EA011970B1 - Способ и система для нагревания воды на базе горячих газов - Google Patents

Abstract

Тепло может быть восстановлено из горячих газов, произведенных в тепловом реакторе (1), при помощи впрыска воды в газ в одной или нескольких зонах впрыска (4) в таком количестве и таким образом, что температура газа из-за испарения воды уменьшается до температуры ниже 400°С, предпочтительно ниже 300°C, возможно ниже 150-200°С и температура конденсации газа становится по меньшей мере 60°С, предпочтительно по меньшей мере 70°С, возможно 80 или 85°С. Газ может потом направляться через блок конденсирующего теплообменника (8), где, по меньшей мере, некоторое количество содержащегося водяного пара в газе конденсируется, и тепло конденсации может быть использовано для нагревания потока жидкости, в основном воды. Таким образом, получен способ производства горячей воды, который является простым и недорогим и имеет низкие эксплуатационные расходы и который, кроме того, имеет высокий КПД и хорошие показатели касательно окружающей среды. Способ может использоваться для широкого спектра топлив и преобразовательных технологий.

Description

Изобретение относится к способу и системе для восстановления тепла из горячих газов, например дымового газа, произведенных в тепловом реакторе, или более точно - для нагревания воды при помощи горячих газов, которые высвобождены при помощи термической конверсии (газификации или горения) твердых топлив, например биомассы, мусора или угля.

Нагревание воды горячими газами, которые высвобождены во время термической конверсии топлив, широко известно. Горячая вода может быть использована в целях обогревания, например, в домах, многоквартирных домах, офисах, в промышленности и т.д., и как вода для хозяйственно-бытового водоснабжения. Установки для таких целей изготовляются с различной величиной выходной мощности, приблизительно от 1 кВт до 250 МВт.

Ссылка делается на Уагше йаЫ, ΝνΙ ΙοΓηίκΓ Рог1ад, 4-е изд., 2004, требование Νο. 44031-1, Ι8ΒΝ 87-571-2546-5, Энциклопедия Промышленной Химии Ульмана, изданная 2005, 7-е изд., и§ег Гпеп61у й 1оо1 Гог Ьюшакк йеайпд р1ап!з в докладе 2'¹ \сог16 сопГегепсе апб 1ес1то1ощса1 ехЫЬйюп οη Ьюшакк Гог епегду, шбийгу апб с11ша!е рго!есйоп и ΌΕ 3544502 А1.

Вода обычно нагревается в закрытом контуре и подается к точке потребления, после которой возвращается к вырабатывающему тепло блоку после высвобождения тепловой энергии. Когда вода покидает вырабатывающий блок (подача), ее температура обычно составляет 60-90°С. Температура воды, возвращающейся к вырабатывающему тепло блоку после охлаждения потребителем (возврат), составляет около 30-50°С.

Одновременно с развитием технологий и вниманием к энергосбережению была тенденция к уменьшению температуры подачи и возврата, так как тепловые потери от распределительного трубопровода, таким образом, уменьшались.

Горячая вода может производиться близко к необходимым участкам или направляться к потребителю через сеть централизованного теплоснабжения.

Энергия, высвобожденная при помощи термической конверсии топлива, может быть передана к горячей воде поэтапно, например

1) охлаждением площади вокруг места, где происходит термическая конверсия, например водяным охлаждением подающего механизма, водяным охлаждением решетки, водяным охлаждением площадей реактора или других охлаждаемых поверхностей, где происходит термическая конверсия;

2) охлаждением (сухих) горячих газов;

3) дополнительным охлаждением газов, при котором пары в газе конденсируют.

Повтор этапа 2). Охлаждение (сухих) горячих газов.

Температура газа, покидающего тепловой блок, обычно составляет около 700-1000°С в зависимости от технологии, топлива и условий эксплуатации. Хорошо известно, например на теплоэлектростанциях, что температура в тепловом блоке может настраиваться или регулироваться впрыском воды, для того чтобы защитить материалы, например пароперегреватель, от слишком высокой температуры. Количество воды, впрыснутой для регулирования температуры в котельную, является, однако, очень ограниченным; температура газа поддерживается высокой (около 600°С), и характеристики газа, например температура конденсации воды, существенно не изменяются.

