ГАЗИФИКАТОР ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2004 года по МПК F23G5/27 

Газификатор твердого топлива предназначен для переработки торфа, низкосортного угля, отходов деревообработки, твердых бытовых отходов и т.п. путем взаимодействия топлива с газифицирующим агентом и пиролиза с получением горючего продукт-газа.

Газификатор представляет собой вертикальную шахтную печь, внутри которой последовательно, сверху вниз, расположены зоны сушки, пиролиза и горения твердого топлива. В верхней части газификатора расположены загрузочное устройство в виде шлюзовой камеры и патрубок для отбора продукт-газа. В нижней части расположены устройство для накопления и вывода твердых продуктов переработки (золы) и патрубок для подачи газифицирующего агента. В настоящее время такая конструкция хорошо известна, например газогенератор “Бионер” финской фирмы “Перусюхтюма” (1). Продукт-газ образуется в газификаторе в результате взаимодействия топлива с газифицирующим агентом, а также в результате термического разложения топлива (пиролиза) и вторичных химических реакций. Этот горючий продукт-газ может использоваться для нагрева паровых и водогрейных котлов, в сушильных агрегатах как топливо для газовых турбин, а также может найти широкое применение в энергетике. Следует особо отметить, что при газификации твердых бытовых отходов (ТБО) одновременно решается еще одна не менее важная проблема по экологически чистому их уничтожению, так как двух стадийное сжигание (сначала газификация, а потом сжигание продукт-газа в котле) экологически значительно чище, чем обычное, и практически не требует дополнительной очистки продуктов горения.

Непосредственно сам процесс газификации хорошо известен и уже используется не один десяток лет. Он заключается в следующем. Снизу в газификатор подается газифицирующий агент (влажный воздух). После прохождения через золу он нагревается и попадает в зону горения. В зоне горения расходуется весь свободный кислород газифицирующего агента. Далее горячие газообразные продукты горения поступают в зону пиролиза. В ней, в основном, и происходят процессы, связанные с образованием горючего газа. В этой зоне происходят вторичные химические реакции и термическое разложение (пиролиз) твердого топлива с образованием летучих горючих компонентов (продукт-газа) и твердого остатка (кокса). Далее горячие продукты горения и пиролиза проходят через свежее топливо, нагревают и сушат его, при этом сами остывают. На выходе горючий продукт-газ имеет температуру около 150°. Получаемый продукт-газ имеет невысокую калорийность, но достаточную для использования его в отопительных котлах.

В газификаторе можно сжигать ТБО с влажностью до 60%. Процесс является сверхадиабатическим. Кокс сгорает в зоне горения газификатора с выделением тепла, которого достаточно для поддержания непрерывного процесса. В противном случае в ТБО добавляют немного высококалорийного топлива (например, каменный уголь, отходы деревообработки, и т.п.) для поддержания процесса.

Более подробно этот процесс описан в работах Института химической физики в Черноголовке (см. патент РФ №2079051) и был реализован им совместно с финской фирмой. Вариант газификатора Института химической физики в Черноголовке следует рассматривать как аналог предлагаемого газификатора. В аналоге предусматривается смешивание ТБО с кусками огнеупорного материала перед сжиганием для улучшения теплообмена и газопроницаемости. Однако это значительно усложняет оборудование для загрузки газификатора и выгрузки золы, а также не исключает, а следовательно, усложняет процесс перемешивания ТБО внутри газификатора, что в условиях высокой температуры становится непреодолимым препятствием.

Предлагаемый вариант газификатора конструктивно проще в изготовлении и эксплуатации. Следовательно, он значительно дешевле, надежней и конкурентоспособней аналога. В нем применены термоаккумулирующие элементы, которые обеспечивают равномерное распределение температуры и газопроницаемости топлива по горизонтальным сечениям печи, что является главным условием качественного протекания процесса газификации. Равномерный прогрев и равномерная газопроницаемость топлива способствуют более интенсивному протеканию химических реакций и процесса пиролиза, а также выходу более высокого процента содержания горючих газов в продукт-газе.

