Способ и устройство сжигания жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО СЖИГАНИЯ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГОРЮЧИХ В ГОРЕЛОЧНО-ТОПОЧНЫХ АППАРАТАХ(71) Заявитель Закрытое акционерное общество Белагроинторг(73) Патентообладатель Закрытое акционерное общество Белагроинторг(57) 1. Способ сжигания жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах путем нагрева горючего для его испарения, смешения с воздухом и воспламенения образовавшейся горючей смеси, отличающийся тем, что горючее нагревают в теплообменнике до 120-300 С при давлении 2,0-3,0 кГс/см 2 и при этом давлении подают в смеситель, в который одновременно вводят такой же температуры водяной пар при соотношении 55 масс. пара и 45 масс. горючего, полученную смесь направляют в реактор, заполненный никелевым или алюмосиликатным катализатором, в котором полученную смесь подвергают конверсии путем ее нагрева отходящими газами горелочно-топочных аппаратов, до 420-500 С при давлении 49 кГс/см 2, после чего образовавшуюся газовую смесь очищают от серы путем охлаждения смеси ниже 100 С при давлении 1-2 кГс/см 2 в циклон-накопителе, и подают в газовые горелки, а накапливаемую в циклон-накопителе кристаллическую серу периодически удаляют. 2728 1 2. Устройство сжигания жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах, содержащее насосный блок, теплообменник, обвязочные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой и средствами для контроля давления, а также горелки, отличающееся тем, что оно снабжено распределителем пара,реактором, циклон-накопителем и смесителем, выполненным в виде струйного аппарата, который через запорную арматуру и средства для контроля давления связан с магистралью пара и трубопроводом инжектируемого горючего, на котором установлен теплообменник, связанный посредством запорной арматуры и трубопроводов с магистралью пара, при этом выход струйного аппарата соединен со входом реактора, причем последний заполнен никелевым или алюмосиликатным катализатором и снабжен установленным на выходе отходящих газов из горелочно-топочного аппарата датчиком блока для измерения температуры, при этом выход реактора посредством трубопроводов соединен со входом циклон-накопителя, к которому через запорную арматуру подведена охлаждающая вода, а циклон-накопитель снабжен регулятором давления, установленным на его выходе и сообщенным посредством трубопроводов, запорной арматуры и средствами для контроля давления с горелками.(56) 1. Спейшер В.А., Горбаненко А.Д. Повышение эффективности использования газа и мазута в энергетических установках.- М. Энергоиздат, 1982. - С. 34- 37 (прототип). 2. Ляндо И.М. Сжигание топочного мазута и газа в промышленных котельных.- М. Госэнергоиздат,1963. -С. 138-143 (прототип). Изобретение относится к области теплоэнергетики и касается эффективности использования жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах. Изобретение может быть внедрено в энергетических котлоагрегатах и нагревательных печах. Известно, что традиционным способом сжигание жидких углеводородных горючих осуществляется в потоке воздуха. Поэтому этот способ сжигания жидких углеводородных горючих включает четыре основные стадии 1) распыление горючего на мельчайшие капли 2) смешение и испарение горючего с поверхности капель и образование горючей смеси паров горючего с воздухом 3) воспламенение образовавшейся горючей смеси 4) горение горючей смеси, сопровождающееся полным испарением и догоранием коксовых частиц. Реализация известного способа сжигания жидких углеводородных горючих осуществляется путем известных форсуночных, горелочных и топочных устройств 1. Недостатками данного способа сжигания жидких углеводородных горючих являются 1) установлено прямым наблюдением, что при горении жидких углеводородных горючих в зонах возможного недостатка кислорода образуются твердые продукты неполного сгорания, что приводит к появлению темного дыма. Склонность к дымообразованию определяется структурой горючего, наличием высокомолекулярных соединений и величиной капель распыливания. Чем крупнее капля, тем больший размер имеет коксовый остаток. Поэтому относительно велики потери тепла от химической неполноты сгорания углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах (коэффициент полноты сгорания составляет 0,850,9) 2) свыше 85 углеводородных горючих, потребляемых в горелочно-топочных аппаратах, содержит от 2 до 4,5 серы, от 0,005 до 0,15 ванадия, а также натрия и других элементов. В связи с этим при сгорании жидкого углеводородного горючего золообразующие вещества дают такие соединения, как окиси различных металлов, серы, кремния, ванадия, а также сульфаты и другие соединения, которые отлаживаются на элементах проточной части горелочно-топочных аппаратов и вызывают коррозию. Отложения образуются в основном за счет натриевых соединений, ванадиевого ангидрида и других более сложных соединений ванадия и натрия, находящихся в потоке газов в расплавленном виде. Коррозия элементов проточной части горелочнотопочных аппаратов является химическим процессом, резко интенсифицирующимся при увеличении температуры. Сильнейшую коррозию деталей проточной части горелочно-топочных аппаратов вызывает пятиокись ванадия 25, а также сульфат натрия 24. Наиболее опасна ванадиевая коррозия, которая резко интенсифицируется в присутствии сульфата натрия при температуре от 650 - 700 и выше. При температуре более 800 сульфат натрия также способен растворять защитный слой металла и вызывать коррозию 2 3) при горении топливо-воздушной смеси в факеле образуется окись азота в результате окисления как азота воздуха (при высоких температурах), так и азота входящего в органическую массу горючего. В этом и другом случае скорость образования окиси азота и конечная е концентрация зависят от содержания свободного кислорода в объеме горящего факела и его температуры. 2 2728 1 Указанные недостатки обуславливают существенные трудности при работе горелочно-топочных аппаратов на жидких углеводородных горючих. Эти трудности связаны, в основном, с большими выбросами вредных соединений окислов серы и азота в атмосферу, с сернистой и ванадиевой коррозией оборудования, с загрязнением конвективных поверхностей нагрева продуктами неполного сгорания. Кроме того, указанные способ и устройство его реализации не позволяют использовать воду в качестве компонента топлива, т.е. не позволяют осуществлять конверсию жидких углеводородных горючих водой в синтез-газ. Задача изобретения - повысить эффективность способа и устройства сжигания жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах. Решение указанной задачи достигается тем, что жидкое углеводородное горючее нагревают в теплообменнике до 120-300 С при давлении 2,0-3,0 кГс/см 2 и при этом давлении подают в смеситель, в который одновременно вводят такой же температуры водяной пар при соотношении 55 мас.пара и 45 мас.горючего, полученную смесь направляют в реактор, заполненный никелевым или алюмосиликатным катализатором,в котором полученную смесь подвергают конверсии путем ее нагрева отходящими газами горелочнотопочных аппаратов до 420-500 С при давлении 4-9 кГс/см 2 после чего образовавшуюся газовую смесь очищают от серы путем охлаждения смеси ниже 100 при давлении 1-2 кГс/см 2 в циклон-накопителе и подают в газовые горелки, а накапливаемую в циклон-накопителе кристаллическую серу из циклона-накопителя периодически удаляют. Это позволяет в несколько раз увеличить полноту сгорания углеводородных горючих в горелочнотопочных аппаратах, использовать воду в качестве топлива и тем самым экономить до 23 по весу углеводородное горючее, возвращать из углеводородного горючего в чистом виде серу в производство, как ценное сырье, в несколько раз уменьшить скорость коррозии, резко снизить золовые заносы поверхностей нагрева,значительно снизить образование окислов азота (в 34 раза) и полностью исключить образование окислов серы и их выброс в атмосферу, повысить к.п.