Обычно энергия горячих газов передается другой среде, например воде, при помощи теплообменника, причем горячий газ течет по одной стороне, а другая, более холодная среда (например, вода) течет по другой стороне. Таким образом, вода подогревается, а газ охлаждается. На некоторых установках используется большее количество теплообменников, например предварительного нагрева воздуха, и/или перегрева пара, и/или производства горячей воды.

Эти теплообменники обычно являются теплообменниками конвекционного типа, поскольку энергия главным образом передается из газа посредством конвекции.

Обычно используются стальные трубы. При преобразовании твердых топлив газ содержит частицы. Эти частицы вызывают ряд проблем в данном теплообменнике: внешнее загрязнение, коррозию, плохие показатели теплообмена и т. д., и часто устанавливают устройство для того, чтобы держать газовые трубы чистыми, например продувкой сажи или механическим очищением.

Теплообменник, используемый для передачи энергии от сухих горячих газов, выполнен из материалов, соответствующих характеристикам газа, как правило, из теплостойкой стали.

Обычно газ охлаждают в конвекционной части приблизительно до 150°С, поскольку температура газа в этом случае является выше температуры конденсации кислоты и температуры конденсации воды. Если газ охлажден до или ниже температур конденсации кислоты или воды, теплостойкий материал теплообменника будет подвержен сильной коррозии.

Аммиак, хлорин, сера, частицы, соли и т.д. обычно удаляются из газа, например, при помощи сухого или полусухого процесса очистки. Таким образом, материалы, вызывающие проблемы для окружающей среды, или материалы, блокирующие и/или корродирующие во время последующих этапов процесса, могут быть удалены.

- 1 011970

Повтор этапа 3). Дополнительное охлаждение газов, при котором пары в газе конденсируют.

В целях использования большего количества тепловой энергии газ может быть дополнительно охлажден, при этом конденсируют пары, включая водяной пар в газе. Состав газа зависит от преобразованного топлива и параметров в тепловом реакторе. Из-за высокого содержания влаги в топливе и низкого количества избыточного воздуха в тепловом блоке получается высокая температура конденсации воды. Обычно температура конденсации воды в газе составляет примерно 35-60°С при условии, что газ имеет атмосферное давление. Если газ охлажден ниже температуры конденсации воды, водяной пар будет конденсироваться и будет высвобождена энергия конденсации, которая может использоваться для дополнительного производства теплоты. В зависимости от топлива и параметров в тепловом процессе использование энергии может быть увеличено примерно до 30%.

Из-за конденсации водяного пара другие материалы также высвобождаются из газа, например аммиак, хлорин, сера, частицы, соли и т.д. Поскольку некоторые из этих веществ могут нанести урон, например корродировать материалы, используемые для охлаждения сухого газа (конвекционная часть), конденсирующая часть обычно изготовляется из других материалов. Например, в конденсирующей части используются стекловолокно, пластик, стекло, кислотостойкая нержавеющая сталь, титан и т.д.

Когда газ, который подводят к конденсирующему блоку, охлажден, например до 150°С, и имеет температуру конденсации воды около 35-60°С, температура воды, нагретой в конденсирующем блоке, становится слишком низкой, чтобы быть используемой для подачи. В результате чего вода из конденсирующего блока должна дополнительно нагреваться.

Энергия в газе после конденсирующего блока может дополнительно использоваться, например, при помощи передачи водяного пара и тепла к воздуху для горения, который добавляют к тепловому процессу, или посредством теплового насоса.

В некоторых, особенно в химических установках используют охлаждение горячих газов обильным впрыском воды в охладитель. Охладитель, таким образом, увлажняется, поскольку есть излишек воды. В этих установках не произойдет каких-либо значительных испарений впрыскиваемой воды, поскольку количество воды для обеспечения охлаждения газов является очень большим. Аналогично, не произойдет какого-либо существенного изменения в характеристиках газа (например, температуры конденсации). При охлаждении используют тип форсунок, производящих большие капли и подающих большое количество воды. В результате чего в охладителе используется теплоемкость воды (примерно 4,16 Дж/г/°С) для охлаждения газа.

В некоторых, особенно в химических установках используют охлаждение горячих газов впрыском воды в испарительный охладитель. В испарительном охладителе охлажденный газ может быть высушен и в результате система очистки сухого газа, который необходим в связи с природоохранными требованиями, может быть использована для очистки газов. Примером подобных установок являются установки для производства цемента. Водяной пар в газе из испарительных охладителей не конденсирован и используется для производства горячей воды.