Очень часто твердое топливо имеет неравномерно распределенную по объему насыпную плотность или под воздействием температуры может спекаться. Например, твердые бытовые отходы (ТБО). В местах спекания топлива или в местах увеличенной плотности ухудшаются газопроницаемость, теплообмен, наблюдается местное снижение температуры и, как следствие, происходит замедление процесса горения и пиролиза. Газифицирующий агент, содержащий кислород, устремляется в области, где есть хорошая газопроницаемость, образуя при этом глубокие прогары в свежем топливе и способствуя при этом увеличению размеров имеющихся и образованию новых спеков. Процесс газификации окончательно нарушается при выходе прогара на верхнюю границу топлива.

Для обеспечения равномерного распределения температуры и газопроницаемости топлива по горизонтальным сечениям печи применяют различные устройства и способы. Например, способ, описанный в патенте RU 2079051, при котором увеличивают несгораемую часть в ТБО путем добавления в них кусков огнеупорного материала для улучшения теплообмена и газопроницаемости. Однако этот способ не исключает прогаров и спеков в свежем топливе.

В качестве прототипа рассмотрим способ, описанный в патенте US 4732091, когда твердое топливо проходит через последовательность камер шахтной печи, разделенных горизонтальными подвижными решетками, в которых топливо пиролизуется и сгорает в противотоке газифицирующего агента. К недостаткам такого газификатора следует отнести наличие в нем подвижных решеток. В условиях высокой температуры при различных видах топлива очень сложно обеспечить долговременную и надежную работу этих решеток. Решетки должны обладать достаточно большой прочностью и стойкостью при высокой температуре в агрессивной среде.

Для нормального протекания процесса на решетках не должно образовываться спеков. В противном случае процесс газификации будет замедляться, что приводит к снижению производительности.

Предлагаемый газификатор имеет более простое и надежное устройство для обеспечения равномерного распределения температуры и газопроницаемости по горизонтальным сечениям печи по сравнению с прототипом и аналогами и позволяет получать более высокую производительность процесса.

Он так же, как и прототип, выполнен в виде вертикальной шахтной печи, внутри которой последовательно, сверху вниз, расположены зоны сушки, пиролиза и горения твердого топлива. В верхней части расположены загрузочное устройство и патрубок для отбора продукт-газа, в нижней части - патрубок для подачи газифицирующего агента и устройство для накопления и вывода твердых продуктов переработки - золы. Между верхней и нижней частями газификатора расположены одна или несколько секций, являющихся составными частями газификатора, имеющие в центре внутренние сквозные полости, расположенные в направлении вертикальной оси газификатора и сообщающиеся с внутренними полостями верхней и нижней части, а также с внутренними полостями других составных частей газификатора.

В предлагаемом газификаторе внутренние секции имеют кожух с расположенной в нем футеровкой, в которой закреплены концы термоаккумулирующих элементов. Сами элементы расположены во внутренних полостях секций. Они равномерно распределены по объему внутренних полостей и обладают достаточно большой теплоемкостью. Одна или несколько секций печи выполнены с возможностью вращения относительно верхней и нижней частей газификатора вокруг его вертикальной оси.

Термоаккумулирующие элементы - это стержни из керамики, круглого или любого другого сечения, диаметром 100-200 мм. Керамика обладает достаточно большой теплоемкостью и прочностью при высокой температуре, а также высокой стойкостью в агрессивной и окислительной среде.

Расположение термоаккумулирующих элементов во внутренней полости секции может быть различно. Наиболее целесообразно располагать их во внутренней полости диаметрально, один над другим, под углом к друг другу или в виде объемной решетки, где элементы одного ряда находятся под углом к элементам другого ряда. Концы керамических стержней должны быть закреплены в футеровке с учетом термического расширения, например, с помощью термостойкой минеральной ваты.

Секции выполнены в виде металлического кожуха с расположенной в нем футеровкой, в которой и закреплены концы термоаккумулирующих элементов. Секции опираются через упорные подшипники на такие же секции или на нижнюю часть газификатора. На наружной поверхности кожуха секции имеется устройство, через которое передается усилие для вращения секции от привода, например, в виде зубчатого колеса для механического или гидравлического привода.