д. горелочно-топочных аппаратов. В устройстве сжигания жидких углеводородных горючих в горелочно-топочных аппаратах, содержащем насосный блок, теплообменник, обвязочные трубопроводы с запорно-регулирующей арматурой и средствами для контроля давления, а также горелки для решения названной задачи. Оно снабжено распределителем пара, реактором, циклон-накопителем и смесителем, выполненным в виде струйного аппарата, который через запорную арматуру и средства для контроля давления связан с магистралью пара и трубопроводом инжектируемого горючего, на котором установлен теплообменник, связанный посредством запорной арматуры и трубопроводов с магистралью пара. Выход струйного аппарата соединен со входом реактора, причем последний заполнен никелевым или алюмосиликатным катализатором и снабжен установленным на выходе отходящих газов из горелочно-топочного аппарата датчиком блока для измерения температуры. Выход реактора посредством трубопроводов соединен со входом циклон-накопителя, к которому через запорную арматуру подведена охлаждающая вода. Циклон-накопитель снабжен регулятором давления, установленным на его выходе и сообщенным посредством трубопроводов, запорной арматуры и средствами для контроля давления с горелками. Конверсия жидкого углеводородного горючего в горелочно-топочных аппаратах водяным паром в синтез-газ (смесь газов СО и Н 2), подаваемый к горелкам может быть осуществлена следующим образом. Жидкое углеводородное горючее с помощью теплообменника рабочим паром из горелочно-топочного аппарата нагревают до температуры 120300 С при давлении 2,03,0 кГс/см 2. В этом выбранном диапазоне температур и давлений жидкие углеводородные горючие типа топочных мазутов будут находится в весьма текучем состоянии, даже такие высокосернистые топочные мазуты, как М 200 3. Подогретое углеводородное горючее при температуре 120300 С под давлением 2,03,0 кГс/см 2 подают в смеситель, в который одновременно вводят такой же температуры водяной пар в потребном соотношении и полученную смесь (55 по весу водяного пара и 45 по весу углеводородного горючего) направляют в реактор, заполненный, например, алюмосиликатным катализатором, в котором полученную смесь нагревают отходящими газами горелочно-топочного аппарата до температуры 420500 С при давлении 49 кГс/см 2. При температуре 444,6 С находящаяся в смеси сера закипает, а при температуре 500 С переходит полностью в парообразное состояние, происходит конверсия молекул углеводородов. При этом осуществляется перестройка молекул углеводородов, происходит синтез новых соединений, а именно образуется синтез-газ (смесь СО, Н 2 и г). Затем полученную смесь газов СО, Н 2 и г в циклоне-накопителе при давлении 12 кГс/см 2 охлаждают до температуры ниже 100 . При температуре ниже 100 С в полученном синтез-газе происходит образование хрупких кристаллов серы, которые задерживаются в циклоне-накопителе. Таким приемом производят очистку полученного синтез-газа от серы. После очистки полученную смесь газов СО и Н 2 из циклона-накопителя через регулятор давления подают к горелкам, а скопившуюся выкристаллизованную серу из циклона-накопителя периодически удаляют и используют в народном хозяйстве по прямому назначению. 3 2728 1 Расчет потребного количества воды для конверсии жидкого топочного углеводородного горючего, например, мазута производят следующим образом. В соответствии с 3 средний элементарный состав мазута,Сс 83,82 Нс 11,12,0 . об Условная формула мазута будет иметь вид С 6,9786 Н 11,013 0,062. Конверсию мазута будем осуществлять в соответствии с уравнением 450 С 6,9786 11,013 0,062 6,9786 н 2 м 420 131,4 кДж / моль. 195,47337 г 25,182372 г 1.988092 г Выбранный диапазон значений параметров способа определяется следующим 1) в диапазоне температур (120300 С жидкие углеводородные горючие (мазут всех марок, дизельное горючее,соляровое масло, моторное масло, керосин, бензин) при давлении 2,03,0 кГс/см 2 будут находиться в газообразном состоянии. При снижении температуры такие горючие как керосин, соляровое масло будут в парообразножидком состоянии. Это затрудняет получение в смесителе стехиометрического соотношения газообразной смеси 2) выбранное весовое соотношение в реакторе водяного пара (55 ) и газообразного углеводородного горючего (45 ) является стехиометрическим. Поэтому отклонения от этого соотношения приводит или к неполному реагированию водяного пара и в последующем конденсации, или - углеводородного горючего 3) в диапазоне температур в реакторе (420500 С при давлении 49 кГс/см 2 компоненты находятся в одинаковых газообразных фазах, что способствует их полной конверсии. При снижении температуры ниже 420 С отдельные составляющие углеводородных горючих будут находиться в жидком состоянии (например,сера) и тем самым блокируют работу катализатора. Нагрев реактора выше 500 С нецелесообразен