УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ТОПЛИВ, ОСТАТКОВ ОБРАБОТКИ И ОТХОДОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК C10J3/48 

Настоящее изобретение относится к устройству для газификации углеродсодержащих топлив, остатков от обработки и отходов в присутствии кислородсодержащего окислителя при температурах, превышающих точку плавления неорганических компонентов.

Под топливами и отходами понимают материалы, которые содержат или не содержат золу, такие как бурые и каменные угли и их коксы, водоугольные суспензии, а также масла, смолы и шламы и, кроме того, остатки и отходы, образующиеся в ходе проведения химических процессов и процессов варки древесины, как, например, черный щелок из процесса получения крафтцеллюлозы, а также твердые и жидкие фракции, получаемые при переработке отходов и вторичного сырья, такие как отработанные масла, масла, содержащие полихлорированные бифенилы, фракции, содержащие пластмассы и бытовые отходы или продукты их первичной обработки, легковесный скрап шреддерной переработки автомобильного, кабельного и лома электронных приборов, а также загрязненные радиоактивными веществами водные растворы и газы. Изобретение может использоваться не только в проточных газогенераторах, но и в других газогенераторных системах, таких как газогенераторы с неподвижным или псевдоожиженным слоем материала или при их комбинации.

В технологии производства газа уже много лет известен метод автотермической газификации твердых, жидких и газообразных топлив в движущемся слое. Соотношение топлива и кислородсодержащих газифицирующих реагентов подбирают при этом таким образом, чтобы в целях получения синтез-газа соответствующего качества полностью расщеплять более высокомолекулярные углеродные соединения на такие компоненты синтез-газа, как СО и Н₂, а неорганические компоненты удалять в виде жидкого расплава (J. Carl, P. Fritz, NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, издательство EF-Verlag fur Energie - und Umwelttechnik GmbH, Берлин, 1996, стр. 33 и 73).

При этом в различных применяемых в данной технологии системах генераторный газ и расплав неорганической фракции, например шлак, отводят из реакционного пространства газогенераторного устройства раздельно либо совместно, как это описано в DE 19718131.7.

С целью ограничить внутренний объем реакционного пространства газогенераторной системы применяют либо системы с огнеупорной футеровкой, либо системы с охлаждением, как это раскрыто в DE 4446803 А1.

Преимущество газогенераторных систем с огнеупорной футеровкой заключается в низких потерях тепла и в достигаемом благодаря этому энергетически эффективном превращении исходных, подаваемых на переработку топлив. Однако такие системы можно использовать только для беззольных топлив, поскольку жидкий шлак, стекающий при газификации в движущемся слое по внутренней поверхности реакционной камеры, растворяет огнеупорную футеровку, резко ограничивая тем самым срок службы футеровки до ее следующей дорогостоящей замены.

Поэтому для устранения указанного недостатка при использовании зольных топлив были разработаны и внедрены охлаждаемые системы, работающие по принципу мембранной стенки. В результате охлаждения на поверхности, ограничивающей реакционное пространство, вначале образуется твердый слой шлака, толщина которого увеличивается до тех пор, пока продолжающий падать на него из реакционной камеры газогенератора шлак не начнет стекать по этой стенке и вытекать, например, совместно с генераторным газом из реакционной камеры. Подобные системы работают достаточно стабильно и характеризуются длительным сроком службы между капитальными ремонтами. Однако существенный недостаток таких систем состоит в том, что примерно до 5% подаваемой энергии затрачивается на охлаждаемый экран.

Различные топлива и отходы, как, например, содержащие тяжелые металлы или летучую золу масла, смолы либо содержащие смолы и масла твердые шламы, содержат слишком мало золы для образования на охлаждаемых стенках реактора достаточно толстого защитного слоя шлака, что приводит к дополнительным потерям энергии, а с другой стороны, содержание золы в них слишком велико для того, чтобы избежать в реакторах с огнеупорной футеровкой оплавления, соответственно растворения огнеупорного слоя и обеспечить достаточную продолжительность срока службы реактора до следующей замены футеровки.

Еще один недостаток состоит в сложной конструкции стенки реактора, что может создавать значительные проблемы при его сооружении и эксплуатации. Так, например, стенка проточного реактора, описанного у J. Carl, P. Fritz (NOELL-KONVERSIONSVERFAHREN, издательство EF-Verlag fur Energie - und Umwelttechnik GmbH, Берлин, 1996, стр. 33 и 73), имеет безнапорную водяную рубашку, способный выдерживать давление кожух, который с внутренней стороны защищен от коррозии дегтесодержащей эпоксидной смолой и футерован огнеупорным легковесным бетоном, а также охлаждающий экран, выполненный по типу обычно используемой в котлостроении мембранной стенки из газонепроницаемо сваренных, ошипованных охлаждающих трубок, которые покрыты тонким слоем SiC и по которым протекает вода. Между охлаждающим экраном и работающим под давлением кожухом, футерованным огнеупорным бетоном, имеется зазор, который необходимо продувать сухим, не содержащим кислорода газом, во избежание образования потока жидких сред между экраном и кожухом и образования конденсата.

