ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2232903
КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ТЕПЛОЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ. КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР
Имя изобретателя: Поливода А.И. (RU); Поливода Ф.А. (RU); Цой А.Д. (RU); Цой К.А. (RU)
Имя патентообладателя: Цой Константин Александрович (RU)
Адрес для переписки: 105425, Москва, Сиреневый б-р, 12, корп.1, кв.50, пат.пов. Т.Г. Горячкиной, рег. №152
Дата начала действия патента: 2000.02.15
Изобретение относится к теплоэлектростанциям для экологически чистой
выработки электроэнергии и теплоснабжения потребителей. Тепловая электростанция
состоит из каталитического реактора на “псевдосжиженном кипящем слое”,
турбоэкспандера с генератором электроэнергии, регенеративных теплообменников,
установленных последовательно, традиционного или воздушного конденсатора с
охлаждением. Параллельно дополнительному регенеративному теплообменнику через
байпасный переключатель подключен теплофикационный теплообменник, к которому
подведены трубы теплоцентрали. Байпасный переключатель предназначен для
регулирования отбора тепловой энергии к потребителю. Каталитический реактор состоит
из полого корпуса, в нижней части которого над газораспределительной решеткой
размещен “псевдосжиженный кипящий слой”, парогенератора в виде змеевиков,
пароперегревателя, частично погруженного в кипящий слой, регенератора отходящих газов.
Корпус выполнен с экранно-вакуумной изоляцией. Изобретение позволяет осуществить
создание полностью автономных экологически чистых каталитических ТЭЦ, решающих
проблему децентрализации тепло- и энергоснабжения населения.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к электростанциям для экологически чистой выработки
электроэнергии и теплоснабжения потребителя, в особенности в качестве замещающих
энергоустановок. Изобретение может быть также использовано как основа для автономных
мобильных быстромонтируемых миниэлектростанций для промышленных и бытовых объектов,
а также в качестве аварийных и пиковых электростанций в энергосистемах.
В качестве аналога предложения принимается известная солнечная
комбинированная электростанция, включающая циркуляционные петли теплопередачи от
модульного зеркального параболического концентратора солнечной энергии и от
высокотемпературные фототермических и фотоэлектрических теплогенераторов,
снабженная дублирующим источником тепла для выработки электроэнергии в паросиловом
цикле в виде каталитического реактора с секционными теплообменниками с
абсорбционными теплопроводами. Электростанция снабжена двигателем в виде объемной
роторной паровой машины (турбоэкспандером), имеющей преимущества перед турбиной по
надежности и металлоемкости (патент РФ №2111422, публ. 20.05.98 г.).
Недостатками аналога являются большая площадь приемников солнечной энергии, высокая
стоимость оборудования, большая площадь застройки со снижением эффективности
землепользования.
В качестве прототипа каталитической теплоэлектростанции с паросиловым циклом
принимается электростанция с комбинированным паросиловым циклом, включающая
паросиловой контур с парожидкостным рабочим телом, состоящим из каталитического
реактора, турбоэкспандера с генератором электроэнергии, конденсатора с охлаждением,
питательного насоса, регенеративного теплообменника (патент РФ №2122642, публ. 27.11.98).
Известная электростанция исключает загрязнение атмосферы окислами азота, серы,
бензпиреном и т.д., что повышает экологическую чистоту выработки электроэнергии. К
недостаткам прототипа следует отнести высокую техническую сложность создания
высокоэффективных панельных каталитических теплогенераторов. Необходимость частой
регламентной замены панелей, пропитанных катализатором, усложняет эксплуатацию
электростанции, повышает стоимость электроэнергии.
В качестве прототипа каталитического реактора - парогенератора принимается
каталитический реактор, реализующий каталитический способ сжигания топлива,
содержащий полый корпус, внутри которого в нижней части над газораспределительной
решеткой расположен “псевдосжиженный кипящий слой” суспензии взвешенных в воздухе
гранул носителей катализатора, центральную трубу для отвода газов (см. пример
реализации способа, предложенный в описании к патенту РФ №826798, публ. 30.05.83 г.).
