METHOD OF PRODUCING PURE STEAM WITH SUBSEQUENT CONDENSATION THEREOF TO OBTAIN DESALINATED WATER
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОГО ПАРА С ПОСЛЕДУЮЩЕЙ КОНДЕНСАЦИЕЙ ЕГО С ПОЛУЧЕНИЕМ ОБЕССОЛЕННОЙ ВОДЫ

Изобретение относится к области энергетики и химической технологии.
Существует несколько способов получения чистой обессоленной воды: способ термического обессоливания, способ химического обессоливания и способ обратного осмоса.
Процесс дистилляции или термического обессоливания воды в испарительных установках заключается в том, что находящаяся в испарителях вода переводится в пар, который в последующем конденсируется в охладителях.
Известны установки термического обессоливания воды (см. Интернет «Термическое обессоливание воды»). На многих станциях восполнение потерь конденсата производится дистиллятом, который получается из химически обработанной воды в испарительных установках. Этот метод подготовки добавочной воды называется термическим обессоливанием воды. Однако оборудование этих установок сложное. Для нагрева и испарения воды используется рабочий пар от паровых котлов, отдающий тепло через поверхности нагрева.
В испарителях нагрев воды совмещен с испарением, что приводит к отложению солей на поверхностях нагрева, к уносу водяных капель паром, что снижает качество пара и конденсата. Конденсат приходится дочищать химически.
При термическом обессоливании воды на испарители подается умягченная вода. Для обеспечения необходимой степени регенерации катионитов требуется расход реагентов, в 2-3 раза (а иногда и более) превышающий стехиометрический расход. Естественно, что это способствует более интенсивному загрязнению водоемов сбросными солями водоочистки.
Высокое качество пара, полученного из испаренной воды, и высокое качество полученного из него конденсата (обессоленной воды) дает способ, при котором нагрев воды отделен от парообразования. Нагрев воды производят в водонагревателе или водогрейном котле. Затем воду, перегретую выше температуры насыщения пара, направляют в центробежно-вихревой парогенератор (ЦВП), где придают ей вращательное движение с увеличением скорости закрутки и со снижением давления, (см. Парогенераторы Авт. свидетельства СССР №419687 и журнал «Изобретатель и рационализатор» №11 за 1976 год; а.с. СССР №1453113; Патенты РФ №2090512, 2373461, 2412909, 2139475). При этом способе отсутствует унос капель жидкости с полученным паром за счет центробежной сепарации капель в ЦВП.
Для технологии некоторых производств и для паровых котлов высокого давления, работающих на обессоленной воде, требуется обессоленная вода высокого качества (конденсат, полученный из пара паровых котлов низкого и среднего давления, работающих на умягченной (химочищенной воде - ХОВ), не соответствует требованиям качества для котлов высокого давления и для некоторых технологий). Даже конденсат пара котлов высокого давления не соответствует стандарту обессоленной воды для котлов-утилизаторов установок ПГУ. Приходится покупать дорогую технологию обессоливания воды за рубежом.
Например: 1. На заводе требуется обессоленная вода высокого качества (ранее завод имел неофициальное название пороховой). Завод расположен рядом с ТЭЦ и получает пар от ТЭЦ по трубопроводу. Конденсат этого пара недостаточно чистый и не годится для технологических целей. Пар используют в отопительных приборах, а конденсат очищают путем вторичной перегонки, получая обессоленную воду высокого качества. 2. На заводе синтетического каучука технология производства основана на обессоленной воде, которую получают химическим путем, пропуская исходную воду через систему катионитовых и анионитовых фильтров. Стоимость обессоленной воды высокая. Завод имеет мощную котельную с паровыми котлами низкого давления, но конденсат, полученный из пара этих котлов, не используется в технологии из-за несоответствия требуемому качеству.
В качестве прототипа можно выбрать способ центробежно-вихревой генерации пара из перегретой воды с последующей конденсацией пара и получением чистого конденсата (обессоленной воды), описанный в любом из указанных выше изобретений (см. Парогенераторы Авт свидетельства СССР №419687 и журнал «Изобретатель и рационализатор» №11 за 1976 год, а.с. СССР №1453113, Патенты РФ №2090512, 2373461,2412909, 2139475), например, авт.свидетельство СССР №1453113; Патент РФ №2090512.
