СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА И ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК C10J3/18 C10J3/20 C10J3/46 C10J3/48 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к переработке различных органических отходов, в т.ч. низкокачественного шлама - отходов угольного производства, струей низкотемпературной плазмы.

Известен способ термической переработки твердого углеродсодержащего топлива, включающий подачу топлива в верхнюю часть газификатора, подачу газифицирующего агента, содержащего O₂, в нижнюю часть газификатора, нагрев и газификацию топлива, отвод газообразных продуктов газификации из верней части, а твердых негорючих продуктов из нижней части газификатора при температуре от 100 до 500^oC (а.с. СССР N 1761777 C 10 J 3/00 от 15.09.92 г. Б. И. N 34).

Недостатком указанного способа является низкая эффективность переработки и неполное извлечение ценных компонентов, в результате чего потребителю могут отпускаться сравнительно дешевые химпродукты низкокалорийного синтез-газа и серусодержащий продукт.

Известен способ термической переработки твердого топлива, выбранный в качестве прототипа, включающий газификацию твердого топлива в присутствии водяного пара, подачу непрореагировавшего топлива на повторную газификацию в присутствии окислителя с последующим разделением газообразных и твердых продуктов (а.с. СССР N 850649 C 10 B 49/00, C 10 J 3/00 от 30.07.81).

Указанный способ не обеспечивает полную переработку исходного сырья и извлечение ценных компонентов, и потребителю могут отпускаться только синтез-газ и серусодержащий продукт.

Известна энерготехнологическая установка с плазменной переработкой низкосортного твердого топлива, включающая реактор плазменной переработки угля, систему потребителей электроэнергии, синтез-газа, и систему отвода шлака (а. с. СССР N 1744101, C 10 J 3/18, от 30.06.92 г.).

Недостатком известной установки является низкая эффективность переработки и неполное извлечение ценных компонентов, в результате чего потребителю могут отпускаться сравнительно дешевые химические продукты синтез-газа и серусодержащий продукт, при загрязнении окружающей среды.

Прототипом установки является энерготехнологическая установка, содержащая футерованный газификатор, для получения синтез-газа с установленным в его нижней части плазмотроном, а в верхней - дозатором передачи твердого низкосортного топлива и патрубками отвода нагретого синтез-газа и отвода шлака (А. Г. Артамонов. Переработка различных органических отходов в плазмохимическом реакторе. В кн. Аппараты высокотемпературной техники. -М.: Московский институт химического машиностроения, Межвузовский сборник научных трудов. 1988, с. 63-64).

Энерготехнологическая установка предназначена исключительно для получения газа, при этом твердый материал используется практически полностью, а отходами являются зола и шлак. Конструктивная особенность указанной установки не обеспечивает достаточной гибкости технологического процесса в отношении производства других продуктов, а также в отношении температурных условий в отдельных ступенях, таким образом не обеспечивается полное извлечение полезных компонентов, т. е. безотходная технология переработки твердого топлива.

В основу настоящего изобретения положена задача усовершенствования способа термической переработки твердого топлива путем создания цикла безостаточной переработки твердого топлива регулируемыми по температуре и давлению плазменными струями, который обеспечивает безотходную технологию извлечения полезного товарного продукта, а именно синтез-газа, ферросплавов и волокнистых материалов, при сохранении чистоты окружающей среды.

В основу настоящего изобретения положена задача усовершенствования электротехнологической установки термической переработки твердого топлива путем создания цикла безостаточной переработки твердого топлива за счет последовательной установки по ходу технологического процесса соответствующих аппаратов извлечения товарного продукта, что обеспечивает эффективность безотходной технологии получения готового продукта при сохранении чистоты окружающей среды.

Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе термической переработки твердого топлива, включающем газификацию низкосортного твердого топлива в присутствии газифицирующего агента, подачу непрореагировавшего низкосортного твердого топлива на повторную газификацию в присутствии окислителя с последующим разделением газообразных и твердых продуктов, согласно изобретению подачу низкосортного твердого топлива осуществляют дозировано, путем продувки слоев твердого низкосортного топлива окислительной плазменной струей, при этом поддерживают температуру газообразных продуктов газификации и их отвода от 1650 до 1850 К и устанавливают динамический напор плазменных струй в диапазоне 6000 - 15000 Па и ими направляют полученный синтез-газ в высокотемпературный ресивер и далее потребителю. После полного отвода синтез-газа из газификатора непрореагировавший остаток дополнительно нагревают до образования расплава, который сливают в накопитель расплава, где осуществляют его продувку восстановительной плазменной струей при температуре 2000 - 2050 К для дополнительного получения ферросилиция с последующей его подачей потребителю, а обедненный расплав подают в стабилизирующий реактор, в котором поддерживают температуру в пределах 1600 - 1800 К путем регулирования тока плазмотрона, при этом плазменные струи распылительных плазмотронов направляют под углом 15^o - 60^o к оси струи обедненного расплава для дополнительного получения волокнистых материалов с последующей их подачей в зону формирования готового продукта.

Поставленная техническая задача решается тем, что известная энерготехнологическая установка термической переработки твердого топлива, содержащая футерованный газификатор для получения синтез-газа с установленным в его нижней части плазмотроном, а в верхней - дозатором подачи твердого низкосортного топлива и патрубком отвода нагретого синтез-газа, согласно изобретению, новым является то, что она дополнительно снабжена последовательно установленными по ходу технологического цикла накопителем расплава для дополнительного получения ферросилиция, стабилизирующим реактором и осадительной колонной для получения волокнистого материала, при этом в футерованном газификаторе для получения синтез-газа в одной плоскости с плазмотронами выполнена летка для впуска окислительного расплава, подсоединенная на выходе через футерованную канаву с накопителем расплава, в нижней части которого установлен погружной плазмотрон, и в котором на разных уровнях выполнены летки для выпуска потребителю восстановительного металла - ферросилиция, и обедненного расплава соответственно, последняя подсоединена к снабженному стабилизирующим плазмотроном стабилизирующему реактору, который в свою очередь подсоединен к фидеру, выполненному с электрообогреваемыми отверстиями для слива обедненного расплава, которые сообщены с осадительной колонной. В верхней части колонны установлены диаметрально друг к другу плазмотроны, плазменные струи которых направлены под углом 15^o-60^o к оси струи обедненного расплава. Согласно изобретению другим вариантом исполнения является то, что патрубок синтез-газа через трубопровод и обратный клапан сообщен с высокотемпературным ресивером, который на выходе может быть соединен с одним или более плазменных газификаторов, летки которых подсоединены через канаву друг к другу и к накопителю расплава. Согласно изобретению дозатор в виде двух герметических конусов, установленных подвижно с возможностью образования межконусного пространства, а упомянутые летки снабжены шиберными затворами.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков заявляемого способа термической переработки твердого топлива заключается в том, что последовательность осуществляемых действий разделительного процесса путем воздействия регулируемыми по температуре и давлению в зависимости от этапа переработки плазменными струями обеспечивает глубокий процесс выгорания углеродсодержащих органических веществ, при котором происходит разделение на газообразные и жидкотекучие продукты, что приводит к полной утилизации твердого топлива и завершенности всего технологического цикла, осуществляемых в одной энерготехнологической установке при сохранении чистоты окружающей среды.

Причинно-следственная связь между совокупностью признаков заявляемой энерготехнологической установки заключается в том, что расположенные по ходу технологического цикла и последовательно соединенные между собой газификатор, накопитель расплава, стабилизирующий реактор и осадительная колонна обеспечивают простоту и компактность конструкции. Благодаря наличию в каждом модуле автономных плазмотронов со своими системами регулирования температуры и давления модно осуществлять глубокий процесс выгорания углеродсодержащих органических веществ, при котором происходит разделение на газообразные и жидкотекучие продукты, при этом процесс утилизации осуществляется в заданном режиме, при сохранении чистоты окружающей среды.

Пример осуществления способа.

Предлагаемый способ был проведен при переработке твердого топлива для производства синтез-газа и сжигании его в цилиндрической вращающейся цементной обжиговой печи. После подачи низкосортного твердого топлива (угольный шлам) в надконусное пространство, подачу топлива прекращают и одновременно включают плазмотрон для подогрева печи до температуры 1300 К, после чего подают топливо в печь. Окислительные плазменные струи продувают слой топлива, нагревают его и углерод топлива, взаимодействуя с окислительной плазменной струей, имеющей среднемассовую температуру 2500 - 4000 К, переходит в газообразное состояние и в виде CO под напором плазменных струй в диапазоне 6000 - 15000 Па направляется в высокотемпературный ресивер. Подаваемая в плазмотрон с плазмообразующим воздухом вода конвертируется на кислород, который дополнительно участвует в окислении веществ, находящихся в твердом топливе, и водород, который в свободном виде или в виде высокомолекулярных соединений типа C_nH_n в смеси с CO, поступает в высокотемпературный ресивер при температуре 1650-1800 К и затем подавался потребителю.

