парогенератор и способ получения высокотемпературного водяного пара

Формула изобретения

1. Парогенератор, включающий корпус, запальное устройство, узел подвода низкоэнтальпийного водяного пара, выходную часть, отличающийся тем, что 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.

2. Способ получения высокотемпературного водяного пара, включающий сгорание водорода и кислорода в стехиометрическом соотношении и смешение продуктов сгорания с балластировочным компонентом, отличающийся тем, что 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.

Описание изобретения к патенту

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.