Патент на изобретение №2293257

(54) СПОСОБ НАГРЕВА ВОДЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к энергетике и предназначено для получения горячей воды путем использования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании сбросных газов на факельных установках химических и нефтеперерабатывающих комплексов. Сущность изобретения в том, что нагрев воды, включающий конвективный теплообмен в потоке воды, омывающем наружные поверхности дымогарных труб, осуществляют пропусканием через упомянутые трубы продуктов сгорания факела пламени факельной установки непосредственно над зоной пламени факела, при этом воду для нагрева подают на вершину ствола факельной установки. Устройство для нагрева воды включает топку, установленный над топкой теплообменник в виде водяной камеры с патрубками подвода и отвода воды и с проходящими в объеме водяной камеры дымогарными трубами, входными концами открытыми во внутренний объем топки, при этом топка устройства выполнена в виде полого корпуса с открытым днищем и снабжена узлом сопряжения с выходной частью ствола факельной установки. Узел сопряжения выполнен в виде опорного кольца, предназначенного для охвата ствола факельной установки по его внешнему периметру, и опорных стоек, размещенных по окружности кольца и жестко связывающих последний с корпусом топки со стороны открытого днища. Такой способ и устройство для его осуществления позволяют использовать в качестве энергии для нагрева воды тепло, выделяющееся при сгорании сбросных газов на факельных установках. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Область техники, к которой относится изобретение

Заявляемое изобретение относится к теплоэнергетике и предназначено для получения горячей, преимущественно оборотной промтеплофикационной, воды путем использования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании сбросных газов на факельных установках химических и нефтеперерабатывающих комплексов, и может быть использовано в нефтеперерабатывающих и химических отраслях промышленности для получения горячей воды для собственных производственных нужд или для горячего водоснабжения коммунальных служб близлежащих жилищных массивов.

Уровень техники

Известен способ нагрева воды (см. RU 2148214, МПК F 24 Н 1/10, опубл. 27.04.2000), заключающийся в том, что сначала нагревают воду путем сжигания топлива и теплообмена холодной воды с горячими продуктами сгорания в контактном аппарате, затем нагревают воду в трубчатом теплообменнике.

Известное решение характеризуется простотой, высокой эксплуатационной надежностью и так же, как и заявляемое решение, может быть использовано в системах теплоснабжения и для производственных нужд. Однако технические возможности данного способа нагрева воды ограничены как по объему нагреваемой массы воды, так и по температурным параметрам, при этом имеет место расход специально предназначенного для этих целей топлива.

Известен также способ выработки горячей воды для отопления и горячего водоснабжения (см. заявку №98110520, МПК F 24 D 9/00, опубл. 05.10.2000), включающий нагрев воды, ее догрев, выдачу горячей воды потребителям, при этом вырабатываемую горячую воду разделяют на контуры отопления и горячего водоснабжения, воду горячего водоснабжения нагревают остаточной теплотой топочных газов, отопительную воду нагревают контактно-рекуперативным теплом конденсации водяных паров с выработкой конденсата, направляемого в контур горячего водоснабжения, а догревают радиационно-поверхностно с последующим получением концентрата солей жесткости.

Несмотря на то, что в известном решении по указанной заявке сделана попытка вторичного использования тепловых ресурсов (используют остаточную теплоту топочных газов, конденсат направляют в контур горячего водоснабжения), данный способ экономически нецелесообразен, поскольку его осуществление предполагает конструктивно сложную техническую систему с неоправданно большим количеством оборудования и водопроводных сетей.

В качестве ближайшего аналога заявляемого способа нагрева воды принят широко распространенный способ нагрева путем конвенктивного теплообмена в потоке воды, омывающем наружные поверхности дымогарных труб, сообщающихся входными участками с жаровой камерой (см. авт. св-во №1023168, F 22 В 11/02, F 22 В 37/52, опубл. 15.06.83, Бюл. №22).