После окончания процесса газификации топлива, расплавленный остаток твердого топлива (расплав) подавался в накопитель расплава, который был оборудован погружным плазмотроном, генерирующим восстановительную плазменную струю со среднемассовой температурой 3000-4000 К. Восстановленные плазменные струи продували столб расплава и восстанавливают имеющиеся в нем окислы металлов, например окислы железа и кремния. Регулируя силу тока плазмотрона, доводили температуру расплава до 2000-2059 К - при этой температуре восстанавливался кремний, а затем - до 1700 - 1800 К для восстановления железа. Восстановленные металлы сливали в изложницы для использования его потребителем, а оставшийся обедненный расплав направляли в стабилизирующий реактор, в котором с помощью стабилизирующего плазмотрона поддерживали температуру обедненного расплава, обеспечивающую его слив через электрообогреваемые отверстия. Струи обедненного расплава направляли на распылительные плазмотроны, расположенные под углом 15 - 60^o к оси струи обедненного расплава, температуру которых поддерживали в диапазоне 1600 - 1800 К, при этом были получены волокнистые материалы, которые затем направляли в зону формирования готовой продукции - матов, плит.

Таким образом, экспериментально было установлено, что при газификации 0,7 т/час угля по заявляемому способу в заявляемой установке, состоящей из двух плазменных модулей-газификаторов, производится количество синтез-газа, эквивалентное 7000 м³/ч природного газа, до 2 м³/ч утеплительных пит, матов, и до 70 мг/час ферросилиция. При этом электрическая мощность, потребляемая плазмотронами одного модуля, составляет около 1000 кВт-ч.

Затраты на производство угля, эквивалентно природному количеству синтез-газа, в 5,22 раза меньше, чем стоимость природного газа.

На фиг. 1 приведена схема энерготехнологической установки для осуществления способа термической переработки твердого топлива. На фиг. 2 приведена схема подсоединения трех модулей газификаторов.

Энерготехнологическая установка для переработки твердого топлива содержит плазменный газификатор 1, состоящий из металлического корпуса 2, футерованного огнеупорным кирпичем 3. В нижней боковой стенке газификатора установлены плазмотроны 4. В одной горизонтальной плоскости с плазмотронами выполнена летка 5 для выпуска расплава, оснащенная шиберным затвором 6. В верхней части плазменного газификатора установлена система для загрузки низкосортного топлива, включающая в себя два подвижных один относительно друг друга, конуса 7. В подконусном пространстве выполнен футерованный патрубок 8 отбора синтез газа, соединяющий футерованным трубопроводом 9, через обратный клапан 10, газификатор с высокотемпературным ресивером 11. Высокотемпературный ресивер 11 состоит из герметичного стального корпуса 12, футерованного огнеупорным кирпичем 13. Из ресивева 11 синтез-газ через трубопровод 14 подается к потребителю.

Летка 5 соединена футерованной канавкой 15 с футерованным накопителем расплава 16, в нижней части которого установлен погружной плазмотрон 17 для продувки расплава окислов металлов (шлаков). В нижнем уровне накопителя 16 установлена летка 18 слива восстановленного металла, а в верхнем уровне летка 19 слива обедненного расплава в стабилизирующий реактор 20. В верхней части реактора 20 установлен стабилизирующий плазмотрон 21, а к нижней части присоединен фидер 22 с электрообогреваемым отверстием 23 для слива расплава. К отверстию 23 пристыкована осадительная колонна 24, в верней части которой установлены под углом к оси струи обедненного расплава, распылительные плазмотроны 25. В нижней части осадительной колонны 24 установлен конвейер 26 для перемещения волокнистых материалов в зону формирования плит (матов) 27.

Другим исполнением изобретения является фиг. 2, где газификаторы 1 соединены футерованной канавой 15 и общей системой загрузки угля 28. Газификаторы подсоединены к общему высокотемпературному ресиверу 11 через трубопроводы 9 и обратные клапаны 10.