В некоторых установках, работающих на газе или нефти, камера сгорания очень мала и выполнена с инжектором, который используют как газовый насос. Тогда эжектор может быть с последующим теплообменником, где конденсат водяных паров и энергия, таким образом, будут восстановлены. Однако подобные системы не могут, например, использоваться по различным причинам.

Системы подачи и камеры сгорания для твердых топлив очень отличаются от систем подачи и камер сгорания для газообразных топлив.

При использовании твердых топлив частицы будут корродировать и/или блокировать конденсирующий теплообменник.

Изобретение представляет способ и установку, позволяющую передать энергию от горячих газов к воде или другой жидкости посредством значительно меньшего количества теплообменных блоков, поскольку тепло, передаваемое от горячих газов, может быть собрано в единственном конденсирующем блоке. Более того, получен более простой водяной контур, поскольку устранены соединение и управление водяным контуром для конденсирующего блока, а также и конвекционная часть.

Таким образом, изобретение представляет способ восстановления тепла из горячего дымового газа, произведенного в тепловом реакторе по п.1 формулы изобретения. В соответствии со способом вода впрыскивается в одной или нескольких зонах впрыска в таком количестве и таким образом, что температура дымового газа понизится ниже 400°С и температура конденсации газа будет по меньшей мере 60°С из-за испарений воды. Затем газ проводят через блок конденсирующего теплообменника (8), где, по меньшей мере, некоторое количество водяного пара конденсируется и тепло конденсации используется для нагревания потока жидкости, главным образом воды.

- 2 011970

В этом случае обширная теплота испарения воды (приблизительно 2.2 МДж/кг) используется дважды.

1. При помощи впрыска воды и ее испарения количество водяного пара в газе возрастет и, кроме того, повысится температура конденсации газа. Как пример было отмечено, что впрыск воды в дымовой газ от сгорания биомассы в таком количестве, чтобы газ охладился до 150°С, увеличивает температуру конденсации для дымового газа примерно до 85°С. Без впрыска воды температура конденсации в дымовом газе обычно составляет 35-60°С.

2. Охлажденный газ, содержащий большое количество водяного пара, может затем произвести количество энергии в блоке конденсирующего теплообменника, которое было предварительно произведено по меньшей мере в двух блоках, т.е. в сухой и горячей конвекционной части и конденсирующей части. Кроме того, температура конденсации дымового газа значительно повысится из-за впрыска воды, что означает, что блок конденсирующего теплообменника может нагревать воду или другую жидкость до температуры, подходящей для использования непосредственно для подачи.

По меньшей мере часть воды, впрыснутой в горячие газы, будет распылена в форсунках, при помощи чего вода будет испаряться быстрее.

Впрыск воды в горячие газы может происходить в нескольких зонах впрыска, которые могут включать топливо, тепловой реактор, блок очистки газа и/или блок конденсирующего теплообменника. При помощи впрыска воды в топливо и/ или тепловой реактор получен ряд преимуществ:

если установка разработана для жидких топлив, подобная установка может быть использована для сухих топлив при помощи впрыска воды в топливо и/или тепловой реактор. Таким образом, получается установка, приспосабливаемая к различным видам топлива;

образование ΝΟχ можно регулировать и уменьшить, поскольку образование ΝΟχ зависит от температуры.

Тепловой реактор и газовые трубы к блоку конденсирующего теплообменника могут быть разделены или смонтированы вместе в одном блоке, поскольку термическая конверсия тогда происходит в одной зоне, тогда как впрыск воды может происходить в зоне реактора и возможно также где-нибудь в другом месте в последующей зоне.

Перед и/или после конденсирующего блока газ может быть очищен от нежелательных материалов, таких как, например, аммиак, тяжелые металлы, кислоты, хлор, сера, частички, соли и т.д. Это можно выполнить, например, в рукавном фильтре, циклонном фильтре и электрофильтре или в скруббере, возможно вместе с добавлением абсорбентов, таких как активированный уголь, известь, бикарбонат и т. д. Пока температура газа выше температуры конденсации воды, могут использоваться технологии очистки сухого газа, например рукавный фильтр или электрофильтр. Если газ влажный, могут использоваться скрубберы и/или влажные электрофильтры.

Часть воды, впрыснутой в газ, может преимущественно впрыскиваться с высокой скоростью в направлении потока газа. При помощи этого кинетическая энергия от воды может передаваться газу, и впрыск воды может действовать подобно газовому насосу (эжектор).