Известный способ получения чистого пара из воды с последующей его конденсацией и получением обессоленной воды, заключающийся в том, что рабочую воду нагревают в водонагревателе (теплообменнике или водогрейном котле) выше температуры насыщения, придают ей вращательное движение в центробежно-вихревом парогенераторе (ЦВП) с уменьшением радиуса закрутки и со снижением давления, обеспечивающим вскипание воды и образование чистого пара. Чистый пар отводят в конденсатор, а отработанную, частично испаренную и охлажденную за счет испарения воду отводят от ЦВП, добавляют испаренное количество воды (равное количеству отобранного от ЦВП пара), нагревают выше температуры насыщения и возвращают в ЦВП для повторного парообразования. Рабочую воду заставляют циркулировать по замкнутому контуру - (циркуляционный насос-подогреватель воды - центробежно-вихревой парогенератор (ЦВП)/испаряющий часть воды и обеспечивающий отвод чистого пара в конденсатор/ - циркуляционный насос), снова нагревают и направляют в ЦВП.
Недостатком этого способа является то, что концентрация солей в контуре испаряемой рабочей воды постоянно возрастает. Это приводит к необходимости иметь в циркулирующей по замкнутому контуру рабочей воде повышенное содержание солей - большее, чем в исходной (за счет частичного испарения воды), что ухудшает качество пара и конденсата и требует постоянной продувки (сброса в канализацию части рабочей воды).
Целью настоящего изобретения является упрощение и удешевление технологии получения обессоленной воды высокого качества для технологических нужд и для питания паровых котлов высокого давления, при наличии источника условно загрязненного пара (паровых котлов).
Указанная цель достигается тем, что в известном способе получения чистого пара в в центробежно-вихревом парогенераторе (ЦВП) путем нагрева рабочей воды, циркулирующей по замкнутому контуру, до температуры выше температуры насыщения чистого пара, закручивания потока этой воды с уменьшением радиуса закрутки и со снижением давления, с парообразованием и с отделением пара от воды, с отводом воды из ЦВП, охлажденной за счет парообразования, с отводом пара из ЦВП и конденсацией его с получением обессоленной воды, нагрев рабочей выше температуры насыщения чистого пара производят за счет прямого контакта условно загрязненного рабочего пара с рабочей водой перед подачей воды в ЦВП или непосредственно в ЦВП, при этом рабочую воду перед прямым контактом с рабочим паром охлаждают ниже температуры насыщения чистого пара.
Предложенный способ можно осуществить в описанном ниже ЦВП (фиг.1) с использованием схем, описанных на фиг.2 и 4.
На фиг.1 показан продольный разрез центробежно-вихревого парогенератора;
на фиг.2 - схема получения чистого пара с последующей конденсацией его с получением обессоленной воды (вариант 1 с подачей рабочего пара непосредственно в ЦВП);
на фиг.3 - продольный разрез контактного пароводяного нагревателя (патент РФ №2210043 с названием «Кинетический насос-теплообменник»);
на фиг.4 - схема получения чистого пара с последующей конденсацией его с получением обессоленной воды (вариант 2 с нагревом рабочей воды в контактном центробежно-вихревом теплообменнике-нагревателе - ЦВКТ - фиг.3);
на фиг.5 - продольный разрез центробежно-вихревого контактного пароводяного нагревателя ЦВКТ, могущего транспортировать рабочую воду (вариант, когда контактный водонагреватель является одновременно и насосом, когда в схеме фиг.4 будет отсутствовать насос 14).
на фиг.6 - то же, что и на фиг.5, только рабочее колесо насоса вынесено из корпуса нагревателя в отдельный корпус насоса.
На контактный пароводяной водонагреватель (фиг.5 и 6) имеется Решение от 25 октября 2010 г. на выдачу Патента РФ на изобретение по заявке №2009121084 под названием «Аппарат, выполняющий функции тепломассообменника, турбины и насоса-ТНТ).
