Каталитический генератор теплоты и способ регулирования его мощности
CATALYTIC HEAT GENERATOR AND METHOD FOR REGULATING ITS POWER

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 генератора теплоты, описанный в пат. РФ №2124674, F23C 11/02, 10.01.99. Генератор теплоты 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 генератора теплоты являются:
x
1) Наличие водяной рубашки на корпусе приводит к сильному охлаждению слоя катализатора в зоне горения топлива и, как следствие, увеличению выбросов СО и NO.
2) При отключении отдельной секции рубашки ее температура быстро достигает температуры слоя катализатора 700-800°С. При необходимости вновь повысить мощность генератора теплоты, 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 генератора теплоты в работу, т.к. во время пуска слой катализатора в зоне горения необходимо нагреть до температуры каталитического зажигания топлива 200-400°С (температура зажигания зависит от активности катализатора). За счет рубашки будет происходить сильное охлаждение слоя катализатора.
Известен также способ регулирования тепловой мощности каталитического генератора теплоты, описанный в пат. РФ №2451876, F23C 10/00, 27.05.2012 изменением расхода воздуха, подаваемого на псевдоожижение, и количества сжигаемого топлива за счет изменения размера гранул катализатора и инертного материала и/или плотности гранул катализатора и инертного материала, находящихся в теплогенераторе.
Недостатками известного генератора теплоты и способа регулирования его мощности являются необходимость выгрузки части смеси катализатора и инертного материала из генератора теплоты или полная замена гранул катализатора и инертного материала, находящихся в генераторе теплоты, на гранулы меньшего размера или меньшей их плотности.
Известен каталитический генератор теплоты и способ регулирования тепловой мощности каталитического генератора теплоты за счет изменения поверхности теплообмена, контактирующей с псевдоожиженным слоем катализатора, (прототип), описанный в пат. РФ №2232942, F23D 14/18, F23C 10/00, 20.07.1004. Известный каталитический генератора теплоты 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 генератора теплоты 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 генераторе теплоты во время его работы, что дает возможность изменять величину поверхности теплообменника, контактирующего с катализатором и, следовательно, менять тепловую мощность генератора теплоты без изменения расхода воздуха, воды на теплообменник и сохранении оптимальной температуры в зоне горения топлива 700-800°С.
Недостатком известного способа регулирования тепловой мощности генератора теплоты является невозможность уменьшения тепловой мощности ниже номинальной более чем на 70-80%. При длительной эксплуатации генератора теплоты 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 генератор теплоты и проводить повторный пуск при появлении водоразбора, либо иметь резервный генератор теплоты меньшей мощности. Недостатком известного способа регулирования тепловой мощности является также необходимость выгрузки части смеси катализатора и инертного материала из генератора теплоты.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке способа регулирования тепловой мощности каталитического генератора теплоты, эффективно использующего теплоту при сжигании топлива при экологической чистоте отходящих газов.
Технический результат - снижение тепловой мощности менее чем 20-30% от номинальной без выгрузки части смеси гранул катализатора и инертного материала или их полной замены на гранулы меньшего размера или плотности.
Задача решается конструкцией каталитического генератора теплоты с регулированием тепловой мощности за счет изменения интенсивности теплопередачи от псевдоожиженного слоя к поверхности теплообменника. Каталитический генератор теплоты состоит 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 смеси гранулированного катализатора окисления и инертного материала, выше которой последовательно размещены организующая и неизотермическая насадки, теплообменник, на корпусе под неизотермической насадкой расположен патрубок для выгрузки катализатора и инертного материала, а неизотермическая насадка соединена с вибрационным механизмом.
Задача решается также изменением температуры в псевдоожиженном слое над неизотермической насадкой за счет изменения амплитуды и частоты колебаний неизотермической насадки и изменения количества сжигаемого топлива.
Схема каталитического генератора теплоты изображена на чертеже.
Генератор теплоты 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 (2) для ввода воздуха и предназначена для равномерного распределения воздуха по сечению газораспределительной решетки (3), а при боковом вводе воздуха дополнительно для изменения направления потока воздуха на 90°.
Секция горения (б) отделена от секции подвода воздуха газораспределительной решеткой (3) и имеет патрубки для подачи газообразного (4) или жидкого (5) или твердого топлива (6), патрубок с вентилем или заслонкой для выгрузки катализатора (7). Дополнительно, в секции горения над газораспределительной решеткой размещена объемная организующая насадка (8) перед неизотермической насадкой (9), например, из проволочных решеток с живым сечением 50-90% и величиной отверстий 10-20 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете решеток 85-95%.