Если необходима особенно высокая температура подачи, вода, нагретая в блоке конденсирующего теплообменника, может быть дополнительно нагрета, например, с помощью подающего механизма с водяным охлаждением, решетки с водяным охлаждением, площадей в реакторе с водяным охлаждением и/или другими охлаждаемыми поверхностями вокруг площади термической конверсии или с помощью другого теплового производства.

После блока конденсирующего теплообменника некоторое количество энергии остается в газе в форме тепла или водяного пара. Некоторая часть этой энергии может быть использована переводом к воздуху для горения при помощи энтальпийного обменника. В энтальпийном обменнике водяной пар и тепло передаются к воздуху для горения, что вызывает еще большее количество водяного пара в газе и, таким образом, большую производительность конденсирующего блока. Энтальпийные обменники могут быть по-разному сконструированы, например как вращающиеся блоки, где воздух для горения течет на одной стороне и горячие газы на другой, или как система, где газ после блока конденсирующего теплообменника заполняется холодной водой, в результате чего вода нагревается. Нагретая вода после этого используется для нагревания и увлажнения воздуха для горения.

Из-за сжигания твердых топлив, например соломы или отходов, обычно возникает оседание частиц на конвекционной части, поскольку горячие частицы клейкие в связи с низкой температурой плавления золы. При помощи впрыска воды и соответствующим уменьшением температуры газа данная проблема исчезает.

Горячая вода может быть произведена близко к месту потребления или послана к потребителю через сеть централизованного теплоснабжения. Установки, сконструированные в соответствии с изобретением, могут быть изготовлены очень широкого спектра величины выходной мощности, приблизительно от 1 кВт до 250 МВт.

Тепловой блок может иметь другие назначения, чем только производство тепла, например производство газа и электричества наряду с прочим. Среди технологий, релевантных изобретению, могут быть упомянуты установки для сжигания твердого топлива (биомассы, мусора и угля) только для производства тепла, так же как и производства тепловой и электрической энергии; котлы на жидком топливе и газе;

- 3 011970 двигатели; газовые турбины; газификационные установки и т.д.

Если тепловой блок является тепловым блоком с псевдоожиженным слоем, впрыск воды в слой может быть использован для регулирования температуры в слое, при помощи чего могут быть получены эксплуатационные (например, шлакообразование) и экологические (например, уменьшение ΝΟχ) преимущества. Впрыск воды в слой будет дополнительно способствовать псевдоожижению слоя. Данный тип регулирования температуры в значительной мере более надежен в эксплуатации, чем традиционная техника в виде охлаждающих змеевиков, которые быстро стираются о материал слоя.

Конденсированная вода может быть очищена от частичек, солей, тяжелых металлов и т.д. и ее рН приведена в соответствие, перед ее повторным использованием или введением.

Вода, впрыскиваемая в топливо в тепловом блоке, в газы или в конденсатор, может быть конденсатом, отделенным в конденсирующем блоке, или водой, добавленной извне.

В тепловом блоке, конденсирующем блоке и в соединяющем газоходе может быть атмосферное давление или давление ниже или выше атмосферного.

Изобретение дополнительно представляет систему для разложения топлива и производства горячей воды по п.14 формулы изобретения и содержит тепловой реактор, дымовой газоход, одно или несколько устройств, впрыскивающих воду, например в виде форсунок, и блок конденсирующего теплообменника, присоединенный к дымовому газоходу. Здесь, по меньшей мере, некоторое количество водяного пара конденсируется, и тепло конденсации используется для нагревания потока жидкости, предпочтительно воды, и средства для регулирования впрыска воды в дымовой газ, для того чтобы температура дымового газа уменьшилась ниже 400°С и температура конденсации газа стала по меньшей мере 60°С из-за испарения воды.

Изобретение объясняется более подробно ниже, ссылаясь на фигуры, где:

на фиг. 1 схематически показана первая разработка установки в соответствии с изобретением;

на фиг. 2 схематически показана вторая разработка установки в соответствии с изобретением, где твердое топливо сгорает в котле с решеткой и где частицы удаляются из дымового газа в рукавном фильтре перед конденсацией;

на фиг. 3 схематически показана третья разработка установки в соответствии с изобретением, где твердое топливо сгорает в котле с решеткой и где вода добавляется посредством эжектора;

на фиг. 4 схематически показана пятая разработка установки, где топливо переходит в газообразное состояние и используется тепловая энергия газа;

на фиг. 5 показана диаграмма, показывающая зависимость выходной мощности конденсирующего блока от охлаждения газа, с и без предварительного впрыска и испарения воды; и на фиг. 6 показаны две таблицы с расчетом энергии, причем влажное и сухое топливо соответственно преобразовано. Расчеты показывают результаты для современной стандартной технологии и для изобретения с и без увлажнения воздуха для горения.