Из US 4343626 известно также устройство для газификации углеродсодержащих топлив, содержащее реакционную камеру, которая ограничена охлаждаемой стенкой реактора и имеет последовательно расположенные по направлению снаружи внутрь способный воспринимать давление кожух, охлаждающую стенку, охлаждающий зазор между кожухом и охлаждающей стенкой и огнеупорную футеровку. Однако и это устройство не свободно от указанных выше недостатков.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такое устройство, которое при простоте и надежности его работы позволяло бы перерабатывать топлива и отходы с варьирующейся в самых широких пределах зольностью.

Поставленная задача решается в одном случае с помощью предложенного устройства для газификации углеродсодержащих и зольных топлив, остатков от обработки и отходов в присутствии кислородсодержащего окислителя при температурах, превышающих точку плавления неорганических компонентов, в выполненной по типу проточного реактора реакционной камере при давлении от нормального до 80 бар, предпочтительно от нормального до 30 бар, при этом реакционная камера ограничена охлаждаемой стенкой реактора, которая имеет последовательно расположенные по направлению снаружи внутрь способный воспринимать давление кожух, охлаждающую стенку, водоохлаждаемый охлаждающий зазор между кожухом и охлаждающей стенкой, керамическое защитное покрытие охлаждающей стенки и шлаковый слой, причем охлаждающий зазор между кожухом и охлаждающей стенкой выполнен с возможностью создания в нем регулированием давления и температуры таких рабочих условий, чтобы температура охлаждающей воды была ниже или выше точки ее кипения, при этом давление в охлаждающем зазоре поддерживается на уровне, превышающем давление в камере газификации.

Предпочтительно охлаждающую стенку выполнить из газонепроницаемо сваренных продольно разрезанных половин труб, которые ошипованы и покрыты тонким слоем керамической массы, обладающей высокой теплопроводностью.

При этом тонкий слой керамической массы предпочтительно наносить на охлаждающую стенку газопламенным напылением.

Желательно охлаждающей стенке придать такую геометрическую форму, как трапеция, треугольник, прямоугольник, выполнить ее гофрированной или гладкой.

В другом случае задача изобретения решается с помощью предложенного устройства для газификации углеродсодержащих беззольных топлив, остатков от обработки и отходов в присутствии кислородсодержащего окислителя при температурах, превышающих 850^oС, в выполненной по типу проточного реактора реакционной камере при давлении от нормального до 80 бар, предпочтительно от нормального до 30 бар, при этом реакционная камера ограничена охлаждаемой стенкой реактора, которая имеет последовательно расположенные по направлению снаружи внутрь способный воспринимать давление кожух, охлаждающую стенку, водоохлаждаемый охлаждающий зазор между кожухом и охлаждающей стенкой, керамическое защитное покрытие охлаждающей стенки и огнеупорную футеровку, причем заполненный водой под давлением охлаждающий зазор между кожухом и охлаждающей стенкой выполнен с возможностью создания в нем таких рабочих условий, чтобы температура охлаждающей воды была ниже или выше точки ее кипения, при этом давление в охлаждающем зазоре поддерживается на уровне, превышающем давление в камере газификации.

Предпочтительно охлаждающую стенку также выполнить из газонепроницаемо сваренных продольно разрезанных половин труб, которые ошипованы и покрыты тонким слоем керамической массы, обладающей высокой теплопроводностью.

В этом случае тонкий слой керамической массы также целесообразно наносить на охлаждающую стенку газопламенным напылением.

При этом охлаждающая стенка может иметь форму трапеции, треугольника, прямоугольника, может быть гофрированной или гладкой.

Предлагаемое в изобретении устройство позволяет подвергать газификации топлива, отходы и остатки от обработки с самой различной зольностью, а также осуществлять комбинированную газификацию углеводородсодержащих газов, жидкостей и твердых веществ.

В соответствии с изобретением предлагается ограничить реакционную камеру, в которой протекает процесс газификации, огнеупорной футеровкой или слоем застывшего шлака. Интенсивное охлаждение защищает огнеупорный материал футеровки или приводит к застыванию жидкого шлака, в результате чего образуется теплоизолирующий слой. Для охлаждения предусмотрен охлаждающий зазор с водяным охлаждением, рабочие условия в котором можно отрегулировать таким образом, чтобы температура охлаждающей воды была выше или ниже точки ее кипения.

