Установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при регулируемой циркуляции переносчиков кислорода
Полезная модель относится к новой технологии сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода (СО 2). Достигаемым результатом полезной модели является повышение надежности работы установки путем улучшения контроля и регулирования технологического процесса сжигания топлива в химическом цикле с сепарацией СО2. Согласно полезной модели установка с окислительным реактором (ОР) кипящего слоя (КС), восстановительным реактором (ВР) КС и с системой обеспечения циркуляции частиц - переносчиков кислорода дополнительно содержит два дифференциальных манометра, измеряющих перепады давления в стояке системы циркуляции указанных частиц для поддержания режимов гидродинамики системы и достижения оптимальных условий работы установки по степени конверсии частиц - переносчиков кислорода и сепарации СО2. 1 нез.п. ф-лы, 1 ил.
Полезная модель относится к новой технологии сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода (СО 2). Суть этой технологии сводится к замене воздуха в процессе сжигании топлива кислородом с использованием частиц оксидов металлов в качестве переносчиков кислорода. При этом в результате отсутствия азота, составляющего большую часть воздуха, продуктами сгорания топлива являются только водяной пар и СО2 , концентрированный поток которого направляется для захоронения или утилизации с исключением необходимости сооружения дорогостоящих установок для улавливания СO2 из дымовых газов. Кроме того, при такой технологии из-за отсутствия азота исключается образование оксидов азота.
Известна установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией СО2 при использовании циркулирующих частиц оксидов металлов в качестве переносчиков кислорода, содержащая окислительный (воздушный) реактор (ОР) кипящего слоя (КС), восстановительный (топливный) реактор (ВР) КС и систему обеспечения циркуляции частиц между указанными реакторами, включающую сепаратор для отделения полученных в ОР частиц оксидов металлов от отходящих газов и два оборудованных управляемыми пневматическими затворами (ПЗ) КС транспортных опускных стояка, один из которых соединяет сепаратор с ВР, а другой - реакторы между собой [1] - прототип. Согласно [1] регулирование потока частиц - переносчиков кислорода по тракту их циркуляции осуществляется с помощью ПЗ. К недостаткам [1] при этом можно отнести отсутствие достоверной информации об уровне слоя частиц в стояке, соединяющем сепаратор с ВР, что при слишком низком уровне слоя может привести к прорыву топливного газа через сепаратор в атмосферу, а при слишком высоком - к уменьшению
конверсии топлива по причине снижения массы слоя в ВР и выбросу топливного газа в атмосферу через выхлопную трубу ВР.
Достигаемым результатом полезной модели является повышение надежности работы установки путем улучшения контроля и регулирования технологического процесса сжигания топлива в химическом цикле с сепарацией СO2.
Указанный результат обеспечивается тем, что установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией СО2 при использовании циркулирующих частиц оксидов металлов в качестве переносчиков кислорода, содержащая ОР КС, ВР КС и систему обеспечения циркуляции частиц между указанными реакторами, включающую сепаратор для отделения полученных в ОР частиц оксидов металлов от отходящих газов и два оборудованных управляемыми ПЗ КС транспортных опускных стояка, один из которых соединяет сепаратор с ВР, а другой - реакторы между собой, согласно полезной модели дополнительно содержит два дифференциальных манометра, а в верхней, средней и нижней частях стояка, соединяющего сепаратор с ВР, установлены штуцеры отбора давления, соединенные импульсными линиями с указанными дифференциальными манометрами, причем к одному из манометров присоединены импульсные линии от штуцеров, установленных в верхней и средней частях указанного стояка, а к другому -от штуцеров, установленных в средней и нижней его частях. Каждый дифференциальный манометр может быть оснащен преобразователем давления в выходной электрический сигнал, причем соответствующий выход манометра, присоединенного к штуцерам в верхней и средней частях стояка, подключен к управляющему органу ПЗ на стояке, соединяющем реакторы между собой, а выход манометра, присоединенного к штуцерам в средней и нижней частях стояка - к управляющему органу ПЗ на стояке, соединяющем сепаратор с ВР.
На чертеже приведена принципиальная схема установки согласно полезной модели. Установка, согласно полезной модели, содержит ОР 1 КС,
ВР 2 КС и систему обеспечения циркуляции частиц между указанными реакторами 1, 2, которая включает сепаратор 3 для отделения полученных в ОР 1 частиц оксидов металлов от отходящих газов и два транспортных опускных стояка 4, 5. При этом стояк 4 соединяет сепаратор 3 с ВР 2, а стояк 5 - реакторы 1, 2 между собой. Стоки 4, 5 оборудованы управляемыми ПЗ соответственно 6, 7. Для управления ими ПЗ 6 снабжен линией 8 ожижающего газа (СО2) с установленным на ней управляющим органом (регулирующим клапаном) 9, а ПЗ 7 - линией 10 с регулирующим клапаном 11. Стояк 4 снабжен штуцерами 12, 13, 14 отбора давления, расположенными соответственно в верхней, средней и нижней его частях. Установка содержит также два дифференциальных манометра 15, 16, соединенные импульсными линиями 17-20 с указанными штуцерами. Каждый дифференциальный манометр 15, 16 оснащен преобразователем давления в выходной электрический сигнал (на чертеже не показано), причем соответствующий выход манометра 15 присоединен линией 21 к регулирующему клапану 11 ПЗ 7, а выход манометра 16 - линией 22 к регулирующему клапану 9 ПЗ 6.