Недостатком известного каталитического реактора является неприспособленность для
получения пара, тем более перегретого с параметрами, необходимыми для работы паровой
машины.
Техническим результатом заявленного изобретения является создание полностью
автономных каталитических ТЭЦ, решающих проблему децентрализации тепло- и
электроснабжения населения и объектов промышленности, упрощение конструкции,
эксплуатации, повышение КПД (по использованию тепловой энергии топлива), обеспечению
экологической чистоты тепло- и электроснабжения.
Технический результат достигается тем, что известная тепловая электростанция с
паросиловым циклом, включающая паросиловой контур с парожидкостным рабочим телом,
состоящим из каталитического реактора, турбоэкспандера с генератором электроэнергии,
конденсатора с охлаждением, конденсатного насоса, регенеративного теплообменника,
снабжена дополнительным регенеративным теплообменником, установленным
последовательно с первым, и теплофикационным теплообменником с системой байпасов с
вентилями, установленным параллельно дополнительному регенеративному теплообменнику,
вход дополнительного регенеративного теплообменника соединен с выходом
турбоэкспандера, а выход через воздушный конденсатор и конденсатный насос - с холодной
частью дополнительного регенеративного теплообменника, выход каталитического
реактора соединен с входом первой расширительной ступени турбоэкспандера.
В известном каталитическом реакторе, состоящим из полого корпуса, внутри которого в
нижней части над газораспределительной решеткой расположен “псевдосжиженный кипящий
слой” взвешенных в воздухе гранул носителей катализатора, центральной трубы для
отвода газов, введены парогенератор, пароперегреватель и регенератор отходящих газов,
пароперегреватель выполнен трубчатым и размещен частично в верхней части “псевдосжиженного
кипящего слоя”, частично над ним, парогенератор выполнен в виде змеевиков,
расположенных концентрически вокруг центральной трубы в верхней части полого корпуса,
регенератор отходящих газов соединен с центральной трубой, корпус реактора имеет
экранно-вакуумную изоляцию.
Сущность предложенного изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена общая
схема каталитической теплоэлектростанции, на фиг.2 - схема конструкции каталитического
реактора.
Каталитическая теплоэлектростанция включает каталитический реактор 1, турбоэкспандер
2, который может быть многоступенчатым с, например, первой расширительной ступенью 3 и
последующей расширительной ступенью 4. На валу турбоэкспандера 2 расположен
электрический генератор 5. Выход первой расширительной ступени 3 турбоэкспандера 2
соединен со входом первого регенеративного теплообменника 6, выход последующей
расширительной ступени 4 соединен с дополнительным регенеративным теплообменником 7.
Параллельно дополнительному регенеративному теплообменнику 7 через систему (байпасный
переключатель) байпасов с вентилями подключен теплофикационный теплообменник 9,
который служит для отбора тепловой энергии, то есть к нему подведены трубы
теплоцентрали. Байпасный переключатель предназначен для регулирования отбора
тепловой энергии потребителю. Выход дополнительного регенеративного теплообменника 7
через байпасный переключатель 8 соединен с воздушным или традиционным конденсатором 10
с системой охлаждения, выход которого, в свою очередь, через конденсатный насос 11,
систему регенеративных теплообменников 6 и 7 связан с входом каталитического реактора.
В теплофикационном теплообменнике 9 часть рабочего тела может переходить в жидкую фазу,
поступающую также на вход конденсатного насоса 11.
Каталитический реактор 1 состоит из полого корпуса 12, внутри которого в нижней части с
зазором относительно дна корпуса 12 установлена газораспределительная решетка 13. Над
газораспределительной решеткой 13 размещен “псевдосжиженный кипящий слой” 14
суспензии взвешенных в воздухе гранул носителей катализатора. В верхней части полого
корпуса 12 расположена центральная труба 15, предназначенная для отвода отходящих газов.
