ПАРОГЕНЕРАТОР И СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО ВОДЯНОГО ПАРА
STEAM GENERATOR AND METHOD TO PRODUCE HIGH-TEMPERATURE WATER STEAM

Группа изобретений относится к области энергетики, углеперерабатывающей, химической, металлургической промышленности и предназначена для получения высокотемпературного водяного пара (до 1500°С). Полученный высокотемпературный водяной пар может найти применение в 1) частичной или полной паровой газификации углеродсодержащих материалов в зависимости от условий процесса с получением синтез-газа либо газа, выступающего в качестве высококалорийного топлива, а также получения твердого углеродсодержащего остатка; 2) производстве электрической энергии на комплексе турбина-генератор.
Известны парогенераторы (Бебелин И.Н. и др. Теплоэнергетика, 1997, №8, С.48-52; patent US 6834622 Int. C1. F22D 1/00, publ. 28.12.2004; патент РФ 2309325 МПК F22B 1/26, опубл. 27.10.2007; патент РФ 2361146 МПК F22G 1/16, опубл. 10.07.2009), содержащие корпус, запальное устройство, магистрали подвода водорода и кислорода, узел подвода воды или водяного пара, камеру сгорания, камеру смешения и выходную часть.
К недостаткам известных парогенераторов можно отнести сложное конструктивное выполнение, а именно: 1) сложная конструкция корпуса парогенератора; 2) раздельные и сложные устройства подачи водорода и кислорода в парогенератор; 3) конструктивно разделены камеры сгорания и смешения, что требует системы охлаждения камеры сгорания парогенератора; 4) как правило, в парогенераторе имеется не одно устройство подачи воды или водяного пара и они сложны по конструкции.
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому по конструктивным признакам является парогенератор (patent US 5088450 Int. C1. F22B 1/00, publ. 18.02.1992), включающий корпус, запальное устройство, патрубки подачи водорода и кислорода, узел подачи воды, камеру сгорания, камеру смешения и выходную часть.
К недостаткам парогенератора, принятого за прототип, можно отнести: 1) сложную конструкцию головной части парогенератора, в которой расположены раздельные патрубки подвода водорода и кислорода; 2) осложненный узел подвода воды; 3) расположение узла подвода воды, в результате чего корпус парогенератора разделен на камеру сгорания и смешения.
Известен способ получения водяного пара (patent US 6834622 Int. C1. F22D 1/00, publ. 28.12.2004), в котором получают пар с температурой в диапазоне от 500 К до 2000 К путем сгорания смеси водорода и кислорода стехиометрического состава и смешения продуктов сгорания с балластировочным компонентом, при этом образуются две зоны: сгорания и испарения, - затем применяется стадия дожигания.
Недостатками известного способа является то, что в нем осуществляют раздельную подачу водорода и кислорода, в качестве балластировочного компонента используют воду, применяют каталитически активное газоводопроницаемое тело, например, платину.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому является способ генерации водяного пара (Бебелин И.Н. и др. Теплоэнергетика, 1997, №8, С.48-52), сущность которого заключается в сгорании водорода и кислорода в стехиометрическом соотношении, и смешении продуктов сгорания с балластировочным компонентом, при этом получают водяной пар с температурой в диапазоне от 700 К до 1200 К.
К недостаткам известного способа, принятого за прототип, можно отнести: 1) раздельную подачу водорода и кислорода; 2) использование воды в качестве балластировочного компонента, при этом на нагрев и испарение капель воды идет часть теплоты сгорания водород-кислородной смеси, вследствие чего не удается получить высокие параметры водяного пара; 3) двухкратная разнонаправленная подача балластировочного компонента, что приводит к осложненной внутренней гидродинамике потоков; 4) разделение пространственно процесса сгорания водород-кислородной смеси и процесса смешения продуктов сгорания с балластировочным компонентом, в связи с чем требуется охлаждение стенки камеры сгорания парогенератора.
Задачей изобретения является создание парогенератора и способа получения высокотемпературного водяного пара.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в упрощении конструкции устройства и способа, что приводит к простоте изготовления и эксплуатации, к снижению массы и габаритов устройства, к снижению гидравлического сопротивления процесса.
Указанный технический результат достигается тем, что в парогенераторе, включающем корпус, запальное устройство, узел подвода низкоэнтальпийного водяного пара, выходную часть, согласно изобретению, по оси корпуса установлен патрубок подвода смеси водорода и кислорода, а узел подвода низкоэнтальпийного водяного пара имеет патрубок подвода низкоэнтальпийного водяного пара, торцевую стенку, кольцевой канал, перегородку с отверстиями, расположенными по концентрической окружности относительно оси корпуса и находится относительно патрубка подвода смеси водорода и кислорода так, что корпус парогенератора является одновременно камерой сгорания и смешения.
Указанный технический результат достигается также тем, что в способе получения высокотемпературного водяного пара, включающем сгорание водорода и кислорода в стехиометрическом соотношении и смешение продуктов сгорания с балластировочным компонентом, согласно изобретению, на сгорание подают смесь водорода и кислорода, в качестве балластировочного компонента применяют низкоэнтальпийный водяной пар, подвод смеси водорода и кислорода осуществляют по оси корпуса, подвод низкоэнтальпийного водяного пара - через отверстия, расположенные по концентрической окружности относительно оси корпуса, сгорание смеси водорода и кислорода осуществляют одновременно со смешением в потоке низкоэнтальпийного водяного пара.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана конструкция парогенератора; на фиг.2 - разрез А-А парогенератора; на фиг.3 - результаты эксперимента и моделирования в виде зависимости температуры высокотемпературного водяного пара на выходе от расхода низкоэнтальпийного водяного пара; на фиг.4 - данные эксперимента по исследованию зависимости доли неконденсируемых газов от расхода низкоэнтальпийного водяного пара.
