СПОСОБ СЖИГАНИЯ ТОПЛИВА
FUEL COMBUSTION METHOD

Способ предназначен для эффективного нагрева основного теплоносителя при помощи промежуточного теплоносителя, которым является парогазовая смесь. Изобретение относится к способам глубокой утилизации теплоты уходящих продуктов сгорания и может быть использовано в автономных теплогенераторах и в системах утилизации дымовых газов.
Известен способ утилизации теплоты уходящих газов за счет насыщения водяными парами потока газов, путем его пропускания через пленку конденсата, и дальнейшей конденсации в теплообменном аппарате (RU 2069811 С1, 27.11.1996, F22B 1/18). Конденсация водяных паров образованной парогазовой смеси позволяет значительно снизить температуру выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания.
х
Недостатками этого способа является проведение процесса горения при высокой температуре (1500-2000°С), что сопровождается образованием вредных примесей (МО, СО и др.), которые выбрасываются в атмосферу вместе с основной частью дымовых газов, а также отсутствие подогрева топлива (газа) и дутьевого воздуха, что отрицательно сказывается на эффективности процесса горения.
Наиболее близким к изобретению является способ сжигания топлива, в соответствии с которым после прохождения дымовых газов через технологический теплообменник и два радиально-спиральных теплообменника, подогревающих газовоздушную смесь и природный газ, часть этих дымовых газов поступает на образование указанной газовоздушной смеси (RU 2347977 С1, 27.02.2009, F23C 9/00). Указанный способ принят за прототип.
Выявлены следующие недостатки этого способа:
- наличие ограничений по минимальной температуре нагреваемой среды (не менее 180°С для жидкости) на входе в технологический теплообменник;
- необходимость очистки получаемого конденсата перед его полезным использованием;
- необходимость наличия потребителя конденсата в непосредственной близости;
- необходимость использования двух дорогостоящих теплообменных аппаратов радиально-спирального типа;
- необходимость использования высокоэффективного или крупногабаритного технологического теплообменника (для нагреваемой среды), который будет способен охладить поток сухих дымовых газов от 1100°С до 200°С.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплообмена за счет использования парогазовой смеси в качестве промежуточного теплоносителя, полезное использование получаемого конденсата без очистки, а также снижение общей стоимости осуществления предложенного способа.
Технический результат достигается способом сжигания топлива, заключающимся в том, к дутьевому воздуху подмешивают часть охлажденных дымовых газов, образовавшуюся газовоздушную смесь вентилятором нагнетают в подогреватель газовоздушной смеси, в котором она нагревается за счет теплоты дымовых газов и вместе с топливом подают на горение, а часть охлажденных дымовых газов направляют на рециркуляцию для подмешивания к вновь поступающему холодному воздуху.
Кроме того, после подогревателя газовоздушной смеси осуществляют впрыск в поток дымовых газов конденсата, полученного в технологическом теплообменнике, а образовавшуюся парогазовую смесь конденсируют в технологическом теплообменнике.
Кроме того, регулирование температуры и насыщенности парогазовой смеси, поступающей к технологическому теплообменнику, установленному после подогревателя газовоздушной смеси, осуществляют изменением количества впрыскиваемого конденсата.
Кроме того, излишки конденсата, образующиеся за счет конденсации водяных паров продуктов сгорания, отбирают из замкнутого контура конденсата и подают в подогреватель топлива для подогрева природного газа.
Впрыск конденсата из технологического теплообменника в поток дымовых газов приводит к образованию парогазовой смеси, насыщенность и температура которой регулируется изменением количества впрыскиваемого конденсата. Испарение впрыскиваемого конденсата сопровождается интенсивным поглощением теплоты продуктов сгорания и снижением температуры образующейся смеси. Таким образом, толщина изоляционного слоя участка трубопровода с парогазовой смесью может быть меньше, чем при использовании дымовых газов, без увеличения тепловых потерь в окружающую среду.
Конденсация водяных паров парогазовой смеси в технологическом теплообменнике сопровождается интенсивным выделением теплоты. Не смотря на меньшую температуру по сравнению с дымовыми газами, теплосодержание потока парогазовой смеси больше. Кроме того, для конденсации парогазовой смеси требуется меньшая поверхность теплообмена, то есть более компактный теплообменник.
Использование парогазовой смеси в качестве промежуточного теплоносителя особенно эффективно для нагревания низкотемпературных теплоемких сред, например холодной воды. С другой стороны, имеется верхняя граница диапазона допустимых температур нагреваемой среды. Так предлагаемый способ не применим для подогрева среды с начальной температурой более 100°С, так как в этом случае конденсация водяных паров парогазовой смеси будет затруднена.
x
Рециркуляция части охлажденных продуктов сгорания в поток дутьевого воздуха позволяет снизить адиабатическую температуру горения топлива, которая обратно пропорциональна доле дымовых газов, подаваемых на горение газовоздушной смеси. Снижение адиабатической температуры горения приводит к сокращению количества образующихся вредных веществ (NO, CO) и снижению агрессивности дымовых газов и парогазовой смеси по отношению к контактным поверхностям трубопроводов и теплообменных аппаратов.