Вокруг центральной трубы 15 расположен парогенератор 16, который выполнен в виде
нескольких трубчатых змеевиков, размещенных концентрически вокруг центральной трубы
15. Парогенератор 16 с паросборником 17, который установлен в полости хода отходящих газов.
Змеевики подключены к нижнему конденсатному коллектору 18. Внутри центральной трубы 15
частично погружен в “псевдосжиженный кипящий слой” трубчатый пароперегреватель 19,
который выполнен в виде змеевика. Пароперегреватель 19 каталитического реактора 1
соединен посредством трубопровода со входом парового двигателя, например
турбоэкспандера (в данном случае). Каталитический реактор снабжен регенератором 20
топочных (отходящих) газов. Корпус 12 содержит экранно-вакуумную изоляцию.
Работает каталитическая теплоэлектростанция и каталитический реактор следующим
образом.
Работа каталитической теплоэлектростанции основана на использовании энергии
термодинамического паросилового цикла с паровым двигателем преимущественно в виде
турбоэкспандера 2 и каталитическим реактором 1. Насыщенный или перегретый пар с высоким
давлением и температурой (двухфазное рабочее тело) по трубопроводам поступает на вход
роторов первой расширительной ступени 3 многоступенчатого, в общем случае,
турбоэкспандера 2, на валу которого расположен электрический генератор 5. С выхода
первой ступени 3 турбоэкспандера 2 пар поступает в первый регенеративный теплообменник
6 подогрева конденсата, а затем пар идет на роторы последующей расширительной ступени 4
турбоэкспандера 2. После расширения в роторах I и II ступени и совершения механической
работы пар поступает на второй регенеративный теплообменник 7, где он также отдает
часть тепла конденсату. Параллельно с дополнительным теплообменником 7 через
байпасный переключатель 8 подключен теплофикационный теплообменник 9, который служит
для отбора тепловой энергии, т.е. к нему подведены трубы теплоцентрали. Байпасный
переключатель 8 предназначен для регулирования отбора тепловой энергии к потребителю.
С выхода байпасного переключателя 8 рабочее тело в фазе пара поступает в воздушный или
традиционный конденсатор 10 с системой охлаждения 7, в котором осуществляется
конденсация пара в жидкий конденсат, нагнетаемый конденсатным (питательным) насосом 11
через систему теплообменников 6 и 7 на вход каталитического реактора 1. Таким образом,
потребителям с выхода электрогенератора 5 поступает электроэнергия, а с выхода
теплофикационного теплообменника 9 потребителю поступает горячая вода для
теплоснабжения. В качестве рабочего тела в каталитической теплоэлектростанции могут
быть использованы водяной пар или органическое рабочее тело R216 и др. В зимнем,
преимущественно теплофикационном, режиме работы каталитической теплоэлектростанции
байпасный переключатель 8 включает в паросиловой цикл теплофикационный теплообменник
9 и отключает второй регенеративный теплообменник 7. В этом режиме работы тепловая
мощность электростанции возрастает, а электрическая снижается, причем сброс тепловой
энергии через систему охлаждения конденсатора 10 может быть сведен к нулю, а
конденсация пара осуществляется в теплофикационном теплообменнике 9. В летнем режиме
работы теплообменник 9 отключается, а теплообменник 7 включается. При этом
электрическая мощность теплоэлектростанции максимальна, что требует летний режим
работы электрических кондиционеров в зданиях. В весенний и осенний сезоны возможны
промежуточные режимы работы электростанции за счет перераспределения потоков
тепловой энергии между конденсатором 10 и теплообменником 9 с помощью байпасного
переключателя 8 по заданной программе графика тепловой и электрической нагрузки
потребителя.