Обязательным условием реализации известного способа нагрева воды является сжигание определенного объема топлива. При этом расходы на приобретение этого топлива, т.е. расходы на получение тепловой энергии, необходимой для нагрева воды, являются наиболее затратной статьей в производстве горячей воды и пара.

Известен водогрейный котел (см. RU 2116579, МПК F 24 Н 1/00, опубл. 27.07.1998), содержащий жаровую камеру, водяной объем, дымогарные трубы, которые размещены в водяном объеме и входными участками сообщены с жаровой камерой, а выходными – с коллектором, связанным с дымовой трубой.

Известное решение характеризуется повышенной теплопередачей за счет увеличения поверхности нагрева. Вместе с тем характеризуемый водогрейный котел, так же как и другие известные решения в этой области, работает от тепловой энергии, получаемой от специально сжигаемого для этого топлива.

В качестве прототипа заявляемого устройства принято конструктивное решение водогрейного котла (см. св-во на полезную модель RU 12460, МПК F 24 Н 1/38, опубл. 10.01.2000, Бюл. №1), содержащего топку с камерой сгорания и установленный над топкой теплообменник в виде водяной камеры с патрубками отвода и подвода нагреваемой воды и с проходящими в объеме водяной камеры дымогарными трубами, входными концами открытыми в камеру сгорания топки. В конструкции водогрейного котла также предусмотрено использование топлива для получения тепловой энергии, предназначенной для нагрева воды, омывающей дымогарные трубы.

Сущность изобретения

Предлагаемым изобретением решается задача удешевления производства горячей промтеплофикационной воды путем исключения из способа нагрева воды процесса сжигания специально предназначенного для этих целей топлива и за счет использования в качестве энергии для нагрева воды тепловой энергии, выделяющейся при сгорании сбросных газов на факельных установках химических и нефтеперерабатывающих комплексов.

Поставленная задача решена тем, что в способе нагрева воды, включающем конвективный теплообмен в потоке воды, омывающем наружные поверхности дымогарных труб, согласно заявляемому изобретению нагрев дымогарных труб осуществляют пропусканием через упомянутые трубы продуктов сгорания факела пламени факельной установки.

Таким образом, отличительной особенностью заявляемого способа является то, что для нагрева дымогарных труб, в межтрубном пространстве которых пропускают поток нагреваемой воды, используют тепловую энергию, получаемую при сжигании сбросных газов на факельных установках, т.е. тепловую энергию, сбрасываемую при работе существующих нефтеперерабатывающих или других химических комплексов в атмосферу. При этом осуществляют нагрев воды на вершине ствола факельной установки, обеспечивая подачу продуктов сгорания в дымогарные трубы непосредственно над зоной пламени факела.

Поставленная задача решена также тем, что в устройстве для нагрева воды, содержащем топку с камерой сгорания, установленный над топкой теплообменник в виде водяной камеры с патрубками подвода и отвода воды и с проходящими в объеме водяной камеры дымогарными трубами, входными концами открытыми в камеру сгорания топки, согласно заявляемому изобретению топка устройства выполнена в виде полого корпуса с открытым днищем и снабжена узлом сопряжения с выходной частью ствола факельной установки.

Выполнение топки водогрейного котла в виде полого корпуса с открытым днищем и с узлом сопряжения, позволяющим установить топку на ствол факельной установки так, чтобы открытая часть топки была обращена к срезу ствола факельной установки (т.е. к срезу факельной трубы), обусловливает появление нового технического результата, а именно: обеспечивает возможность применения в качестве источника тепловой энергии для нагрева воды тепло, получаемое от сжигания сбросных газов, так как конструктивное решение топки водогрейного котла позволяет замкнуть факел пламени факельной установки в полом объеме топки и предопределяет движение потока продуктов сгорания сбросных газов по дымогарным трубам установленного над топкой теплообменника, обеспечивая тем самым нагрев омываемых водой поверхностей этих труб.

