РЕАКТОР ДЛЯ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ Российский патент 2008 года по МПК C10B53/06 C10B49/00 

Изобретение относится к области термической переработки высокозольных топлив и может быть использовано в химической, топливоперерабатывающей промышленностях при производстве искусственного жидкого и газообразного топлива или заменителя нефти.

Неизбежное истощение природных энергетических ресурсов заставляет изыскивать новые источники сырья для производства альтернативных видов энергоносителей и топлива, одним из которых являются горючие сланцы. Разведанные запасы горючих сланцев уникальны, они являются одним из перспективных видов органического и технологического сырья, способным осуществить частичную замену нефтепродуктов и газа. Возможность получения из них жидких и газообразных углеводородов, близких по составу и свойствам к нефтепродуктам, природному газу, представляет практический интерес для вовлечения данных ископаемых в производство.

Известно многообразие агрегатов, реакторов термической переработки горючих сланцев для получения углеводородного сырья, которые подразделяются на три группы: агрегаты с внешним обогревом, агрегаты с внутренним обогревом, агрегаты с комбинированным обогревом. Принципиальное значение для выбора технологии термической переработки имеет величина фракций добытого горючего сланца.

Известен шахтный генератор для термического разложения крупнокусковых горючих сланцев (величина фракции 25-150 мм), представляющий собой крупногабаритную емкость (высота от 11,8 м до 12,8 м, диаметр 4,4 м, объем от 52 до 56 кубических метров) для пиролиза крупнокускового сланца (Д.Т.Кузнецов «Горючие сланцы мира», М.: Недра, 1975, стр.221-222). Производительность данного устройства составляет от 109 до 144 тонн горючего сланца в сутки, время пиролиза 600-780 минут. Шахтный генератор состоит из трех основных технологических узлов: шахты полукоксования, устройства пережима и газификатора. Сланец периодически загружается сверху в шахту полукоксования. При перемещении сланца по объему шахты он последовательно подвергается сушке, термической подготовке и полукоксованию за счет тепла встречного потока газового теплоносителя. Последний представляет собой смесь продуктов горения кокса и догазовывания полукокса с добавкой циркулирующего обратного генераторного газа. Температура при входе в шахту полукоксования около 640-650°С, а на выходе из нее - около 150-190°С. Устройство пережима представляет собой суженную цилиндрическую горловину, которая служит для разделения зон полукоксования и газификации. Из области пережима полукокс поступает в газификатор, в котором осуществляется конечный цикл коксования при температуре 750-850°С.

Недостаток данной конструкции заключается в большой металлоемкости устройства, длительном процессе термического разложения 600-780 мин. Кроме того, данное устройство не обеспечивает полный дожиг крупных кусков горючего сланца, что делает его невозможным для использования в полном объеме в качестве строительного сырья.

Известна также установка для термической переработки твердых топлив, например сланцев (патент на изобретение РФ №2117687, МПК: С10В 53/06, С10В 49/16, C10J 3/20, C10J 3/86), содержащая питатель топлива, связанный со смесителем топлива и золы-теплоносителя, подсоединенным к зольному выходу циклона теплоносителя и реактору пиролиза, выполненному в виде вращающегося барабана и подключенному к осадительной камере, коксозольный выход которой соединен шнековым питателем коксозольного остатка с аэрофонтанной топкой, а другой - с отделением конденсации парогазовой смеси. Выход аэрофонтанной топки связан через делитель потоков с входом циклона теплоносителя и его газовым выходом, соединенным газоходом продуктов сгорания с оснащенным воздухоподогревателем котлом-утилизатором. Выход продуктов сгорания из котла-утилизатора подключен к золоуловителю с газоходом. Установка снабжена смешивающим пылегазовые потоки устройством, вход которого подключен газоходом продуктов сгорания к выходу циклона теплоносителя, а выход - к входу котла-утилизатора, при этом два других входа устройства, смешивающего пылегазовые потоки, соответственно соединены газопроводом рециркуляции, снабженным дымососом, с газоходом за золоуловителем котла-утилизатора и через воздуховод нагретого воздуха - с коробом нагретого воздуха воздухоподогревателя.