Каталитический реактор 1 предназначен для выработки насыщенного или перегретого пара
с параметрами, необходимыми для использования в паровых двигателях с
электрогенератором при производстве электро- и теплоэнергии. Работа каталитического
реактора 1 основана на низкотемпературном сжигании 650-800ºС
жидкого или газообразного топлива в присутствии катализатора, нанесенного на
поверхность гранул из пористого материала размером до 4 мм. При низкотемпературном
сжигании не возникает условий для образования вредных выбросов, главным образом Nox и
бензпирена. В каталитическом реакторе 1 через газораспределительную решетку 13
подается воздух, поднимающий слой гранул с катализатором, при этом гранулы начинают
хаотично перемещаться, образуя так называемый “псевдосжиженный кипящий слой” 5. Затем
в этот слой с помощью форсунки подается топливо, которое после розжига начинает гореть
на поверхности пор гранул. В верхней части реактора расположена центральная труба 15, по
которой проходят отходящие газы. Отходящими газами вода или другое рабочее тело
нагревается в змеевиках парогенератора 16, образующийся при этом пар собирается в
паросборнике 17, расположенном в верхней части реактора 1. Из паросборника 17 пар под
давлением поступает в пароперегреватель 19. При этом пар в пароперегревателе 19 идет в
противоход отходящим газам. Пароперегреватель 19 нижней своей частью погружен в “псевдосжиженный
кипящий слой” 14, что дает возможность использовать часть инфракрасного излучения,
возникающего в результате каталитического окисления, тем самым повышается КПД
реактора. Из пароперегревателя 19 пар по трубопроводу подается на вход парового
двигателя, выполненного в виде турбины или предпочтительно (в данном случае)
турбоэкспандера, или другому потребителю. Реактор конструктивно совмещен с
регенератором отходящих газов 20 для подогрева топлива и воздуха. Корпус 12 реактора 1
содержит экранно-вакуумную изоляцию 21, позволяющую исключить излучательные
теплопотери. Реактор 1 может работать на различных видах газообразного, жидкого и
твердого топлива. Ими могут быть природный и сжиженный газ, жидкие и твердые
углеводороды, в том числе керосин, соляровое масло, тяжелые парафины, мазут, сырая нефть,
а также гранулированное твердое топливо - уголь, сланцы, торф, древесина. Еще одним
экологическим преимуществом работы такого каталитического реактора является эффект
“самоочистки” при сжигании мазута тяжелых парафинов и твердых теплив, содержащих
серу, которая в процессе каталитического окисления и истирания гранул уходит в шлаки,
осаждаемые в циклоне. Шлаки как ценное сырье могут быть использованы в строительной
индустрии.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Каталитическая теплоэлектростанция с паровым циклом, включающая паросиловой контур
с парожидкостным рабочим телом, состоящая из каталитического реактора, соединенного с
входом турбоэкспандера с генератором электроэнергии, регенеративного теплообменника,
воздушного конденсатора с охлаждением, выход которого через конденсатный насос связан
с входом каталитического реактора, и теплофикационного теплообменника, отличающаяся
тем, что она снабжена дополнительным регенеративным теплообменником, установленным
последовательно с первым, теплофикационный теплообменник снабжен системой байпасов с
вентилями (байпасным переключателем), при этом вход дополнительного регенеративного
теплообменника соединен с выходом турбоэкспадера, а выход - через байпасный
переключатель с воздушным конденсатором, а теплофикационный теплообменник соединен с
входом конденсатного насоса.
2. Каталитический реактор, состоящий из полого корпуса, внутри которого в нижней части
над газораспределительной решеткой расположен “псевдосжиженный кипящий слой”
суспензии взвешенных в воздухе гранул носителей катализатора, центральной трубы для
отвода отходящих газов, отличающийся тем, что он снабжен парогенератором,
пароперегревателем и регенератором топочных газов, при этом парогенератор выполнен в
виде змеевиков, расположенных концентрически вокруг центральной трубы в верхней части
внутри полого корпуса, пароперегреватель выполнен в виде змеевика, частично погружен в
“псевдосжиженный кипящий слой”, при этом регенератор топочных отходящих газов
соединен с центральной трубой, а корпус имеет экранно-вакуумную изоляцию.
Версия для печати
Дата публикации 14.02.2007гг
вверх
|