Энерготехнологическая установка переработки твердого топлива работает следующим образом.

Конвейером 28 низкосортное твердое топливо подают на верхний загрузочный конус 7, после заполнения надконусного пространства, подачу топлива прекращают и пересыпают в межконусное пространство. Одновременно включают плазмотроны 4 для прогрева газификатора 1. После прогрева газификатора до температуры 1300 К опускают нижний конус 7 и пересыпают уголь в газификатор 1. Затем загружают новую порцию топлива на верхний конус 7. Окислительные плазменные струи плазмотронов подают слой топлива, нагревают его и углерод топлива, взаимодействуя с окислительной плазменной струей, имеющей среднемассовую температуру 2500 - 4000 К, переходит в газообразное состояние и в виде CO через патрубок 8 поступает в высокотемпературный ресивер 11. Подаваемая в плазмотрон с плазмообразующим воздухом вода конвертируется на кислород, который дополнительно участвует в окислении веществ, находящихся в топливе, и водород, который в свободном виде или в виде высокомолекулярных соединений типа C_nH_n в смеси с CO, поступает в ресивер 11. Для придания жидкотекучести образующемуся при газификации углерода топливу, процесс газификации проводят при температуре 1650-1800 К. Нагретый до температуры 1650-1850 К синтез-газ, состоящий из 40-43% CO и 57-60% H2 через патрубок 8, трубопровод 9 и обратный клапан 10 подается в высокотемпературный ресивер 11. Обратный клапан 10 предназначен для запирания трубопровода 9 в момент загрузки газификатора 1 или замены плазмотронов 4. Синтез-газ подается в ресивер 11 за счет давления в диапазоне 6000-15000 Па в газификаторе 1, которое создается плазмотронами 4. Из высокотемпературного ресивера 11 нагретый до температуры 1600-1800 К синтез-газ через трубопровод 14 подается к потребителю.

После окончания процесса газификации угля, открывают шиберный затвор 6 и расплавленное топливо через летку 5 выливают в футерованную канаву 15, по которой расплав поступает в накопитель расплава 16. Одновременно с подачей расплава в накопитель 16 включают погружной плазмотрон 17, генерирующий восстановительную плазменную струю со среднемассовой температурой 3000-4000 К. Плазмотрон 17 установлен у дна накопителя 16, и плазмотрон 17, продувая столб расплава, восстанавливает имеющиеся в нем окислы металлов, например окислы железа и кремния. Температуру расплава при продувке его восстановительной плазмой доводят до величины 2000-2050 К, и при этой температуре интенсивно восстанавливается кремний. Температура восстановления железа значительно ниже и достигает величины 1700-1800 К. Восстановленные металлы через нижнюю летку 18 сливаются в изложницы для потребителя, а обедненный расплав через верхнюю летку 19 сливают в стабилизирующий реактор 20. Стабилизирующим плазмотроном 21 поддерживают температуру обедненного расплава на уровне, обеспечивающем его слив через электрообогреваемые отверстия 23, выполненные в фидере 22. Струя обедненного расплава через отверстия 23 поступает на распылительное плазменное устройство, состоящее из двух плазмотронов 25, расположенных под углом 15-60^o к оси струи расплава. Такое размещение плазмотронов позволяет изменять степень воздействия динамического напора плазмы на струю расплава и тем самым получать заданные механические свойства волокон. За счет воздействия плазменной струи на обедненный расплав, формируемые волокна не испытывают термического удара (при раздуве холодным воздухом происходит термический удар и волокна становятся ломкими) и качество волокон повышается. Распыленные плазмотронами волокна оседают в осадительной колонне 24 на сеточный конвейер 26, который выносит волокнистые материалы в зону формирования готовой продукции - потребителю.