Установка согласно полезной модели работает следующим образом. В реакторы 1, 2 и опускные стояки 4, 5 загружается определенное количество оксидов металлов - носителей кислорода. В ВР 2 и указанные опускные стояки через ПЗ 6, 7 для ожижения соответствующих слоев частиц оксидов металлов подводится газообразный агент (в ВР 2 - инертный газ, в стояк 4 через ПЗ 6 - СО2 или водяной пар, или инертный газ, в стояк 5 через ПЗ 7 - N 2 или водяной пар, или инертный газ), а в ОР 1 - предварительно подогретый воздух. От постороннего источника, например, электронагревателя (на чертеже не показан) производится разогрев реакторов 1, 2 и системы циркуляции. Устанавливается режим циркуляции оксидов металлов. При достижении заданной температуры (не менее 700°С) в ВР 2 начинают подавать природный газ, например, метан, с соответствующим возможным частичным или полным прекращением подачи в этот реактор инертного газа. При этом происходит восстановление оксидов металлов с выделением СO2 и паров воды.
Реакции протекают с поглощением тепла. Восстановленные частицы оксидов металлов через опускной стояк 5 с ПЗ 7 поступают в реактор 1, в котором происходит их окисление. Реакции окисления происходят с выделением тепла, причем общее тепловыделение в химическом цикле равно тепловыделению от сжигания метана. Частицы оксидов металлов в потоке газов, содержащих, в основном, азот, поступают из ОР 1 в сепаратор 3, где отделяются от газов и транспортируются вниз по опускному стояку 4 через ПЗ 6 в ВР 2. Таким образом, происходит замкнутый цикл движения переносчиков кислорода и разделение потоков газов на СО2 с парами воды, которые легко отделяются при их конденсации, и азот. В энергетических установках оба потока газов могут быть использованы в отдельных газовых турбинах. Отработанный в газовой турбине поток СO 2 после конденсации паров воды поступает на захоронение.
Для поддержания оптимальных условий конверсии природного газа в ВР 2 и воздуха в ОР 1 необходимо иметь достаточную массу материала (высоту слоя) в реакторах и определенную кратность циркуляции материала в цикле. При заданных размерах установки масса слоя в реакторах и кратность циркуляции зависят от режима работа стояков и ПЗ. Кроме того, нельзя допустить опустошения стояка 4, соединяющего сепаратор 3 и ВР 2, так как в этом случае возможен прорыв природного газа из этого реактора в атмосферу. При переполнении стояка 4 и накоплении материала в сепараторе 3 работа последнего ухудшается, и частицы оксида металла могут быть унесены с потоком отходящих газов. Для поддержания оптимального режима работы установки требуется воздействие на переток материала в ВР 2 и из него в ОР 1. Указанное воздействие осуществляется по сигналам от дифференциальных манометров 15, 16. Система управления регулирующими клапанами 9, 11 подачи ожижающего агента в ПЗ 6, 7 работает следующим образом. Расчетами показано, что если перепад давления на участке стояка 4 между штуцерами 13, 14 становится ниже примерно 300 Па, то необходимо прикрыть клапан 9 подачи ожижающего агента в ПЗ 6. При увеличении этого
перепада до 1500 Па, указанный клапан должен открываться. Нормальный режим работы установки обеспечивается при поддержании перепада на рассматриваемом участке в указанных пределах. При этом перепад давлений на участке стояка 4 между штуцерами 12, 13 находится вблизи нуля. Если перепад давлений на этом участке превышает заданную величину (например, 100 Па), то открывается регулирующий клапан 11 подачи ожижающего агента в ПЗ 7 на стояке 5 между ВР 2 и ОР 1. Таким образом, осуществляется поддержание режимов гидродинамики системы и достигаются оптимальные условия работы установки по степени конверсии частиц - переносчиков кислорода и сепарации CO2.
Источники информации:
1. Патент RU 56559 на полезную модель, F23С 10/00, 2005.
1. Установка для сжигания газообразного топлива в химическом цикле с сепарацией диоксида углерода при использовании циркулирующих частиц оксидов металлов в качестве переносчиков кислорода, содержащая окислительный реактор кипящего слоя, восстановительный реактор кипящего слоя и систему обеспечения циркуляции частиц между указанными реакторами, включающую сепаратор для отделения полученных в окислительном реакторе частиц оксидов металлов от отходящих газов и два оборудованных управляемыми пневматическими затворами кипящего слоя транспортных опускных стояка, один из которых соединяет сепаратор с восстановительным реактором, а другой - реакторы между собой, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит два дифференциальных манометра, а в верхней, средней и нижней частях стояка, соединяющего сепаратор с восстановительным реактором, установлены штуцеры отбора давления, соединенные импульсными линиями с указанными дифференциальными манометрами, причем к одному из манометров присоединены импульсные линии от штуцеров, установленных в верхней и средней частях указанного стояка, а к другому - от штуцеров, установленных в средней и нижней его частях.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый дифференциальный манометр оснащен преобразователем давления в выходной электрический сигнал, причем соответствующий выход манометра, присоединенного к штуцерам в верхней и средней частях стояка, подключен к управляющему органу пневматического затвора на стояке, соединяющем реакторы между собой, а выход манометра, присоединенного к штуцерам в средней и нижней частях стояка, - к управляющему органу пневматического затвора на стояке, соединяющем сепаратор с восстановительным реактором.