Далее изобретение более подробно поясняется описанием примеров двух вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, где:
на фиг.1 показан газогенераторный реактор в продольном сечении,
на фиг. 2 - в увеличенном масштабе частичное сечение газогенераторного реактора в области охлаждающей стенки.

В первом варианте на фиг.1 показан газогенераторный реактор. Превращение топлив, остатков от обработки и отходов в присутствии кислородсодержащего окислителя с образованием богатого Н₂ и СО неочищенного газа происходит в реакционной камере 1. Газифицирующие агенты подаются через специальные форсунки (не показаны), закрепленные на фланце 2. Неочищенный генераторный газ при определенных условиях совместно с жидким шлаком выходит из реакционной камеры 1 через отверстие 8, снабженное специальным приспособлением (не показано), и поступает в последующие системы (не показаны) охлаждения, промывки и очистки. Газогенераторный реактор заключен в способный выдерживать давление кожух 3, который воспринимает разность давлений, преобладающих соответственно в реакционной камере 1 и снаружи. Для термозащиты этого кожуха предусмотрен заполненный водой охлаждающий зазор 5, в котором можно создавать такие рабочие условия, чтобы температура охлаждающей воды была выше или ниже зависящей от общего давления точки ее кипения. Во избежание попадания генераторного газа в охлаждающий зазор 5 в случае поломки давление в нем постоянно поддерживают на более высоком уровне, чем давление в реакционной камере 1. С ближней к реакционной камере 1 стороны охлаждающий зазор 5 ограничен охлаждающей стенкой 4. Образующаяся в охлаждающем зазоре 5 горячая вода или пар отводятся через патрубки 9. На охлаждающую стенку 4 может быть нанесено тонкое, прочно сцепленное с ее поверхностью керамическое защитное покрытие 6. Температура в охлаждающем зазоре 5 в зависимости от рабочего давления, создаваемого в технологическом процессе, может составлять от 50 до 350^oС. При газификации беззольных исходных материалов или исходных материалов с исключительно низким содержанием золы может оказаться целесообразным с целью ограничить передачу тепла в охлаждающий зазор 5 предусмотреть на охлаждающей стенке 4 облицовку в виде огнеупорной теплоизолирующей каменной кладки 7 в качестве огнеупорной футеровки. При использовании же зольных топлив, остатков от обработки и отходов можно отказаться от огнеупорной каменной кладки 7. Образующийся в реакционной камере 1 жидкий шлак остывает на холодной поверхности охлаждающей стенки 4 и ее покрытии 6 и, застывая, образует в результате огнеупорную футеровку в виде шлакового слоя 10, растущего в сторону реакционной камеры 1 до тех пор, пока он не достигнет температуры плавления шлака. Образующийся в последующем сверху шлак начинает стекать пленкой по шлаковому слою и выводится через отверстие 8, увлекаемый горячим неочищенным газом.

На фиг.2 показан один из примеров выполнения охлаждающей стенки 4, которая образована газонепроницаемо сваренными половинами разрезанных вдоль труб, которые ошипованы и покрыты тонким слоем защитного карборундового покрытия в виде набивной футеровки. На их обращенной к реакционной камере 1 стороны расположена керамическая футеровка в виде шлакового слоя 10, который наносится либо искусственно, как в рассмотренном выше первом варианте, либо формируется самостоятельно из собственно жидкого расплава золы. Охлаждающая стенка может иметь и иную форму, например может быть выполнена из гофрированного металлического листа или быть, в частности, трапециевидной, треугольной или прямоугольной формы, что зависит от конкретной технологии ее изготовления. Керамическое защитное покрытие 6 может удерживаться на охлаждающей стенке с помощью механических крепежных средств (ошиповки), как во втором примере, а также за счет образования химической связи или может быть нанесено термическим путем, например газопламенным напылением.

Кроме того, очевидно, что выполненная по второму варианту стенка, ограничивающая реакционную камеру 1, с ее компонентами 3, 4, 5, 6 и 7 может использоваться не только в подверженных высоким температурным нагрузкам проточных газогенераторных реакторах, но и в других газогенераторных системах, как, например, газогенераторы с неподвижным или псевдоожиженным слоем материала, или при их комбинации.