Направление вращения секций может быть произвольное, в любую сторону. Желательно, чтобы соседние секции вращались в разные стороны. Это существенно улучшит перемешивание топлива и создаст более равномерное распределение температуры и газопроницаемости по горизонтальным сечениям печи. Скорость вращения выбирается исходя из вида сжигаемого топлива.

Зазоры между составными частями газификатора - между секциями и/или между секциями и верхней и/или нижней частями газификатора - герметизированы с помощью лабиринтных уплотнений, заполненных жидкостью. Они выполнены в виде цилиндрического кольца, закрепленного на верхней, относительно зазора, части и расположенного внутри кольцевой полости, образованной на нижней, относительно того же зазора, составной части газификатора. В кольцевую полость залита жидкость, уровень которой находится выше нижней торцевой поверхности цилиндрического кольца. Уровень жидкости должен быть достаточным, чтобы компенсировать небольшое избыточное давление внутри газификатора и предотвратить истечение горячих газов наружу. В качестве жидкости может быть использовано отработанное моторное масло, а для компенсации более значительного избыточного давления внутри газификатора в масло можно добавить наполнитель высокой плотности, например металлический порошок.

В зазорах, образующихся между частями и секциями газификатора, находится воздух. Воздух имеет очень низкую теплопроводность. Поэтому он будет служить хорошей теплоизоляцией при условии, что через зазоры не будет происходить истечения горячих газов.

Для удобства монтажа, технического обслуживания и эксплуатации газификатора можно предусмотреть специальную конструкцию, состоящую из опор и площадок обслуживания, транспортера загрузки топлива и транспортера выгрузки золы. Можно также этот процесс полностью автоматизировать, как это сделала финская фирма на газификаторе “Бионер”.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется прилагаемым к заявке иллюстративным материалом. На фиг.1 представлен общий вид газификатора; на фиг.2 - сечение по Б-Б; на фиг.3 - сечение по А-А; на фиг.4 - зазоры между секциями.

Газификатор выполнен в виде вертикальной шахтной печи, внутри которой последовательно, сверху вниз, расположены зоны сушки, пиролиза и горения твердого топлива (см.фиг.1). В верхней части 1 расположены загрузочное устройство 2 и патрубок 3 для отбора продукт-газа, в нижней части 4 - патрубок 5 для подачи газифицирующего агента и устройство 6 для накопления и вывода твердых продуктов переработки (золы). Между верхней и нижней частями газификатора расположены одна или несколько секций 7, являющихся составными частями печи, имеющие в центре внутренние сквозные полости 8, расположенные в направлении вертикальной оси газификатора и сообщающиеся с внутренними полостями верхней и нижней части, а также с внутренними полостями других составных частей. Внутренние полости секций имеют футеровку 9, в которой закреплены концы термоаккумулирующих элементов 10. Сами элементы 10 расположены во внутренних полостях секций. Они равномерно распределены по объему внутренних полостей и обладают достаточно большой теплоемкостью.

Термоаккумулирующие элементы 10 целесообразно изготавливать из керамики в виде стержней круглого сечения диаметром 100-200 мм, так как керамика обладает достаточно большой теплоемкостью и прочностью при высокой температуре, а также высокой стойкостью в агрессивной и окислительной среде.

Форма и расположение термоаккумулирующих элементов во внутренней полости секции может быть различна. Наиболее целесообразно располагать их во внутренней полости диаметрально, один над другим, под углом к друг другу (см.фиг.2), или в виде объемной решетки, где элементы одного ряда находятся под углом к элементам другого ряда (см.фиг.3), в зависимости от видов топлива и технологического процесса. Концы керамических элементов должны быть закреплены в футеровке с учетом термического расширения, например, с помощью термостойкой минеральной ваты 11.

Секции 7 рекомендуется выполнять в виде металлического кожуха 12 с расположенной в нем футеровкой 9, в которой закреплены концы термоаккумулирующих элементов 10. Секции 7 опираются через упорные подшипники 13 на такие же секции или на нижнюю часть газификатора. На внешней боковой поверхности секции расположено устройство 14, являющееся частью привода вращения, например, в виде зубчатого колеса для механического или гидравлического привода 15.