Для сжигания топлива в сильно разбавленном дымовыми газами воздухе должны применяться каталитические или беспламенные горелки, так как факельные горелки не могут обеспечить стабильный процесс горения.
Подогрев газовоздушной смеси можно осуществлять в подогревателе газовоздушной смеси, через который для рекуперации тепла пропускают дымовые газы. С одной стороны, происходит подогрев компонента топливной смеси, что способствует эффективному сжиганию топлива, с другой - осуществляется предварительное охлаждение продуктов сгорания перед впрыском конденсата.
Впрыск конденсата осуществляется после подогревателя газовоздушной смеси, так как парогазовая смесь несколько агрессивнее к контактным поверхностям, чем сухие продукты сгорания, а интенсивности теплообмена с дымовыми газами и парогазовой смесью без конденсации сопоставимы.
Глубокое охлаждение продуктов сгорания приводит к увеличению количества введенного в замкнутый контур конденсата после каждого цикла испарения/конденсации на массу водяных паров, образующихся при горении. Таким образом, образующиеся излишки конденсата в контуре можно использовать для подогрева топлива.
На фиг.1 представлена принципиальная технологическая схема сжигания топлива с использованием парогазовой смеси в качестве промежуточного теплоносителя и глубокой рекуперацией теплоты уходящих продуктов сгорания.
На фиг.2 представлена зависимость температуры получаемой парогазовой смеси от количества впрыскиваемого в поток дымовых газов конденсата.
На фиг.3 представлена зависимость отношения необходимых площадей поверхностей теплообмена с впрыском конденсата и без впрыска от количества впрыскиваемого в поток дымовых газов конденсата.
Предлагаемый способ использования парогазовой смеси в качестве промежуточного теплоносителя осуществляется следующим образом.
Представлена принципиальная технологическая схема установки с рециркуляцией части уходящих дымовых газов, подогревом топлива и газовоздушной смеси и глубокой рекуперацией теплоты за счет использования парогазовой смеси, получаемой впрыском конденсата в поток дымовых газов (фиг.1).
Природный газ и газовоздушная смесь (воздух с добавленной в него частью уходящих дымовых газов) вентилятором 5 нагнетаются в горелку 1, где осуществляется сжигание топлива. Образовавшиеся продукты сгорания проходят через подогреватель газовоздушной смеси 2. Затем в газовоздушный тракт впрыскивается конденсат из технологического теплообменника 3. Давление, необходимое для эффективного распыления конденсата, создается насосом 6. Впрыск конденсата приводит к активному парообразованию и формированию парогазовой смеси (ПГС). Температура ПГС регулируется количеством впрыскиваемого конденсата. Полученная парогазовая смесь поступает в технологический теплообменник 3, где полностью конденсируется. В результате конденсации ПГС образуется конденсат, который насосом 6 подается на впрыск, и сухие дымовые газы с температурой менее 100°С, которые отводятся в атмосферу. Излишки конденсата отбираются из контура конденсата и направляются в подогреватель топлива 4.
Представлена зависимость температуры получаемой парогазовой смеси от количества впрыскиваемого в поток дымовых газов конденсата при соотношении "дымовые газы - природный газ", равном 11:1. Как следует из диаграммы, чем больше количество впрыскиваемого конденсата, тем ниже температура получаемой парогазовой смеси.
3
3
Представлена зависимость отношения необходимых площадей поверхностей теплообмена с впрыском конденсата и без впрыска от количества впрыскиваемого в поток дымовых газов конденсата при соотношении "дымовые газы - природный газ", равном 11:1. Как следует из диаграммы, в указанных условиях (адиабатическая температура горения 1200°С, температура впрыскиваемого конденсата 90°С, нагреваемая вода нагревается от 10° до 80°С) максимальный прирост эффективности теплопередачи возникает при впрыске 5 кг конденсата на 1 нм природного газа. Впрыск конденсата в количестве более 17 кг на 1 нм природного газа приводит к снижению эффективности теплопередачи.
Результаты расчетов, проиллюстрированные на диаграммах (фиг.2 и 3), показывают следующее:
а) впрыском конденсата можно добиться значительного снижения температуры теплоносителя (парогазовой смеси) без значительных потерь тепловой эффективности процесса;
3
б) при соотношении "дымовые газы - природный газ", равном 11:1 (адиабатическая температура горения 1200°С) и впрыске 5 кг конденсата на 1 нм природного газа (температура парогазовой смеси 667.666°С), можно достигнуть снижения необходимой площади поверхности технологического теплообменника, по сравнению с режимом без впрыска, на 11.4%.