Секция теплосъема (в) состоит из теплообменника (10) и объемной неизотермической насадки (9), размещенной под теплообменником над организующей насадкой. Неизотермическая насадка (9) выполнена, например, из проволочных решеток с живым сечением 50-90% и величиной отверстий 2-10 диаметров частиц катализатора и долей свободного объема в пакете решеток 85-95%). Неизотермическая насадка соединена с вибрационным механизмом (11).
В секции теплосъема расположены патрубок входа холодной воды (12), патрубок для выхода нагретой воды (13), сифон (14) с вентилем для слива воды из теплообменника во время остановки генератора теплоты при температурах наружного воздуха ниже 0°С.
Сепарационная зона (г) расположена в верхней части генератора теплоты и имеет патрубок (15) для выхода дымовых газов с устройством против уноса частиц (16), патрубок с вентилем или заслонкой (17) для перегрузки катализатора, патрубок (18) для загрузки инертного материала и катализатора, предохранительную мембрану (19). Загрузка осуществляется с помощью эжектора (20) из бункера (21).
Каталитический генератор теплоты работает следующим образом. В генератор теплоты через патрубок (18) загружают катализатор и инертный материал, количество которых соответствует максимальной мощности генератора теплоты. Воздух по патрубку (2) подается в секцию подвода воздуха (а), проходит газораспределительную решетку (3) в секцию горения (б), куда по патрубкам (4) или (5), или (6) подается топливо (газовое или жидкое или твердое).
Частицы катализатора и инертного материала приводятся в псевдоожиженное состояние под действием восходящего потока воздуха и дымовых газов. В секции горения происходит выделение теплоты за счет сгорания топлива на катализаторе. Горячие дымовые газы, частицы катализатора и инертного материала проходят через неизотермическую насадку (9) в секцию теплосъема, где отдают теплоту теплообменнику, охлаждаются и далее возвращаются 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 и инертного материала (16). Отвод теплоты происходит через поверхность теплообменника (9), 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 генератора теплоты. Вода в теплообменник поступает по патрубку (12) с температурой 40-60°С и выходит из теплообменника (9) с температурой 80-100°С.
Автоматическое регулирование температуры в зоне горения топлива (б) и температуры горячей воды на выходе (13) из генератора теплоты осуществляется путем отключения и включения подачи топлива. При достижении предельной температуры горячей воды, например, 95°С и температуры в зоне горения топлива, например, 800°С происходит отключение подачи топлива. При снижении температуры в зоне горения ниже 800°С и температуры воды ниже 90°С происходит включение подачи топлива. Снижение температуры слоя происходит достаточно быстро. Снижение температуры горячей воды (13) происходит более медленно и поэтому регулирование режимов работы генератора теплоты осуществляется в зависимости от температуры горячей воды, т.е. подача топлива включается только после снижения температуры воды до 90°С. При этом температура слоя в секции горения может понижаться и ниже 700°С.
x
При максимальной мощности потребления тепла в системе отопления, соответствующей максимальной мощности генератора теплоты, температура в секции горения сохраняется в пределах 700-800°С при изменении температуры горячей воды в пределах 5-10°С. С уменьшением теплосъема в системе отопления происходит повышение температуры обратной (холодной) воды (12) выше регламентированной 40-60°С. 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°С. В свою очередь, снижение температуры в секции горения ниже 700°С приводит к уменьшению полноты сгорания топлива и увеличению выбросов СО и NO с дымовыми газами. Поэтому при повышении температуры обратной воды (12) выше предельной включается вибрационный механизм (11) и неизотермическая насадка приводится в колебательное состояние с амплитудой 1-2 мм и частотой 10-50 Гц. При этом уменьшается пропускная способность насадки в отношении частиц катализатора и инертного материала. Это приводит к уменьшению теплообмена между зонами сжигания топлива и зоной теплосъема и, как следствие, снижению температуры в зоне теплосъема и повышению температуры в зоне сжигания топлива. Уменьшением расхода топлива достигается снижение температуры в зоне сжигания топлива до оптимальной 750°С с сохранением температуры в зоне теплосъема 100-700°С.
Обратное повышение мощности генератора теплоты с увеличением теплосъема в системе отопления и снижении температуры обратной воды (12) на входе в теплообменник (9) проводится уменьшением частоты колебаний неизотермической насадки и увеличением расхода топлива.
Пример 1. (прототип).