Вращение секций может быть произвольное, в любую сторону, но желательно, чтобы соседние секции вращались в разные стороны. Это существенно улучшит перемешивание топлива и создаст более равномерное распределение температуры и газопроницаемости по горизонтальным сечениям печи.

Зазоры между секциями и частями газификатора герметизируются с помощью лабиринтных уплотнений, заполненных жидкостью. Они выполнены в виде цилиндрического кольца 16, закрепленного на верхней, относительно зазора, части газификатора и расположенного внутри кольцевой полости 17 (см.фиг.4), образованной на нижней, относительно того же зазора 18, составной части газификатора. В кольцевую полость залита жидкость, уровень которой находится выше нижней торцевой поверхности цилиндрического кольца 16. Уровень жидкости должен быть достаточным, чтобы компенсировать небольшое избыточное давление внутри газификатора и предотвратить истечение горячих газов наружу. В качестве жидкости может быть использовано отработанное моторное масло, а для компенсации более значительного избыточного давления внутри газификатора в масло можно добавить наполнитель высокой плотности, например металлический порошок.

В зазорах 18, образующихся между частями и секциями газификатора, находится воздух. Воздух имеет очень низкую теплопроводность, поэтому он будет служить хорошей теплоизоляцией при условии, что через зазоры не будет происходить истечения горячих газов.

Для удобства монтажа, технического обслуживания и эксплуатации газификатора можно предусмотреть специальную конструкцию, состоящую из опор 19, площадок обслуживания 20, транспортера загрузки топлива 21 и транспортера выгрузки золы 22. Можно также этот процесс полностью автоматизировать, как это сделала финская фирма на газификаторе “Бионер”.

Газификатор работает следующим образом. Изначально газификатор загружается с помощью транспортера 21 и загрузочного устройства 2 относительно легким топливом, чтобы не повредить термоаккумулирующие элементы, например, древесной щепой или торфом. Газификатор с топливом разогревают через специальные отверстия снизу с помощью горячего воздуха или газовых горелок до воспламенения топлива и подают через патрубок 5 газифицирующий агент, содержащий кислород. В дальнейшем все главные параметры непрерывного процесса газификации удерживаются на необходимом уровне путем регулировки расхода газифицирующего агента.

Для быстрого разогрева футеровки и термоаккумулирующих элементов до необходимой температуры дополнительно может быть загружено высококалорийное топливо. После их разогрева переходят на имеющийся вид топлива. В соответствии с предписанной технологией секции 7 начинают вращать с помощью привода 15.

При использовании неспекаемого топлива, такого как отходы деревообработки и т.п., вращение секций необязательно при условии, что обеспечивается равномерная газопроницаемость при загрузке. Но если топливо спекается или не обеспечивается равномерная газопроницаемость при загрузке, то необходимо придать вращение секциям с термоаккумулирующими элементами. Спеки и уплотнения топлива, образовавшиеся выше или на уровне секции, соприкасаясь с горячими термоаккумулирующими элементами, интенсивно нагреваются и в процессе вращения разрушаются. При этом улучшаются газопроницаемость и теплообмен в спеках и уплотнениях и, как следствие, ускоряется процесс пиролиза, ликвидируются прогары, растет производительность газификатора.

Вращение секций с термоаккумулирующими элементами улучшает теплообмен между частичками топлива. Это происходит следующим образом. В первый момент термоаккумулирующий элемент находится в горячей области, где хорошая газопроницаемость и интенсивно идет процесс нагрева, в том числе и термоаккумулирующих элементов. В следующий момент, например при повороте, элемент попадает в холодную область с низкой температурой и газопроницаемостью, которой отдает тепло и разрушает ее, увеличивая температуру и газопроницаемость. Таким образом, в зоне термоаккумулирующих элементов создается область равномерно распределенной по горизонтальным сечениям температуры и газопроницаемости, что существенно ускоряет процесс газификации. Если твердое топливо имеет большую склонность к образованию спеков (например, ТБО), то необходимо установить несколько вращающихся секций с термоаккумулирующими элементами в разных зонах газификатора.