ЦВП имеет цилиндрический корпус 1 с верхней 2 и нижней 3 крышками, имеющий перфорации 4 (или тангенциальные сопла) в верхней части корпуса и перфорации 5 в нижней части корпуса. На верхней крышке находится патрубок 6 отвода вторичного (чистого) пара. Корпус перегораживает кольцевая перегородка 7 (шайба). Шайба 7 разделяет корпус ЦВП на входной и выходной отсеки и обеспечивает необходимую толщину кольца вращающейся воды между стенкой корпуса и границей раздела фаз. К верхней части корпуса 1 присоединены тангенциальные патрубки 8 подвода рабочей воды. Вокруг перфораций 4 имеется кольцевой паровой коллектор 9 с подводящим паропроводом 10 (при втором способе нагрева воды в предвключенном центробежно-вихревом контактном теплообменнике ЦВКТ коллектор 9, паровой патрубок 10 и перфорации 4 не устанавливаются), а вокруг перфораций 5 имеется коллектор 11 с отводящим трубопроводом 12 отработавшей рабочей воды. Цифрой 13 обозначена граница раздела фаз (вертикальный уровень воды)
Замкнутый контур циркуляции воды (фиг.2 и 4) включает в себя циркуляционный насос 14, нагнетательный трубопровод 15 (соединенный с патрубком 8 ЦВП непосредственно (фиг.2), в варианте схемы (фиг.4) - с патрубком 8 через контактный теплообменник 32), трубопровод 16, отводящий отработанную воду от патрубка 12 ЦВП, теплообменник 17 - охладитель рабочей воды. На трубопроводе 16 после теплообменника установлена емкость 18 с регулируемым уровнем воды (излишки конденсата, образующегося из пара от котлов, отводятся по трубе 19 в питательный бак 20 котла 23). На трубопроводе 19 установлен клапан 22, регулирующий уровень воды в баке 18 и сбрасывающий излишки образовавшегося конденсата (полученного из рабочего пара) в питательный бак 20 парового котла. (В связи с тем, что рабочего пара поступает в ЦВП больше, чем отводится вторичного пара, в циркуляционном контуре рабочей воды циркулирует конденсат рабочего пара. Даже если первоначально циркуляционный контур будет залит умягченной химочищенной водой - ХОВ вместо конденсата рабочего пара, через определенное время непрерывной эксплуатации рабочая вода самопроизвольно заменяется конденсатом условно загрязненного рабочего пара, в котором многократно меньше солей, чем в ХОВ).
В схеме установки имеется паровой котел 23 с паропроводом 10, питательный насос 24, питательный бак 20, подводящий трубопровод 25 химочищенной воды (ХОВ). На паропроводе 6 вторичного (чистого) пара установлен клапан-регулятор 26 давления пара (до себя), конденсатор 27 (им может быть отопительный пароводяной теплообменник), конденсатный бак 28 чистого конденсата с откачивающим конденсатным насосом 29. Трубопровод 31 служит для первичного наполнения системы рабочей водой (конденсатом рабочего пара или, при его отсутствии, умягченной водой).
Схема варианта 2 (фиг.4) отличается только тем, что рабочая вода по трубопроводу 15 и пар по паропроводу 10 поступают в центробежно-вихревой контактный теплообменник 32 (ЦВКТ) - нагреватель рабочей воды, из которого перегретая выше температуры насыщения вода поступает в ЦВП (в подводящие патрубки 8).
Центробежно-вихревой контактный теплообменник 32 (ЦВКТ), изображенный на фиг.3, имеет входную камеру 33 предварительной закрутки воды за счет тангенциального патрубка 34 подвода рабочей воды. Шайба 35 разделяет камеру 33 от камеры нагрева 36 (она же камера раскрутки воды). Вокруг камеры 36 имеется (один или несколько) паровых коллекторов 37 с подводящими паровыми патрубками 10а, к которым подведен паропровод 10 от парового котла. Паровые коллекторы 37 соединены с камерой 36 тангенциальными паровыми соплами 38. После камеры имеется камера 39, в которой раскрученный поток воды переходит на больший радиус закрутки. За счет этого скорость воды падает, а давление воды возрастает. Далее вода, перегретая выше температуры кипения, поступает в тангенциальный выводной патрубок 40 и далее в подводящий патрубок 8 ЦВП. Центробежно-вихревой контактный теплообменник дает небольшое повышение давления воды, поэтому не может работать без циркуляционного насоса 14. ЦВКТ может иметь неподвижный вал по оси аппарата для предотвращения гидроударов при образовании парового жгута (на чертеже не показан), на конструкцию которого подана заявка на изобретение.
Центробежно-вихревой контактный теплообменник-нагреватель рабочей воды (ЦВКТ), изображенный на фиг.5 и 6, кроме элементов, аналогичных фиг.3, имеет дополнительно вращающийся вал 41 по оси с насаженными на него дисками 42 и рабочим колесом 43 центробежного насоса (на фиг.6 конец вала и рабочее колесо насоса вынесены за пределы корпуса в отдельный агрегат - насос 44 со всасывающим патрубком 45).
