ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ Российский патент 1995 года по МПК H05B7/20 C10B53/04 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электродуговым плазмотронам. Оно может быть использовано в энергетике для получения экологически чистого синтез-газа Н₂+СО при сжигании низкосортных углей на тепловых электростанциях, в котельных и т.д.

Известен совмещенный трехфазный реактор для газификации углей. В нем зона выделения тепла (электрическая дуга) совмещена с зоной нагрева твердой фазы (угля). Принцип работы реактора основан на несущей способности дуги, т. е. свойстве расширяющегося дугового столба подхватывать частицы угля и интенсивно нагревать их, отбрасывать расплав на стенку реактора. Камера аппарата представляет собой водоохлаждаемый цилиндр, футерованный изнутри графитом. Сверху камеры реактора размещена крышка, а снизу она ограничена диафрагмой. Через крышку реактора введены стержневые графитовые электроды. Здесь же размещены патрубки для подачи угля и пара. Снаружи камера реактора охвачена электромагнитной катушкой. Электропитание плазменного реактора осуществляется трехфазным переменным током от трансформатора через индуктивный дроссель, а электромагнитная катушка питается постоянным током от независимого источника. В камере реактора между электродами и стенкой горит трехфазная дуга переменного тока в постоянном поле. При этом под действием силы Лоренца дуговые столбы вращаются по кольцевому электроду. При вращении дуговых столбов из-за разности аэродинамического сопротивления у стенки и в центре камеры столбы дуги расширяются по направлению к стенке. Как известно, в расширяющихся дуговых столбах возникают высокоскоростные плазменные струи, которые со скоростью сотни метров в секунду движутся от места сужения столба в сторону его расширения, т.е. электрическая дуга в этих условиях становится своеобразным электромагнитным насосом. Через патрубки на крышке в камеру реактора подают измельченный уголь и водяной пар. Пылегазовая смесь подхватывается высокоскоростными плазменными струями расширяющихся дуговых столбов и, интенсивно нагреваясь, отбрасывается на стенку. В процессе движения угля и пара в объеме плазменного реактора происходит газификация угля. Образующийся расплав (минеральная часть угля) стекает по стенке реактора и удаляется в шлакосборник, а газообразная фаза, состоящая в основном из водорода и оксида углерода (синтез-газ) поставляется потребителю.

Однако указанный плазменный реактор обеспечивает низкую степень газификации угля вследствие того, что время движения реагентов в объеме реактора равно всего 10^-2 с и интенсивность взаимодействия газа с жидкой фазой значительно меньше, чем в пылегазовом потоке. Плазменный реактор имеет повышенный расход электроэнергии, что обусловлено применением высокотемпературного энергоносителя (дуги).

Известен электродуговой плазменный реактор для газификации углей. Он содержит цилиндрическую камеру, на верхней крышке которой размещены электродуговые плазмотроны. Подаваемый в камеру измельченный уголь нагревается плазменными струями, истекающими из плазмотрона. В качестве газифицирующего агента и плазмообразующего газа используется водяной пар. При нагреве частиц угля в потоке водяной плазмы топливо газифицируется и образуется высококалорийный синтез-газ, состоящий в одном из водорода и оксида углерода. Сера, содержащаяся в угле, переходит в бескислородные соединения серы, в частности в сероводород, очистка от которых освоена в промышленном масштабе. Минеральная часть топлива удаляется в шлакосборник. Таким образом, в плазменном реакторе можно получить экологически чистый синтез-газ из низкосортного угля.

Однако известный плазменный реактор обеспечивает низкую степень газификации угля, что обусловлено малым временем пребывания частиц угля в высокотемпературной зоне, исчисляемым микросекундами, тогда как для газификации твердого топлива необходимо 0,5-1 с. Кроме того, известный реактор требует повышенного расхода электроэнергии, что связано с низким тепловым КПД аппарата. Низкий ресурс работы электродуговых плазмотронов, не превышающий 200 ч, снижает надежность известного плазменного реактора.