3
3
3
В генератор теплоты (в соответствии с чертежом) тепловой мощностью 230 кВт загружается 50 л катализатора со средним диаметром гранул 1,5 мм и плотностью 1500 кг/м и 100 л инертного материала со средним диаметром гранул 1,3 мм и плотностью 2500 кг/м. В качестве топлива используется порошкообразный бурый уголь Канско-Ачинского месторождения. Скорость начала псевдоожижения для смеси катализатора и инертного материала 0,6 м/с. Рабочая скорость псевдоожижения катализатора воздухом 1,0 м/с. Организующая насадка состоит из проволочных решеток с ячейкой 30 мм и расстоянием между решетками 30 мм. Толщина проволоки 4 мм. Высота насадки 500 мм. Неизотермическая насадка состоит из проволочных решеток с величиной ячейки 10 мм и расстоянием между решетками 15 мм. Толщина проволоки 4 мм. Количество решеток 5 шт. Вибратор отключен. Температура слоя в зоне сжигания топлива поддерживается 750°С. В зоне теплосъема температура псевдоожиженного слоя 700°С. Теплообменник погружен в слой над неизотермической насадкой. 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. (Прототип). Аналогичен примеру 1.
3
Из генератора теплоты (в соответствии с чертежом) отгружается часть смеси катализатора и инертного материала. При этом уровень псевдоожиженного слоя находится на высоте неизотермической насадки и не касается теплообменника. Температура в слое в зоне сжигания топлива поддерживается на уровне 750°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 69 кВт.
Пример 3. (По изобретению).
3
3
3
В генератор теплоты (в соответствии с чертежом) тепловой мощностью 230 кВт загружается 50 л катализатора со средним диаметром гранул 1,5 мм и плотностью 1500 кг/м и 100 л инертного материала со средним диаметром гранул 1,3 мм и плотностью 2500 кг/м. В качестве топлива используется порошкообразный бурый уголь Канско-Ачинского месторождения. Скорость начала псевдоожижения для смеси катализатора и инертного материала 0,6 м/с. Рабочая скорость псевдоожижения катализатора воздухом 1,0 м/с.Организующая насадка состоит из проволочных решеток с ячейкой 30 мм и расстоянием между решетками 30 мм. Толщина проволоки 4 мм. Высота насадки 500 мм. Неизотермическая насадка состоит из проволочных решеток с величиной ячейки 10 мм и расстоянием между решетками 15 мм. Толщина проволоки 4 мм. Количество решеток 5 шт. Температура слоя в зоне сжигания топлива поддерживается 750°С. Теплообменник погружен в слой над неизотермической насадкой. При включении вибратора на неизотермическую насадку подаются колебания в радиальном направлении с амплитудой - 2 мм и частотой - 20 Гц. В зоне теплосъема устанавливается температура псевдоожиженного слоя 500°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 149 кВт.
Пример 4. Аналогичен примерам 1,3.
3
Температура слоя в зоне сжигания топлива поддерживается 750°С. Теплообменник погружен в слой над неизотермической насадкой. При включении вибратора на неизотермическую насадку подаются колебания в радиальном направлении с амплитудой - 2 мм и частотой - 30 Гц. В зоне теплосъема устанавливается температура псевдоожиженного слоя 400°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 124 кВт.
Пример 5. Аналогичен примерам. 1, 3, 4.
3
Температура слоя в зоне сжигания топлива поддерживается 750°С. Теплообменник погружен в слой над неизотермической насадкой. При включении вибратора на неизотермическую насадку подаются колебания в радиальном направлении с амплитудой - 2 мм и частотой - 40 Гц. В зоне теплосъема устанавливается температура псевдоожиженного слоя 200°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 42 кВт.
Пример 6. Аналогичен примерам 1,3-5.
Температура слоя в зоне сжигания топлива поддерживается 750°С. Теплообменник погружен в слой над неизотермической насадкой.
3
При включении вибратора на неизотермическую насадку подаются колебания в радиальном направлении с амплитудой - 2 мм и частотой - 50 Гц. В зоне теплосъема устанавливается температура псевдоожиженного слоя 120°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 10 кВт.
Таким образом, заявляемый генератор теплоты и способ регулирования его тепловой мощности позволяет увеличить пределы изменения мощности генератора теплоты с псевдоожиженным слоем катализатора, не меняя его конструктивных параметров и не уменьшая высоты псевдоожиженного слоя, т.е. без отгрузки части смеси катализатора и инертного материала с сохранением экологически чистого сжигания топлив при максимальном КПД 0.93-0,96.