При конкретной реализации заявляемого устройства рациональной конструктивной проработкой узла сопряжения является выполнение его в виде опорного кольца, предназначенного для охвата выходной части ствола факельной установки по его внешнему периметру, и опорных стоек, размещенных по окружности кольца и жестко связывающих последний с корпусом топки со стороны открытого днища. Представленное решение узла сопряжения предопределяет технологическую осуществимость монтажа и обеспечивает надежную фиксацию заявляемого водогрейного котла наверху ствола факельной установки и с замыканием факела пламени сжигаемого на факельной установке газа в объеме корпуса топки.

Корпус топки может быть выполнен с окнами в боковых стенках.

Выполнение корпуса топки с окнами в боковых стенках продиктовано не только необходимостью обеспечить доступ кислорода (воздуха) во внутренний объем топки, т.е. в зону факела пламени, но и предоставляет возможность визуального наблюдения за факелом, что отвечает условиям специфики работы газофакельных установок и требованиям безопасности, а также требованиям эксплуатационного и ремонтного обслуживания факельных горелок установки.

Дополнительный технический результат, заключающийся в достижении более стабильного пламени факела, а следовательно, в повышении надежности и эффективности работы устройства, будет получен в том случае, если корпус топки снабдить закрывающими окна снаружи съемными экранами, выполненными в виде «жалюзи» из продольных, установленных с наклоном плоскости в сторону факела пламени пластин. Пластины, во-первых, турбулизируют поток воздуха, попадающего в факел пламени, улучшая процесс горения, во-вторых, дают возможность корректировать неблагоприятное воздействие погодных условий (порывы ветра, потоки дождя и т.п.).

Предпочтительным является выполнение корпуса топки и теплообменника цилиндрической формы и близкими по диаметру. При этом соединение топки и теплообменника в цельную вертикальную конструкцию возможно посредством состыкованных и жестко связанных крепежными элементами фланцев с ребрами жесткости. Трубная решетка в этом случае размещена во внутреннем объеме зоны стыка корпуса топки и теплообменника. Для защиты трубной решетки, которая одновременно является донной частью теплообменника, от прямого воздействия факела горящего газа дымогарные трубы пропущены через трубную решетку с выходом концевых участков в объем топки, и межтрубное пространство в зоне этих участков заполнено жаростойким бетоном.

Условиями эксплуатации устройства продиктовано выполнение корпуса топки в виде каркаса из жаростойкой легированной стали, охваченного снаружи кожухом (обечайкой), а внутри выполненного с огнеупорной футеровкой, например, из шамотного кирпича.

В частном случае исполнения устройства в водяной камере расположены одна над другой поперечные перегородки, частично и в шахматном порядке перекрывающие межтрубное пространство и создающие наиболее эффективное для теплопередачи движение потока нагреваемой воды.

На повышение теплоотдачи направлена также конструктивная проработка дымогарных труб, которые выполнены с периодически распределенной по их длине кольцевой накаткой, представляющей собой кольцевые выступы во внутреннем объеме труб. Выступающие во внутренний объем труб кольца обеспечивают турбулизацию дымовых газов и других продуктов сгорания в пристенном слое потока и, тем самым, повышают коэффициент теплоотдачи со стороны газа в несколько раз по сравнению с гладкими трубами.

С целью повышения безопасности эксплуатации заявляемого водогрейного котла для исключения пиковых давлений во внутренних объемах топки и теплообменника в верхних их уровнях установлены взрывные клапаны.