Использование: теплоэнергетика, в частности термическая переработка различных органических отходов, в т.ч. низкокачественного угольного шлама - отходов угольного производства струей низкотемпературной плазмы. Способ термической переработки твердого топлива включает газификацию твердого топлива в присутствии газифицирующего агента, подачу непрореагировавшего твердого топлива на повторную газификацию в присутствии окислителя с последующим разделением газообразных и твердых продуктов. Путем продувки твердого топлива, подаваемого дозированно, окислительной плазменной струей получают синтез-газ, который под действием плазменных струй напором 6000 - 15000 Па, направляется в высокотемпературный ресивер и далее потребителю. Непрореагировавший остаток твердого топлива дополнительно нагревают до образования расплава, затем сливают в накопитель расплава и осуществляют его продувку восстановительной плазменной струей при температуре 2000 - 2050 К для получения ферросилиция. Обедненный расплав пдают в стабилизирующий реактор, где поддерживают температуру в пределах 1600-1800 К плазменной струей и затем подают на распылительные плазменные струи, установленные под углом 15 - 60^o к оси обеденного расплава для получения волокнистых материалов. Энерготехнологическая установка для переработки твердого топлива содержит последовательно установленный газификатор, для получения синтез-газа, накопитель расплава, стабилизирующим реактор, осадительную колонну для получения волокнистого материала. При этом установленные по ходу технологического цикла вышеуказанные модули соединены между собой футерованными канавами и снабжены плазмотронами, генерирующими плазменные струи, регулируемые по температуре и давлению в зависимости от процесса получения конечного продукта. Технический результат: создание цикла безостаточной переработки с полным извлечением ценного продукта и направление его потребителю при сохранении чистоты окружающей среды. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ термической переработки твердого топлива, включающий газификацию низкосортного твердого топлива в присутствии газифицирующего агента, подачу непрореагировавшего низкосортного твердого топлива на повторную газификацию в присутствии окислителя, отличающийся тем, что подачу низкосортного твердого топлива осуществляют дозированно, температуру отвода газообразных продуктов газификации поддерживают от 1650^o до 1850^oК путем продувки слоев твердого топлива окислительной плазменной струей, затем устанавливают динамический напор плазменной струи в диапазоне 6000 - 15000 Па и полученный синтез-газ плазменной струей направляют в высокотемпературный ресивер и далее потребителю, после полного отвода синтез-газа из газификатора непрореагировавший остаток нагревают до образования расплава, который сливают и осуществляют его продувку восстановительной плазменной струей при температуре 2000 - 2050^oК для дополнительного получения ферросилиция с последующей его подачей потребителю, а обедненный расплав последовательно подают в стабилизирующий реактор, в котором поддерживают плазменными струями температуру в диапазоне 1600 - 1800^oК, а затем - на распылительные плазменные струи, установленные под углом 15 - 60^o к оси струи обедненного расплава для дополнительного получения волокнистых материалов, которые направляют в зону формирования готовой продукции. 2. Энерготехнологическая установка для термической переработки твердого топлива, содержащая футерованный газификатор для получения синтез-газа с установленными в его нижней части плазмотроном, а в верхней - дозатором подачи низкосортного твердого топлива и патрубком отвода нагретого синтез-газа, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена последовательно установленными накопителем расплава для получения ферросплавов, стабилизирующим реактором и осадительной колонной для получения волокнистого материала, при этом футерованный газификатор снабжен дополнительными плазмотронами, которые установлены в плоскости расположения первого и летки для выпуска окислительного расплава, выполненной в нижней части газификатора и соединенной на выходе через футерованную канавку с накопителем расплава, в нижней части которого установлен погружной плазмотрон для продувки расплава и в котором на разных уровнях выполнены летки для выпуска полученного ферросплава и обедненного расплава соответственно, последние подсоединены к снабженному стабилизирующим плазмотроном стабилизирующему реактору, который на выходе подсоединен к фидеру, выполненному с электрообогреваемыми отверстиями для слива обедненного расплава, сообщенными с осадительной колонной, в верхней части которой диаметрально установлены не менее двух плазмотронов с возможностью направления плазменных струй под углом 15 - 60^o к оси струи обедненного расплава, при этом патрубок отбора синтез-газа из газификатора через футерованный трубопровод с установленным в нем обратным клапаном сообщен с высокотемпературным ресивером, снабженным трубопроводом подачи синтез-газа потребителю, а дозатор выполнен в виде двух герметических конусов, установленных подвижно с возможностью образования межконусного пространства, причем вышеупомянутые летки снабжены шиберными затворами. 3. Энерготехнологическая установка по п.2, отличающаяся тем, что высокотемпературный ресивер дополнительно подсоединен к одному или более плазменным газификаторам, летки которых подсоединены через футерованные канавы друг к другу и к накопителю расплава.