Однако данное устройство характеризуется недостаточно эффективным процессом пиролиза, проходящим в реакторе за счет наличия процесса остаточного газовыделения коксозольного остатка внутри реактора, в результате чего происходит разбавление парогазовой смеси.

Наиболее близкой к заявляемому решению является установка для термического разложения мелкозернистых сланцев «Галотер» - УТТ, способная перерабатывать сланцы фракцией 0-25 мм и имеющая различные модификации, в которых реактор представляет собой агрегат с внутренним обогревом (Д.Т.Кузнецов «Горючие сланцы мира», М.: Недра, 1975, стр.247-248). В частности, в установке УТТ-500 сырой сланец предварительно проходит грохочение, дробление на грохоте и в дробилке, после чего подается в аэрофонтанную сушилку. Сухой сланец, выделенный из аэросмеси с топочными газами в сепараторе, направляют в реактор. Реактор устройства УТТ-500 представляет собой корпус, на входе соединенный с загрузочным бункером, на выходе - с отводящим каналом для парогазовой смеси и через герметизирующую камеру, приемный бункер, питатель - с топкой, снабженной отводящим каналом дымовых газов. Корпус выполнен в виде горизонтального вращающегося барабана (А.И.Блохин, М.И.Зарецкий, Г.П.Стельмах, Т.С.Эйвазов. Новые технологии переработки высокосернистых сланцев. М., Светлый СТАН, 2001, с.42). Пиролиз мелкозернистого горючего сланца достигается в результате ввода во вращающийся барабан, который является основным аппаратом для пиролиза, раскаленной золы горючего сланца, с которой при постоянном вращении барабана со скоростью 1,18 об/мин происходит смешивание сланцевого сырья, в результате чего осуществляется разложение горючего сланца на парогазовую смесь (жидкие, газообразные углеводороды) и минеральный остаток. Далее парогазовая смесь отсасывается из вращающегося барабана для последующего разделения на составляющие: сланцевое масло, сланцевый газ, пиролизную воду.

Данная установка по сравнению с шахтным генератором характеризуется меньшими габаритами реактора (длина 6 м, диаметр 2,5 м, объем 29,9 м³), более быстрым процессом пиролиза, который составляет порядка 20 мин, а также большей производительностью (500 тонн горючего сланца в сутки).

Недостатком данной установки является сложная металлоемкая конструкция вращающегося реактора, а также сложная металлоемкая конструкция подготовки и смешивания топлива (горючего ископаемого) с разогретой золой теплоносителя. Кроме того, за счет процесса остаточного газовыделения коксозольного остатка (твердого теплоносителя) внутри реактора происходит разбавление парогазовой смеси.

Мелкозернистый горючий сланец как объект для термического разложения обладает в сравнении с крупнокусковым сланцем рядом преимуществ. Во-первых, мелкий горючий сланец размером 0-25 мм наименее загрязнен породой и содержит 34-35% органического вещества на сухую массу. Во-вторых, при переработке больших кусков горючего сланца с горячими газами или другими теплоносителями соприкасаются только поверхностные части куска, а к внутренним частицам горючей массы сланца доступ тепла затруднен. В отличие от крупных кусков в мелкозернистом горючем сланце тепло распределяется более равномерно, вследствие чего мелкие частицы сланца быстрее прогреваются и соответственно происходит более быстрое и полное выделение летучих веществ из органической массы. В третьих, мелкозернистый горючий сланец обладает наиболее развитой реакционной поверхностью, что является решающим фактором при сжигании или переработке топлива. Применение для термической переработки измельченного сланца с сильно развитой суммарной реакционной поверхностью частиц является одним из передовых и перспективных направлений повышения интенсивности процесса переработки и создания высокопроизводительных установок. В результате реализации на практике патента РФ №2236537 «Способ скважинной добычи твердых полезных ископаемых и устройство для его осуществления» в процессе добычи была получена порошковая фракция с величинами 0-1,4 мм. Актуальной является задача создания устройств для переработки сланцевого сырья порошковой фракции.