Заявляемое изобретение поясняется следующими чертежами, на которых:

на фиг.1 схематично изображен общий вид заявляемого устройства, установленного на ствол факельной установки;

на фиг.2 – схема части устройства, иллюстрирующая применение съемных экранов;

на фиг.3 – сечение А-А на фиг.2;

на фиг.4 – сечение В-В на фиг.1;

на фиг.5 – сечение Б-Б на фиг.1;

на фиг.6 – фрагмент I фиг.1, на котором показаны компоновка и соединение топки, теплообменника и трубной решетки;

на фиг.7 – фрагмент II фиг.1, показывающую в разрезе дымогарную трубу с кольцевой накаткой.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Способ нагрева воды реализуется посредством заявляемого устройства для нагрева воды.

Устройство для нагрева воды содержит топку 1 с открытым днищем и с полым внутренним объемом, образующим камеру сгорания 2, установленный над топкой 1 теплообменник 3. Топка 1 представляет собой корпус с выполненными в его боковых поверхностях окнами 4 и снабжена прикрепленным к нижней части корпуса узлом сопряжения с выходной частью ствола 5 факельной установки. Узел сопряжения включает опорное кольцо 6, охватывающее ствол 5 факельной установки по его внешнему диаметру, и равномерно размещенные по окружности кольца 6 опорные стойки 7, жестко связывающие опорное кольцо 6 с корпусом топки со стороны открытого днища. Узел сопряжения обеспечивает жесткую фиксацию, вертикальное положение заявляемого устройства относительно ствола факельной установки и установку топки таким образом, чтобы факел пламени сжигаемого на факельной трубе сбросного газа был замкнут во внутреннем полом объеме топки, в камере сжигания 2.

Теплообменник 3 заявляемого устройства представляет собой водяную камеру 8 с патрубками подвода 9 и отвода 10 нагреваемой воды. В объеме водяной камеры 8 проходят вертикальные дымогарные трубы 11, входными концами, закрепленными в трубной решетке 12, сообщающиеся с камерой сгорания 2 топки 1, а выходными концами – открывающиеся в атмосферу. Дымогарные трубы 11 выполнены с кольцевой накаткой 13. В верхней части теплообменника установлен взрывной клапан 14, обеспечивающий отвод насыщенного пара из межтрубного пространства теплообменника, а верхней части топки – взрывной клапан 15, обеспечивающий сброс газа во время пикового давления.

Трубная решетка 12 защищена от прямого воздействия факела пламени и высокой температуры камеры сгорания топки 1 жаростойким бетоном 16, которым залиты концы дымогарных труб, пропущенных через трубную решетку 12 с выходом этих концов в объем топки.

Корпус топки 1 и теплообменник 3 выполнены цилиндрической формы с приближенными друг к другу диаметрами, размер которых обусловлен диаметром ствола 5 факельной установки, и объединены в единую вертикальную установку посредством фланцев 17, состыкованных и связанных между собой крепежными элементами (на чертеже не показаны). Фланцы выполнены с ребрами жесткости 18. Корпус топки представляет собой каркас 19 из жаростойкой легированной стали, охваченный снаружи кожухом 20 (обечайкой), а внутри выполненный с огнеупорной футеровкой 21 из шамотного кирпича.

Во внутреннем объеме водяной камеры 8 теплообменника 3 установлены поперечные перегородки 22, частично перекрывающие сечение теплообменника и смонтированные таким образом, что проходы для потока воды в двух соседних перегородках разнесены диаметрально и создают движение нагреваемой воды по принципу смешанного противотока.

К корпусу топки 1 снаружи прикреплены съемные экраны 23, закрывающие окна 4 и выполненные в виде «жалюзи» из продольных, установленных с наклоном плоскости в сторону факела пламени пластин 24. Оптимальный угол наклона установки пластин около 40 градусов.

Работа заявляемого водогрейного котла осуществляется следующим образом.