Сущность заявленного технического решения состоит в использовании всего объема узла ввода угля для предварительного нагрева твердого топлива путем пропускания через него электрического тока. Причем механизмы нагрева угля в объеме узла ввода угля осуществляются в бездуговом режиме, т.е. в режиме печи сопротивления.

На чертеже схематично изображен предлагаемый реактор в размере, без вспомогательного оборудования.

Предлагаемый плазменный реактор для газификации углей содержит цилиндрическую водоохлаждаемую камеру 1, футерованную изнутри графитом, а снаружи охваченную электромагнитной катушкой 2. Камера снабжена патрубком 3 для подачи плазмообразующего газа и патрубком 4 с диафрагмой для вывода продуктов реакции. Сверху камеры 1 установлена крышка 5, на которой смонтирован узел 6 ввода угля цилиндроконической формы, выполненный из термостойкого диэлектрического материала, например алунда. Узел 6 ввода угля заполнен плотным слоем угля 7, имеющего невысокое сопротивление, что характерно для углей с низким содержанием золы, в частности холбольджинских и тугнуйских углей (Бурятская ССР). В верхней цилиндрической части узла 6 ввода угля с внутренней его стороны установлен тонкостеннный медный кольцевой токоподвод 8, к которому подключена клемма источника питания (анод). Другая камера источника питания подключена на корпус 1 реактора.

Плазменный реактор для газификации углей работает следующим образом.

В узел 6 ввода угля подают мелкодисперсное твердое топливо, а по тангенциальному патрубку 3 вводят газифицирующий агент водяной пар. Подают напряжение на токоподвод 8 и стенку камеры 1 и зажигают электрическую дугу 9 на непрерывно движущийся слой угля 7. При этом ток движется по плотному слою угля 7 и за счет джоулева тепла нагревает его. Включают электромагнитную катушку 2 и под действием силы Лоpенца дуговые столбы 9 начинают вращаться в межэлектродном промежутке и расширяться по направлению к стенке. Образующиеся плазменные струи подхватывают уголь и, интенсивно нагревая, отбрасывают его на стенку реактора. В процессе движения частиц угля в объеме реактора дуга 9 догревает угол до температуры газификации и, реагируя в камере реактора с водяным паром, обеспечивает максимальную степень газификации при минимальных энергозатратах.

При нарушении стабильности подачи угля его слой в узле 6 ввода снижается ниже кольцевого токопровода 8 и прерывает цепь тока без прогара кольцевого токопровода 8. Образующиеся шлаки стекают по стенке камеры 1 и диафрагме 4 в шлакосборник (на чертеже не показан), а получаемый синтез-газ, состоящий из Н₂+СО, поступает к потребителю.

Использование предлагаемого плазменного реактора позволит обеспечить повышение степени газификации угля за счет увеличения времени пребывания частиц в зоне переработки на 3-5% снижение удельных энергозатрат путем использования комбинированного нагрева (джоулева тепла плюс дуги) на 15-20% и повышение надежности работы плазмоэнергетического оборудования за счет исключения прогара токоподводов. Это дает значительный экономический эффект исчисляемый.

В плазменном реакторе, содержащем камеру 1, охваченную электромагнитной катушкой 2, патрубок 3 для подачи плазмообразующего газа, патрубок 4 для вывода продуктов реакции и узел 6 ввода угля с тонкостенным медным кольцевым токопроводом 8, последний установлен на входе в цилиндрическую часть узла 6 ввода угля. 1 ил.

ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ, содержащий вертикальную цилиндрическую камеру с крышкой, охваченную электромагнитной катушкой, средство для зажигания электрической дуги в камере, узел ввода перерабатываемого угля, патрубок для ввода газифицирующего агента и диафрагму для вывода шлаков, расположенную в донной части камеры, отличающийся тем, что средство для зажигания электрической дуги в камере совмещено с узлом ввода перерабатываемого угля и выполнено в виде цилиндроконического патрубка, смонтированного на крышке и установленного по центральной оси камеры, при этом на входе в цилиндрическую часть патрубка установлен кольцевой медный токоподвод.