Устройство для газификации углеродсодержащих и зольных топлив, остатков от обработки и отходов в присутствии кислородсодержащего окислителя при температурах, превышающих точку плавления неорганических компонентов, в выполненной по типу проточного реактора реакционной камере при давлении от нормального до 80 бар, предпочтительно от нормального до 30 бар, при этом реакционная камера ограничена охлаждаемой стенкой реактора, которая имеет последовательно расположенные по направлению снаружи внутрь способный воспринимать давление кожух, охлаждающую стенку, водоохлаждаемый охлаждающий зазор между кожухом и охлаждающей стенкой, керамическое защитное покрытие охлаждающей стенки и шлаковый слой, давление и температуру охлаждающей воды в охлаждающем зазоре между кожухом и охлаждающей стенкой регулируют таким образом, чтобы температура охлаждающей воды была ниже или выше точки ее кипения, а давление в охлаждающем зазоре превышало давление в камере газификации. Устройство для газификации углеродсодержащих беззольных топлив, остатков от обработки и отходов в присутствии кислородсодержащего окислителя при температурах, превышающих 850^oС, в выполненной по типу проточного реактора реакционной камере при давлении от нормального до 80 бар, предпочтительно от нормального до 30 бар, при этом реакционная камера ограничена охлаждаемой стенкой реактора, которая имеет последовательно расположенные по направлению снаружи внутрь способный воспринимать давление кожух, охлаждающую стенку, водоохлаждаемый охлаждающий зазор между кожухом и охлаждающей стенкой, керамическое защитное покрытие охлаждающей стенки и огнеупорную футеровку, причем заполненный водой под давлением охлаждающий зазор между кожухом и охлаждающей стенкой выполнен с возможностью создания в нем таких рабочих условий, чтобы температура охлаждающей воды была ниже или выше точки ее кипения, при этом давление в охлаждающем зазоре поддерживается на уровне, превышающем давление в камере газификации. Использование данной группы изобретений позволяет создать простое и надежное устройство, которое позволяет перерабатывать топлива и отходы с варьирующейся в самых широких пределах зольностью. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для газификации углеродсодержащих и зольных топлив, остатков от обработки и отходов в присутствии кислородсодержащего окислителя при температурах, превышающих точку плавления неорганических компонентов, в выполненной по типу проточного реактора реакционной камере при давлении от нормального до 80 бар, предпочтительно от нормального до 30 бар, при этом реакционная камера ограничена охлаждаемой стенкой реактора, которая имеет последовательно расположенные по направлению снаружи внутрь способный воспринимать давление кожух (3), охлаждающую стенку (4), водоохлаждаемый охлаждающий зазор (5) между кожухом (3) и охлаждающей стенкой (4), керамическое защитное покрытие (6) охлаждающей стенки (4) и шлаковый слой (10), причем охлаждающий зазор (5) между кожухом (3) и охлаждающей стенкой (4) выполнен с возможностью создания в нем регулированием давления и температуры таких рабочих условий, чтобы температура охлаждающей воды была ниже или выше точки ее кипения, при этом давление в охлаждающем зазоре поддерживается на уровне, превышающем давление в камере газификации. 2. Устройство по п. 1, у которого охлаждающая стенка (4) выполнена из газонепроницаемо сваренных продольно разрезанных половин труб, которые ошипованы и покрыты тонким слоем керамической массы, обладающей высокой теплопроводностью. 3. Устройство по п. 1, у которого тонкий слой керамической массы нанесен на охлаждающую стенку (4) газопламенным напылением. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, у которого охлаждающая стенка (4) имеет такую геометрическую форму, как трапеция, треугольник, прямоугольник, гофрированную или гладкую форму. 5. Устройство для газификации углеродсодержащих беззольных топлив, остатков от обработки и отходов в присутствии кислородсодержащего окислителя при температурах, превышающих 850^oС, в выполненной по типу проточного реактора реакционной камере при давлении от нормального до 80 бар, предпочтительно от нормального до 30 бар, при этом реакционная камера ограничена охлаждаемой стенкой реактора, которая имеет последовательно расположенные по направлению снаружи внутрь способный воспринимать давление кожух (3), охлаждающую стенку (4), водоохлаждаемый охлаждающий зазор (5) между кожухом (3) и охлаждающей стенкой (4), керамическое защитное покрытие (6) охлаждающей стенки (4) и огнеупорную футеровку (7), причем заполненный водой под давлением охлаждающий зазор (5) между кожухом (3) и охлаждающей стенкой (4) выполнен с возможностью создания в нем таких рабочих условий, чтобы температура охлаждающей воды была ниже или выше точки ее кипения, при этом давление в охлаждающем зазоре (5) поддерживается на уровне, превышающем давление в камере (1) газификации. 6. Устройство по п. 5, у которого охлаждающая стенка (4) выполнена из газонепроницаемо сваренных продольно разрезанных половин труб, которые ошипованы и покрыты тонким слоем керамической массы, обладающей высокой теплопроводностью. 7. Устройство по п. 5, у которого тонкий слой керамической массы нанесен на охлаждающую стенку (4) газопламенным напылением. 8. Устройство по любому из пп. 5-7, у которого охлаждающая стенка (4) имеет такую геометрическую форму, как трапеция, треугольник, прямоугольник, гофрированную или гладкую форму.