Парогенератор включает запальное устройство (не показано), размещаемое в патрубке 1 подвода смеси водорода и кислорода (далее патрубок 1), узел подвода низкоэнтальпийного водяного пара, корпус 2, в котором находится зона горения и смешения, и выходную часть 3 для отвода полученного высокотемпературного водяного пара. Узел подвода низкоэнтальпийного водяного пара содержит патрубок 4 подвода низкоэнтальпийного водяного пара (далее патрубок 4), кольцевой канал 5, образованный патрубком 1 и цилиндрической стенкой 6, по сторонам ограниченный торцевой стенкой 7 и перегородкой 8, имеющей отверстия 9, расположенные по концентрической окружности относительно оси корпуса 2. Конструктивные элементы парогенератора изготавливают из жаропрочной стали или кварцевого стекла.
Заявляемый способ получения высокотемпературного водяного пара осуществляют и парогенератор работает следующим образом.
Через патрубок 4 подают низкоэнтальпийный водяной пар в кольцевой канал 5, откуда он через отверстия 9 в перегородке 8 поступает в корпус 2. В патрубке 1 расположена, например, горелка с запальным устройством (не показаны), посредством которых осуществляют подвод смеси водорода и кислорода в стехиометричееком соотношении (далее горючей смеси), в частности из электролизера, и поджиг горючей смеси. Факел распространяется от среза патрубка 1 по оси корпуса 2, низкоэнтальпийный водяной пар проходит спутно по периферии осесимметрично вдоль цилиндрической стенки 6, в результате чего уменьшается перегрев цилиндрической стенки 6. В корпусе 2 находится одновременно зона горения и смешения, то есть корпус 2 является одновременно камерой сгорания и смешения. Продуктом полного сгорания горючей смеси является высокоэнтальпийный водяной пар, взаимодействующий с поступающим низкоэнтальпийным водяным паром. Полученный высокотемпературный водяной пар через выходную часть 3 поступает далее в реактор конверсии (не показан) или на комплекс турбина-генератор (не показан).
Запуск, работу и остановку парогенератора производят следующим образом. Осуществляют подвод низкоэнтальпийного водяного пара с температурой, например, 100°C, происходит нагрев стенок парогенератора до температуры низкоэнтальпийного водяного пара. Подают горючую смесь, поджигают горючую смесь, происходит сгорание и смешение продуктов горения с низкоэнтальпийным водяным паром, при этом контролируют выход на рабочие параметры. Далее осуществляют основной режим работы - получение высокотемпературного водяного пара, например, атмосферного давления с температурой 1200°C. Для остановки парогенератора перекрывают подачу горючей смеси, затем прекращают подачу низкоэнтальпийного водяного пара.
Пример. Заявляемый парогенератор и способ получения высокотемпературного водяного пара апробированы на пилотном стенде. Парогенератор представлял собой полый цилиндр диаметром 41 мм и длиной 350 мм из кварцевого стекла, по оси которого из медного сопла горелки диаметром 1,1-1,3 мм подавали горючую смесь, внутренний диаметр патрубка 1 для горелки 10 мм, а низкоэнтальпийный водяной пар поступал через патрубок 4 с внутренним диаметром 10 мм и далее осесимметрично через двенадцать отверстий 9 диаметром 4 мм, равномерно расположенных в перегородке 8 по концентрической окружности диаметром 28 мм относительно оси корпуса 2.
Температура полученного высокотемпературного водяного пара на выходе составляла 1000-1200°C, при этом концентрация горючей смеси была 20-30% (соответственно низкоэнтальпийного водяного пара 80-70%), температура низкоэнтальпийного водяного пара 100-105°C, максимальная температура цилиндрической стенки 6 парогенератора 700-800°C.
Работа парогенератора сопровождалась повышенными температурами особенно в режиме работы без подвода низкоэнтальпийного водяного пара. При этом происходило оплавление рабочей зоны уже через 2-5 мин после начала горения горючей смеси. При подводе низкоэнтальпийного водяного пара в парогенератор тепловой режим его работы стабилизировался и не сопровождался оплавлением. Максимальная длительность работы парогенератора в ходе единичного испытания была около 40 минут, при этом не было зафиксировано никаких аварийных событий и не произошло никаких разрушений в зоне парогенератора.
На фиг.3 представлены результаты исследования зависимости температуры высокотемпературного водяного пара на выходе от расхода низкоэнтальпийного водяного пара. Расход горючей смеси составлял 24 л/мин. При расходах низкоэнтальпийного водяного пара менее 100 г/мин температура выходного высокотемпературного водяного пара приближалась к температуре 1000°C. При увеличении расхода до 400 г/мин температура снижалась до 450°C.
На фиг.4 представлена зависимость доли неконденсирующихся газов от расхода низкоэнтальпийного водяного пара при постоянном расходе горючей смеси. Из представленной зависимости видно, что с увеличением расхода низкоэнтальпийного водяного пара повышается доля неконденсирующихся газов, то есть снижается полнота сгорания.
Заявляемые устройство и способ, достаточно простые по своей сущности, позволяют получать высокотемпературный водяной пар.