Источники информации

1. “Наука и жизнь”, 1987, N 2, стр.31, “Бионер”.

2. Патент РФ № 2079051, 23.06.94.

3. Патент США № 798032, 1928.

4. Патент США № 796390, 1928.

5. Патент США № 732091, 1927.

Газификатор твердого топлива предназначен для переработки торфа, низкосортного угля, отходов деревообработки, твердых бытовых отходов и т.п. путем взаимодействия топлива с газифицирующим агентом и пиролиза с получением горючего продукт-газа. Этот горючий продукт-газ может использоваться для нагрева паровых и водогрейных котлов, в сушильных агрегатах как топливо для газовых турбин, а также может найти широкое применение в энергетике. Газификатор твердого топлива содержит вертикальную шахтную печь, внутри которой последовательно, сверху вниз, расположены зоны сушки, пиролиза и горения твердого топлива. В верхней части печи расположены загрузочное устройство и патрубок для отбора продукт-газа, в нижней части - патрубок для подачи газифицирующего агента и устройство для накопления и вывода твердых продуктов переработки – золы. Между верхней и нижней частями газификатора расположены одна или несколько секций, являющихся составными частями газификатора, имеющих в центре внутренние сквозные полости, расположенные в направлении вертикальной оси газификатора и сообщающиеся с внутренними полостями верхней и нижней части, а также с внутренними полостями других составных частей газификатора. Секции имеют кожух с расположенной в нем футеровкой, в которой закреплены концы термоаккумулирующих элементов, расположенных во внутренней полости секции. Причем одна или несколько секций печи выполнены с возможностью вращения относительно верхней и нижней частей газификатора вокруг его вертикальной оси. Технический результат: упрощение, повышение надежности и производительности. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Газификатор твердого топлива, содержащий вертикальную шахтную печь, внутри которой последовательно, сверху вниз, расположены зоны сушки, пиролиза и горения твердого топлива, в верхней части печи расположены загрузочное устройство и патрубок для отбора продукт-газа, в нижней части расположены патрубок для подачи газифицирующего агента и устройство для накопления и вывода твердых продуктов переработки - золы, между верхней и нижней частями газификатора расположены одна или несколько секций, являющихся составными частями газификатора, имеющих в центре внутренние сквозные полости, расположенные в направлении вертикальной оси газификатора и сообщающиеся с внутренними полостями верхней и нижней частей, а также с внутренними полостями других составных частей газификатора, отличающийся тем, что секции имеют кожух с расположенной в нем футеровкой, в которой закреплены концы термоаккумулирующих элементов, расположенных во внутренней полости секции, причем одна или несколько секций печи выполнены с возможностью вращения относительно верхней и нижней частей газификатора вокруг его вертикальной оси.2. Газификатор по п.1, отличающийся тем, что секции печи выполнены с возможностью вращения друг относительно друга вокруг вертикальной оси газификатора.3. Газификатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что кожух секции выполнен металлическим, на его нижней торцевой поверхности установлен упорный подшипник, опирающийся на нижнюю часть газификатора или на такой же кожух секции, а на наружной поверхности кожуха имеется устройство, через которое передается усилие для вращения секции от привода.4. Газификатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что термоаккумулирующие элементы выполнены из керамики в виде стержней.5. Газификатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что термоаккумулирующие элементы расположены во внутренней полости секции в виде объемной решетки, где элементы одного ряда находятся под углом к элементам другого ряда.6. Газификатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что термоаккумулирующие элементы расположены во внутренней полости секции диаметрально, один над другим под углом к друг другу.7. Газификатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что зазоры между составными частями газификатора – между секциями и/или между секциями и верхней и/или нижней частями газификатора - герметизированы с помощью лабиринтных уплотнений, заполненных жидкостью, выполненных в виде цилиндрического кольца, закрепленного на верхней, относительно зазора, части газификатора и расположенного внутри кольцевой полости, образованной на нижней, относительно того же зазора, части газификатора, в кольцевую полость залита жидкость, уровень которой находится выше нижней торцевой поверхности цилиндрического кольца.