Факельные газы, сбрасываемые при постоянных, предусмотренных регламентом нефтеперерабатывающего (или другого химического) производства сдувках, при периодических стравливаниях газов и паров, при пуске, наладке и остановке оборудования и т.п. направляются на сжигание на большой высоте у верхнего среза ствола факельной установки. Зажигание факела пламени осуществляют известными в этих отраслях способами и существующими системами зажигания (посредством запального устройства, трубопроводов подачи топливного газа, дежурных горелок и т.п.), т.е. обеспечивают отработанными способами работу факельной установки. При горении факела пламени, замкнутого в камеру сгорания 2 топки 1, продукты сгорания сбросного газа, в частности дымовые газы, устремляются в дымогарные трубы 11 теплообменника 3, нагревая поверхности этих труб.

Кольцевые выступы 13 накатки, выполненной на внутренней стороне дымогарных труб 11, турбулизируют поток газа в пристенном слое дымогарной трубы, повышая коэффициент теплоотдачи со стороны газа более чем в 10 раз по сравнению с гладкими трубами. Нагреваемую воду принудительно (не показано) подают в водяную камеру 8 теплообменника 3 через подающий патрубок 9. Вода последовательно проходит потоком, сформированным перегородками 22, омывая нагретые продуктами сгорания факела дымогарные трубы, и нагревается через стенки этих труб. Практически продукты сгорания, поступающие в дымогарные трубы теплообменника при температуре 1200 град. С, обеспечивают нагрев воды до температуры 130-150 град. С. Горячая вода выводится через патрубок 10 и поступает в систему отопления или систему производственного горячего водоснабжения (на чертеже не показаны). С помощью заявляемого устройства можно получить 170 куб. м/час горячей воды с температурой до 130 град. С, при этом утилизируется 5-10% от общего тепловыделения пламени факела.

Формула изобретения

1. Способ нагрева воды, включающий конвективный теплообмен в потоке воды, омывающем наружные поверхности дымогарных труб, отличающийся тем, что нагрев дымогарных труб осуществляют пропусканием через упомянутые трубы продуктов сгорания факела пламени факельной установки непосредственно над зоной пламени факела, при этом воду для нагрева подают на вершину ствола факельной установки.

2. Устройство для нагрева воды, содержащее топку, установленный над топкой теплообменник в виде водяной камеры с патрубками подвода и отвода воды и с проходящими в объеме водяной камеры дымогарными трубами, входными концами открытыми во внутренний объем топки, отличающееся тем, что топка устройства выполнена в виде полого корпуса с открытым днищем и снабжена узлом сопряжения с выходной частью ствола факельной установки.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что узел сопряжения выполнен в виде опорного кольца, предназначенного для охвата ствола факельной установки по его внешнему периметру, и опорных стоек, размещенных по окружности кольца и жестко связывающих последний с корпусом топки со стороны открытого днища.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что корпус топки выполнен с окнами в боковых стенках.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что корпус топки снабжен закрывающими окна снаружи съемными экранами, выполненными в виде жалюзи из продольных, установленных с наклоном плоскости в сторону факела пламени пластин.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что корпус топки и теплообменник выполнены цилиндрической формы и связаны между собой состыкованными и соединенными крепежными элементами фланцами с ребрами жесткости, при этом во внутреннем объеме зоны стыка корпуса топки и теплообменника размещена трубная решетка с закрепленными в ней дымогарными трубами.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что дымогарные трубы пропущены через трубную решетку с выходом концевых участков труб в объем топки, при этом межтрубное пространство в зоне упомянутых концевых участков заполнено жаростойким бетоном.

8. Устройство по п.2, отличающееся тем, что корпус топки выполнен в виде каркаса из жаростойкой легированной стали, охваченного снаружи кожухом, а внутри выполненного с огнеупорной футеровкой.

9. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в водяной камере расположены одна над другой поперечные перегородки, частично и в шахматном порядке перекрывающие сечение камеры.

10. Устройство по п.2, отличающееся тем, что дымогарные трубы выполнены с кольцевой накаткой, периодически распределенной по длине труб.

11. Устройство по п.2, отличающееся тем, что в верхних частях топки и теплообменника установлены взрывные клапаны.

РИСУНКИ