Ниже соответствующие части в различных разработках будут иметь одинаковые сноски.

На фиг. 1 изображен блок, или термический реактор 1, в который добавляют топливо. Топливо термически конвертируется путем добавления воздуха (и/или кислорода). Вследствие чего теплый газ вырабатывается в тепловом блоке 1. Топливо, добавляемое к блоку 1, является твердым, например биомассой, отходами или углем. Если тепловой блок 1 разработан для топлива с низкой теплотой сгорания, например влажного топлива, и если добавленное топливо имеет высокую теплоту сгорания, температура в блоке или генераторе 1 может регулироваться при помощи добавления воды в топливо в точке 2 и/или при помощи добавления воды в точке 3 внутри теплового блока 1.

В точке 4 вода впрыскивается в горячие газы, покидающие тепловой блок 1.

Вода испаряется и значительно охлаждает газы, поскольку энергия испарения от воды очень значительна. Блок, в котором происходит впрыскивание 4, может быть выполнен из термостойкой стали, кирпичей, литья и/или других материалов. Количество воды, добавляемой в точке 4, можно регулировать на основании температуры газа и/или температуры конденсации с помощью соответствующего устройства управления 8, расположенного после точки 4, где впрыснутая вода испарилась.

Если охлажденный газ содержит загрязняющие вещества, например частицы, блок очистки газа 5 может удалить эти загрязняющие вещества из сухого газа. Посредством газодувки или насоса 6 газ может быть закачан в блок конденсирующего теплообменника 8, где тепло в газах, включая теплоту конденсации в водяном паре, может быть передано к воде, которая будет нагрета. В конденсирующем блоке вода также может впрыскиваться в точке 7.

Всасыватель газа 6 также может располагаться после конденсирующего блока 8, где поток газа снижается из-за охлаждения газа и конденсации водяных паров.

В и/или после конденсирующего блока 8 больше загрязняющих веществ может быть удалено из газа в точке 9 и/или из произведенного конденсата в точке 12. После конденсирующего блока 8 некоторое количество энергии, оставшееся в газе в форме тепла и влаги, может быть передано в точке 10 воздуху для горения, который добавляют к тепловому блоку 1. Увлажненный воздух может быть дополнительно нагрет в теплообменнике 11 перед добавлением воздуха к тепловому блоку 1, в результате чего подводящие трубопроводы сохраняются сухими.

- 4 011970

Установка данного типа может быть изготовлена с различными величинами выходной мощности, от нескольких киловатт (домашние бойлеры) до крупных установок выше 100 МВт.

Фиг. 2 показывает сжигающую установку для производства централизованного теплоснабжения, где газ очищают перед конденсацией и увлажняют воздух для горения, где 1 - камера сгорания для сжигания твердого топлива. Установка выложена кирпичом таким образом, что она может сжигать топливо с высоким содержанием влаги (до 60% воды), которое в другом случае имеет низкую теплоту сгорания (ниже 10 МДж/кг). Топливо с высокой теплотой сгорания может также сгореть в подобной установке, так как вода может быть добавлена к топливу в точке 2 или в котельной в точке 3. Дополнительно, в точке 4 воду добавляют к горячим газам, покидающим камеру сгорания 1. Вода испаряется и охлаждает газы приблизительно до 150-200°С. Впоследствии газ очищают от частиц в рукавном фильтре 5. Если другие вещества должны быть удалены из газа, перед фильтром могут быть добавлены абсорбенты, например известь, активированный уголь, бикарбонат и т. д.