Если вместо контактного нагревателя воды (ЦВКТ, изображенного на фиг.3) установить (ЦВКТ, изображенный на фиг.5 или 6), то надобность в циркуляционном насосе 14 отпадет. Этот аппарат сам транспортирует рабочую воду по замкнутому контуру за счет кинетической энергии рабочего пара.
Работа ЦВП (фиг.1, вариант 1) осуществляется следующим образом. Рабочая вода, циркулирующая по замкнутому контуру, подается с температурой 70-90°С внутрь корпуса 1 через тангенциальный патрубок 4. Первоначально заливают конденсат рабочего, условно загрязненного пара или ХОВ. За счет тангенциального подвода вода приобретает вращательное движение с вертикальной границей раздела фаз (вертикальным уровнем вращающейся воды), с постепенным уменьшением радиуса закрутки, увеличением скорости закрутки и снижением давления (закон сохранения количества движения). Толщина кольца вращающейся воды определяется шириной кольца шайбы (разностью наружного и внутреннего диаметров). Давление воды на разных радиусах закрутки пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально радиусу закрутки. На максимальный радиус закрутки (через тангенциальные сопла или перфорации 4 в стенке корпуса 1, через кольцевой паровой коллектор 9 и паропровод 10) подается условно загрязненный рабочий пар. Пар безгидроударно нагревает вращающуюся воду выше температуры насыщения, соответствующей давлению пара в центре ЦВП (при наличии вращающейся границы раздела фаз 13). По мере уменьшения радиуса закрутки и снижения давления вода вскипает с образованием мелких пузырьков пара, которые выдавливаются за вращающуюся границу раздела фаз, а капли оторвавшейся воды возвращаются во вращающийся поток воды за счет центробежных сил. Из центральной части ЦВП чистый вторичный пар выходит по паропроводу 9 в конденсатор 27 и далее в конденсатный бак 28 и насосом 29 к потребителям. По расходомеру 30 можно регулировать подачу пара из котла 23. Расчетное давление пара внутри ДЦВ поддерживается за счет работы клапана-регулятора давления 26 (до себя).
В схеме варианта 1 (фиг.2) рабочая вода циркулирует по замкнутому контуру: насос 14 - трубопровод 15 - ЦВП - трубопровод 16, теплообменник - охладитель 17 - емкость 18 с регулируемым уровнем воды - насос 14 при сбросе части воды по трубопроводу 19 в питательный бак 20 для использования в котле низкого или среднего давления. Причем качество рабочей воды соответствует качеству конденсата рабочего пара. Если контур залит ХОВ, то ее качество постепенно улучшается (уменьшается солесодержание) и становится равным качеству конденсата условно загрязненного пара и не требует частичного сброса в канализацию. В ЦВП вода вращается с уменьшением радиуса вращения с увеличением скорости вращения и падением давления. Сначала, на максимальном удалении от центра вращения, вода нагревается за счет конденсации барботируемого пара, затем, при снижении давления, вода вскипает с образованием вторичного пара. Центробежные силы возвращают оторвавшиеся капли воды в общий поток, а чистый пар выводится из ЦВП через патрубок 6, и пар конденсируется в конденсаторе 17 (конденсатором может быть паровой водонагреватель, отопительный прибор).
Работа схемы по второму варианту (фиг.4) отличается только тем, что рабочий пар и рабочая вода подаются по трубопроводам 10 и 15 сначала в ЦВКТ 32, где рабочий пар конденсируется при контакте с рабочей водой, а рабочая вода, нагретая выше температуры насыщения чистого пара, подается в ЦВП (в патрубки 8).
Нагрев рабочей воды контактным способом при помощи рабочего пара при парогенерации чистого вторичного пара центробежно-вихревым способом способствует тому, что солесодержание рабочей воды (конденсата рабочего пара) не увеличивается по мере испарения чистого пара и остается постоянно низким, что сказывается на высоком качестве вторичного пара и полученного из него конденсата, отвечающего высоким стандартам обессоленной воды. (В существующих ранее способах термического обессоливания воды пар генерируется из умягченной воды с высоким общим солесодержанием, возрастающим по мере испарения воды, что отрицательно сказывается на качестве полученного пара и конденсата - обессоленной воды.)
Предложенный способ на порядки дешевле и проще существующих способов обессоливания воды термическим, химическим способами и способом обратного осмоса. Обессоленную воду можно получать в любой котельной, имеющей паровые котлы низкого и среднего давления (и даже высокого).