из-за излишков расходования тепла и снижения коэффициента полезного действия горелочно-топочного аппарата. Разработанный способ и устройство опробированы на опытной установке, на которой проведена конверсия водяным паром углеводородных горючих мазута, дизельного горючего, солярового масла, керосина,бензина, моторного масла в синтез-газ. Получаемый синтез-газ содержит в среднем 88 СО и 12 Н 2. Потребное количество воды для конверсии 1 кг мазута 96,908499 г - 125,72143 г 125,7214310001297,3209 г 21000 г 2 96,908499 Количество полученного синтез-газа в результате конверсии 1 кг мазута Окиси углерода СО 2297,3209195,47337 222,62992 г - 195,47337 г 2017,092 г 2297,3209 г - ХСО 222,62992 водорода Н 2 222,62992 г - 25,182372 г После очистки полученного синтез-газа от парообразной серы суммарное количество газа, подаваемого к горелкам составитгаза 22017,092 г 259,85719 г 2276,94919 г Расчетно-теоретический анализ баланса выделения тепловой энергии при сгорании полученного синтез газа показывает, что количество выделенной энергии при сгорании водорода Н 2 2 0,5 22 2728 1 количество выделенной тепловой энергии при сгорании окиси углерода СО 0,5 2 С 2 283 кДж / моль 28,0104 г 15,9994 г 44,0098 г 2017,09228320379,467 кДж 28,0104 количество поглощенной тепловой энергии при конверсии 1 кг мазута в синтез-газ 2297,32093114,9791 кДжп(131,4)96,908499 суммарный тепловой эффект 12 п 31169,24820379,4673114,979148433,736 кДж. Таким образом, при конверсии водяным паром топочных мазутов в синтез-газ (смесь СО и Н 2) с использованием катализаторов и последующим сжиганием полученной смеси газов в горелках котлов тепловой эффект полученного синтез-газа из 1 кг мазута составит 48433,736 кДж, что превышает теплоту сгорания сернистых мазутов на 7433 кДж/кг. При конверсии топочных мазутов водяным паром в синтез-газ с использованием природных катализаторов (например, алюмосиликатных), процесс превращения возможен при температурах 420-450 С и давлении 12 кГс/см 2. Это позволяет использовать тепловую энергию отходящих продуктов сгорания (бросовое тепло), которые имеют температуру вблизи заднего экрана котла 470580 С, для нагрева реактора с катализатором и парообразной смесью мазута с водой. Тогда тепловой эффект полученного синтез-газа составит 2231169,24820379,46751548,715 кДж,что превышает на 10547,9791 кДж количество тепловой энергии, выделяющейся при полном сгорании 1 кг сернистых топочных мазутов. Очищенный от серы синтез-газ при сгорании не допускает образование окиси серы и сульфата натрия,что исключает их совместную коррозионную активность деталей проточной части горелочно-топочных аппаратов. Кроме этого окись натрия, находящаяся в факеле в газообразном состоянии, связывается избытком паров воды по реакции 222,в результате которой образующийся гидроксид натрия, взаимодействуя с углекислым газом по реакции 22232,образует карбонат натрия. Аналогично этому связывается пятиокись ванадия гидроксидом натрия по реакции 2 52232 . Полученные карбонат и ванадат натрия выбрасываются с отходящими газами в атмосферу. По мере снижения температуры отходящих газов ниже 100 происходит гидролиз карбоната натрия по уравнению 232 3 При этом, образовавшаяся при горении синтез-газа двуокись азота 2 вступает во взаимодействие с гидроксидом натрияс образованием смеси солей азотной и азотистой кислот по уравнению 222322, тем самым снижается совместный эффект коррозионного воздействия пятиокиси ванадия, окиси натрия и окислов азота примерно в 34 раза на элементы проточной части горелочно-топочных аппаратов. Устройство, позволяющее реализовать предлагаемый способ, содержит теплообменник, смеситель, реактор, циклон-накопитель, газовую горелку, запорную, контрольную, предохранительную арматуру и обвязывающие трубопроводы. Теплообменник 1 предназначен для нагрева паром углеводородного горючего до температуры 120300 С при давлении 2,03,0 кГс/см 2. Смеситель 2 представляет собой инжектор и служит для смешивания с водяным паром углеводородного горючего в соотношении 55(вес) водяного пара и 45(вес.) углеводородного горючего. Реактор 3 выполнен в виде цилиндра с продольными наружными ребрами, внутренняя полость которого заполнена, например, алюмосиликатным катализатором, предназначен для нагрева отходящими газами