Дымовой газ всасывают через всасыватель газа или насос 6 и охлаждают в конденсирующем блоке 8, содержащем две охладительные башни, расположенные одна над другой, обозначенные соответственно Кол.1 и Кол. 2, и теплообменник, поскольку дымовые газы текут в разные стороны с охлажденным конденсатом 7а. Поскольку конденсирующий блок 8 выполнен из стекловолокна, важно, чтобы газ был охлажден ниже 150°С перед входным отверстием. Добавление воды в форсунку в точке 7Ь защищает входное отверстие конденсатора от перегрева. В охлаждающей башне Кол. 1 охлажденная вода добавлена в точку 7а. Таким образом, пар в потоке дымового газа является конденсированным, и конденсат собирается в отсеке под охлаждающими башнями и входным отверстием. Горячий конденсат подвергается процессу теплообмена в теплообменнике с водой в централизованной системе теплоснабжения, которая не показана, поскольку холодная вода централизованного отопления добавляется через возвратную трубу, тогда как горячую воду ведут обратно в систему через подающую трубу. Поскольку температура конденсации дымового газа является большой, например около 85°С, температура произведенного конденсата может быть около 85-90°С. Таким образом, вода централизованного отопления может быть нагрета от конденсата на одной единственной стадии.

Воздух для горения, добавленный в камеру сгорания 1, нагревают в увлажнителе воздуха, где горячая вода добавляется посредством нагревающего устройства 11, при этом воздушные каналы сохраняются сухими. Вода, добавленная в точках 2-4, 7а, 7Ь, может, как показано, быть охлажденным конденсатом, покинувшим теплообменник, и любой избыточный конденсат может быть отведен в точке 19. Конденсат, собранный в нижней части увлажнителя, может быть использован для добавления к охлаждающей башне Кол. 2.

Когда дымовой газ будет охлажден при помощи конденсата в башне Кол. 1, он будет проведен через другую секцию Кол. 2, где газ охлаждают водой, охлажденной при помощи воздуха для горения. Охлаждение дымового газа и увлажнение воздуха для горения вместе образуют энтальпийный обменник 10, повышающий энергетический КПД.

Фиг. 3 показывает сжигающую установку для производства централизованного теплоснабжения. Газ проводят через установку посредством эжекторного насоса. Камера сгорания для сгорания твердого топлива обозначается 1. В точке 4 вода добавляется к горячим газам, покидающим камеру сгорания 1. Вода испаряется и охлаждает газы. В точке 7а воду впрыскивают на большой скорости в направлении потока газа через трубу, сечение которой возрастает в направлении потока. В результате чего впрыск воды в точке 7а через трубу действует как эжектор.

В конденсирующем теплообменнике 8 тепловая энергия передается от дымового газа к воде централизованного теплоснабжения. Теплообменник в точке 8 может быть сделан из стекла, пластика или кислотостойкой нержавеющей стали, но без требований теплостойкости. Обменник может быть очищен от частиц посредством воды, впрыснутой в точке 7Ь, но это не должно быть непрерывной очисткой. Произведенный конденсат может быть очищен от частиц и т. д. в точке 12 перед использованием его в качестве впрыскиваемой воды в точках 4а, 4Ь и 7 перед сливанием в дренажный водосток в точке 19.

Фиг. 4 показывает предпочтительную разработку газификаторной установки 1, где изготовленный газ вначале охлаждают при помощи предварительного нагрева воздуха для горения в теплообменнике, а потом охлаждают впрыском воды в точке 4. Изображенный газификатор является типа поэтапного фиксированного слоя, но в принципе могут быть другие типы газификаторов, например газификатор с псевдоожиженным слоем.

После впрыска воды в точке 4 газ очищается от частичек (и возможно смол), например, в рукавном фильтре и/или в фильтре 5 на основе активированного угля, после которого газ в теплообменнике 8 охлаждается во время конденсации воды. Посредством газодувки или насоса 6 газ вдувается в блок преобразования, здесь показан как двигатель, но это также могут быть другие блоки преобразования, например газовая турбина, оборудование сжижения для преобразования газа в жидкое топливо и т. д.

Энергия дымового газа от блока преобразования может быть использована, например, для производства тепла. Таким образом, изобретение может быть использовано дважды.

- 5 011970

На фиг. 5 приведена диаграмма, показывающая зависимость выходной мощности от охлаждения дымового газа от соответственно обычного котла и при помощи впрыска воды в соответствии с изобретением, относительно фиг. 2 и 3.

Общие данные для двух вычислений следующие:

количество топлива (отходы/древесная щепа) - 3000 кг/ч;

содержание влаги в топливе - 45% О₂, в дымовом газе - 5% (сухой);

температура дымового газа, выходящего из котла/после впрыска воды - 150°С.

