капельной влаги и влаги, конденсируемой из дымовых газов при снижении температуры дымовых газов ниже температуры точки росы влаги, содержащейся в испаренном виде в дымовых газах. Высота дымовой трубы может быть снижена вследствие повышения экологичности газовых выбросов.
Питательная вода подается к форсункам камеры сгорания центробежным питательным насосом под нормируемым форсунками давлением 0,15-0,5 МПа (например, форсунки www.spray expert.ru) двумя потоками, причем сечение форсунок осуществляется путем подбора суммарного сечения пропорционально заданным соотношениям расходов потоков (на распылительные форсунки ~4,7% и на форсунки орошения ~94,3% от общего расхода питательной воды), т.к. давление перед форсунками одинаково. Уходящие газы имеют температуру ниже 70°C, что ниже температуры уходящих газов для обычных котлов (рекомендуется 110-140°C, в зависимости от характеристик топлива и мощности котла). В связи с этим снижаются потери тепла с уходящими газами и, соответственно, повышается КПД (снижение температуры уходящих газов на 12-15°C повышает КПД примерно на 1%). Также возможно повышение КПД котла за счет утилизации тепла конденсации водяных паров дымовых газов с использованием высшей теплотворной способности топлива, что дополнительно может повысить КПД котла на 5-6%.
Скопившийся в нижней части сборника шлам (интенсификация образования которого осуществляется за счет добавляемого в питательную воду комплексоната, например, ОЭДФ-Zn, НТФ-Zn) удаляется с продувкой, а также удаляется часть воды, накопляющаяся в результате конденсации водяных паров из дымовых газов.
Для надежности циркуляции сетевой и питательной воды гидрораспределитель подключается через обратный клапан к водошламосборнику на уровне водошламосборника в горизонтальном положении, и таким образом предотвращается осушение, что может привести к срыву работы питательного насоса, или переполнение контура циркуляции, что может привести к затоплению камеры орошения, при изменении нагрузки на установку.