горелочно-топочного аппарата 4 полученной смеси до температур 420500 С при давлении 49 кГс/см 2 и проведения конверсии углеводородного горючего в синтез-газ (смесь СО, Н 2 и г). Циклон-накопитель 5 выполнен в виде цилиндра с двойной рубашкой и коническим основанием, в котором предусмотрен герметично закрываемый люк. Во внутренней полости циклона-накопителя установлены 5 2728 1 отсекатель с завихрителем и трубчатый змеевик, а на наружной обечайке выполнены подводящие и отводящие патрубки охлаждающей жидкости (воды). Циклон-накопитель 5 служит для охлаждения ниже 100 С газовой смеси СО, Н 2, г при давлении 12 кГс/см 2, выкристализации из этой смеси газов серы и последующим накоплением продуктов конверсии. Газовая горелка предназначена для воспламенения и сжигания полученной смеси газов СО и Н 2 в горелочно-топочном аппарате 4. Регулятор давления газовой смеси 7 служит для поддержания заданного давления синтез-газа перед запорным вентилем 8. Запорные вентили предназначены осуществлять вентиль 9 - подачу пара к смесителю 2 вентиль 10 - подачу пара к теплообменнику 1 вентиль 11 - подачу горючего через теплообменник 1 к смесителю 2 вентиль 12 - подачу охлаждающей воды в циклон-накопитель 5. Манометры служат манометр 13 - для контроля давления горючего в напорной магистрали манометр 14 - для контроля давления горючего в теплообменнике манометр 15 - для контролирования пара в напорной магистрали манометр 16 - для контроля давления пара в напорной магистрали смесителя 2 манометр 17 - для контроля давления синтез-газа в циклоне-накопителе 5 манометр 18 - для контроля давления синтез-газа перед газовой горелкой 6 манометр 19 - для контроля давления синтез-газа после регулятора давления 7. Указатель температуры 21 предназначен для контроля температуры в реакторе 3. Непоказанное на рисунке предохранительное устройство погасание пламени предназначено для отключения подачи синтез-газа к газовой горелке 6 в случае погасания горения газа. Предложенное устройство работает следующим образом. Горючее под давлением 910 кГс/см 2 подают к запорному вентилю 11, контроль давления осуществляют по манометру 13. Затем подают рабочий пар под давлением 910 кГс/см 2 и температурой 120300 С к запорному вентилю 9, контроль давления пара осуществляют по манометру 15. Открывают запорный вентиль 12 и подают холодную воду в зарубашечное пространство циклон-накопителя 5. Температуру подаваемой на охлаждение циклон-накопителя 5 поддерживают в пределах 850 С. Затем открывают запорный вентиль 10 и плавно одновременно приоткрывают запорные вентили 9 и . При этом по манометру 16 устанавливают давление пара 23 кГс/см 2, по манометру 14 устанавливают давление подаваемого горючего 1,02,0 кГс/см 2. В теплообменнике 1 горючее нагревают до температуры 200300 С и затем подают его в смеситель 2, в котором за счет инжектирования смешивают его с паром в соотношении 55 по весу водяного пара и 45 по весу горючего. Это соотношение поддерживают за счет перепада давления подаваемых компонентов в смеситель 2. Потребный перепад давлений поддерживают с помощью запорных вентилей 9 и 11. Полученную смесь потребного соотношения из смесителя 2 подают в реактор 3, в котором смесь нагревают отходящими газами горелочно-топочного аппарата 4 до температуры 450500 С при давлении 49 кГс/см 2 и подвергают конверсии углеводородное горючее в синтез-газ (смесь СО, Н 2 и г ). Контроль температуры смеси в реакторе 3 осуществляют по указателю 20. Затем полученную смесь газов СО, Н 2 и г охлаждают ниже 100 в циклоне-накопителе 5 при давлении 12 кГс/см 2 чем осуществляют очистку синтез-газа от парообразной серы. Контроль давления в циклоненакопителе 5 осуществляют по манометру 17. После очистки от парообразной серы синтез-газ направляют в регулятор давления 7, в котором давление газа понижают до потребного (50 мм вод.ст. 1,5 кГс/см 2). Контроль регулирования давления производят по манометру 19. Затем открывают запорный вентиль 8 и синтез-газ подают в газовую горелку 6, где происходит смешение синтез-газа с воздухом и последующее его сгорание. По мере накопления в циклон-накопителе 5 выкристаллизовавшейся серы, последнюю периодически удаляют через герметично закрываемый затвор. Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 6