Из фиг. 5 очевидно, что около 1700 кВт может быть произведено в конденсирующем блоке охлаждением дымового газа приблизительно до 45°С стандартными технологиями, при этом 8500 кВт может быть произведено, используя изобретение. Температуры произведенной воды тоже очень отличаются. С помощью стандартных технологий температура производимой воды составляет около 65°С. Однако, используя изобретение, температура производимой воды может быть около 85-90°С. В большинстве случаев температура подачи 85°С будет удовлетворительной, но, если она недостаточна, радиационное охлаждение секции/решетки может быть присоединено для повышения температуры. Если, например, 95°С желаемая температура подачи, около 10-20% энергии должно производиться радиационным охлаждением секции/решетки.

Фиг. 6 показывает две таблицы с основными данными выбранных расчетов для установок централизованного теплоснабжения. Из основных данных видно, что производительность при использовании влажных топлив будет одинаковой для стандартных разработок с операцией конденсации и с впрыскиванием воды.

Расчеты относительно изобретения консервативны, т.е. факт, что изобретение предусматривает лучшее управление установкой и таким образом предусматривает меньшее количество излишка воздуха, давая более высокую степень производительности, не был принят во внимание в расчете.

Поскольку операция конденсации на сухих топливах нестандартна, новый способ дает высокую степень производительности при использовании сухих топлив. Должно быть отмечено, что в случае высокой температуры возврата (выше 45°С) и сухого топлива, процесс будет потреблять воду, если не используется увлажнение воздуха для горения.

Дополнительно увлажнение способно существенно повысить степень производительности, особенно при высоких температурах возврата. Из-за впрыскивания воды количество дымового газа повышается во время охлаждения дымового газа. Конденсирующий блок и принадлежащие ему трубы, конечно, должны иметь соответствующие размеры для этого.

Резюмирование наиболее важных преимуществ данного изобретения.

Более простая и дешевая установка.

Наиболее важным преимуществом решения является то, что конструкция становится значительно более простой и дешевой, чем обычные конденсационные установки и с конвекционной частью, и с конденсирующим блоком. Используя изобретение, можно сэкономить на конвекционном котле и принадлежащем котлу контуре с ответвлениями и теплообменником, водяной контур и управление производством тепла станет более простым и вследствие чего - более дешевым. Однако будут необходимы дополнительные средства на дозирование воды и более крупную конденсационную установку, но они будут незначительными сравнительно со сбереженными средствами.

Компактная установка.

Принципы, используемые для передачи тепла от газов к воде в решении (испарение воды в горячий газ и скруббер + пластинчатый теплообменник/конденсаторный трубчатый охладитель), очень эффективны (сравнительно с сухой конвекцией) и вследствие чего - компактны. Поскольку число блоков уменьшено и принципы передачи тепла более эффективны, вся установка становится более компактной.

Низкие эксплуатационные расходы.

Эксплуатационные расходы системы впрыска воды станут значительно меньше, чем существующие эксплуатационные расходы работы котла.

Используя псевдоожиженный слой и используя впрыск воды для регулирования температуры слоя, сбережения также получены для обслуживания, поскольку обычные охладительные трубы, которые будут изнашиваться об материал слоя, устранены.

Универсальность топлива.

До сих пор было необходимым конструировать установки и для жидкого, и для сухого топлива. Влажное топливо требует кирпичной облицовки в камере сгорания для получения хорошего горения. Если сухое топливо используется в установках с кирпичной облицовкой, температура горения будет слишком высокой. С принципом впрыска воды камера сгорания может быть использована для влажного топлива и в случае сжигания сухого топлива необходимое количество воды будет добавлено, для того чтобы держать температуру низкой.

- 6 011970

Высокая производительность при помощи лучшего управления воздухом.

Производительность повышается при помощи низкого потребления воздуха, поскольку потери дымового газа становятся меньшими. С аккуратным расположением и управлением водяными форсунками потребление воздуха может быть уменьшено по сравнению с установками с работой котла, что дает лучшую производительность.

Высокая производительность при помощи увлажнения воздуха для горения.

Производительность дополнительно повысится на 5-15% при помощи увлажнения воздуха для горения.

Меньшие выбросы.

Тепловые ΝΟχ могут быть уменьшены при помощи впрыска воды в и вблизи камеры сгорания, особенно в случае сгорания газа и угля.

Выбросы НС1, 8О₂, диоксинов и т.д. будут уменьшены, если воду в конденсирующем блоке нейтрализовать, например, с помощью ΝαΟΗ.

Выброс частиц будет уменьшен при использовании фильтров, например рукавных фильтров.

Также понятно, что различные изменения и модификации вариантов осуществления изобретения, изложенных выше, могут быть выполнены в рамках приложенной формулы изобретения. Более того, использование твердого топлива в способе и системе, обозначенной в формуле, может быть заменено или дополнено использованием газообразного и/или жидкого топлива.

Claims (19)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ утилизации тепла горячего дымового газа, произведенного в тепловом реакторе, работающем на твердом топливе, при этом указанный способ содержит этапы, на которых впрыскивают воду в газ в одной или нескольких зонах впрыска в таком количестве и таким образом, что в результате испарения впрыснутой воды температура дымового газа понижается до температуры ниже 400°С и температура конденсации газа становится по меньшей мере 60°С, затем пропускают газ через конденсирующий теплообменник, где, по меньшей мере, некоторое количество водяного пара в газе конденсируется и высвобождается тепло конденсации, и используют тепло конденсации для нагревания потока жидкости, такой как вода, в теплообменнике.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура конденсации газа становится по меньшей мере 70°С, предпочтительно 80 или 85°С.
3. 3. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что температура дымового газа понижается до температуры ниже 300°С, предпочтительно до 150-200°С.
4. 4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что зоны впрыска расположены в одном или нескольких тепловых реакторах, зонах, расположенных за тепловым реактором в направлении потока газа, топливе в тепловом реакторе и теплообменнике.
5. 5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что загрязняющие вещества удаляют из газа при помощи рукавного фильтра, циклонного фильтра, электрофильтра, скруббера или подобных устройств.
6. 6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что загрязняющие вещества удаляют из конденсированной воды.
7. 7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что рН конденсированной воды регулируют.
8. 8. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что, по меньшей мере, некоторое количество воды, впрыскиваемой в дымовой газ, распыляют, используя форсунку.
9. 9. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что часть впрыскиваемой воды впрыскивают при скорости свыше 20 м/с в направлении потока газа.
10. 10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что жидкость, нагретую в теплообменнике, дополнительно нагревают, например, при помощи подающего механизма с водяным охлаждением, решетки с водяным охлаждением, поверхностей с водяным охлаждением в реакторе или других охлаждаемых поверхностей вокруг теплового реактора.
11. 11. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что водяной пар и тепло подводят к воздуху для горения, который подводят к тепловому реактору.
12. 12. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что тепловой реактор является реактором с псевдоожиженным слоем, и впрыск воды в слой используют для регулирования температуры и параметров потока в слое.
13. 13. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что конденсированную воду из теплообменника впрыскивают в одной или нескольких зонах впрыска.
14. 14. Система для газификации твердого топлива и получения горячей жидкости, содержащая тепловой реактор газификации топлива и получения горячего дымового газа из топлива, испарительный охладитель с устройствами впрыска воды, например в виде форсунок, для впрыска воды в дымовой газ так, чтобы впрыскиваемая вода испарялась,

    - 7 011970 устройства для регулирования впрыска воды в газ так, чтобы в результате испарения впрыснутой воды температура газа уменьшилась до температуры ниже 400°С и температура конденсации газа стала по меньшей мере 60°С, и конденсирующий теплообменник для конденсации, по меньшей мере, некоторого количества водяного пара в газе и использования тепла конденсации для нагревания потока жидкости, такой как вода.
15. 15. Система по п.14, отличающаяся тем, что дополнительно содержит одну или несколько форсунок для впрыска воды в одно или несколько топлив в тепловом реакторе, тепловой реактор и дымовой газ в связи с теплообменником.
16. 16. Система по пп.14-15, отличающаяся тем, что дополнительно содержит блок очистки газа в виде рукавного фильтра, электрофильтра, скруббера или подобного.
17. 17. Система по пп.14-16, отличающаяся тем, что имеет средства для ведения, по меньшей мере, некоторого количества жидкости от теплообменника к другому блоку для дополнительного нагревания.
18. 18. Система по пп.14-17, отличающаяся тем, что дополнительно содержит энтальпийный обменник, где водяной пар и тепло передают в воздух для горения, добавляемый в реактор.
19. 19. Система по пп.14-18, отличающаяся тем, что содержит реактор с псевдоожиженным слоем со средствами для впрыска воды в слой для того, чтобы регулировать температуру, выбросы (ΝΟχ) и параметры потока.