Задачей изобретения является создание устройства термического разложения твердых горючих ископаемых, обеспечивающего наиболее эффективную переработку горючих ископаемых порошковых фракций.

Технический результат заключается в получении насыщенной парогазовой смеси при снижении энергозатрат за счет полезного использования отходящих газов, а также в уменьшении металлоемкости установки.

Поставленная задача поясняется тем, что реактор для термического разложения твердых горючих ископаемых, содержащий корпус, на входе соединенный с загрузочным бункером, на выходе - с отводящим каналом для парогазовой смеси и через герметизирующую камеру, снабженную отводящим каналом, а также питатель, расположенный перед топкой, согласно предлагаемому решению дополнительно снабжен размещенным в корпусе механизмом для перемешивания и перемещения ископаемого по длине корпуса, топка расположена с возможностью нагрева корпуса с его внешней стороны, при этом корпус выполнен из теплопроводного материала (жаропрочная сталь), а приемный бункер по технологическому циклу расположен между корпусом и топкой.

При этом механизм для перемешивания и перемещения ископаемого выполнен в виде шнека.

Корпус с механизмом для перемешивания и перемещения ископаемого имеет длину и диаметр, обеспечивающий процесс пиролиза ископаемого за проход по длине корпуса. Корпус выполнен с длиной 1,5-2,5 м и диаметром 0,16-0,25, для обеспечения пиролиза ископаемых фракцией 0,001-1,4 мм. Топка снабжена утилизатором тепла для отбора избыточного тепла от топки. Утилизатор тепла выполнен в виде водяной рубашки.

Заявляемое техническое решение поясняется чертежом, на котором позициями обозначены: 1 - корпус реактора, изготовленного из жаропрочной стали, 2 - шнек, выполненный из жаропрочной стали, 3 - оболочка корпуса реактора, удерживающая горячие дымовые газы теплоносителя, выполненная из огнеупорного кирпича, 4 - водяной утилизатор тепла, 5 - герметизирующая камера, 6 - загрузочный бункер высушенного горячего сланца для последующей загрузки в корпус реактора, 7 - отводящий канал для отсасывания парогазовой смеси, 8 - приемный бункер полукокса, полученного после пиролиза, 9 - топка кипящего взвешенного слоя для дожигания полукокса, 10 - отводящий канал дымовых газов теплоносителя, 11 - воздуходувка, 12 - отводящий канал кокса из топки кипящего взвешенного слоя, 13 - питатель.

Заявляемое устройство представляет собой стационарный корпус 1, выполненный из теплопроводящего материала (жаропрочной стали) круглой формы. Внутри корпуса 1 размещен механизм для перемешивания и перемещения ископаемого по длине корпуса, выполненный, например, в виде шнека 2. Стационарный корпус 1 реактора соединен на входе с загрузочным бункером 6 через приемный канал, выполненный в виде круглой трубы. На выходе корпус имеет отводящий канал для отсасывания парогазовой смеси 7, также выполненный в виде круглой трубы. Кроме того, на выходе корпус последовательно соединен через герметизирующую камеру 5, приемный бункер 8 в топку 9, при этом перед входом в топку в соединительной трубе приемного бункера расположен питатель 13 для подачи коксозольного остатка. Внутри топки 9 расположен водяной утилизатор тепла 4, например выполненный в виде системы водогрейных труб для понижения температуры дымовых газов топки с 800°С до 400-450°С. Дымовые газы, выступающие в качестве теплоносителя, нагревают наружные стенки корпуса 1 внутри оболочки 3 корпуса 1 реактора. В нижней части топки 9 расположены воздуходувка 11 для нагнетания воздуха для осуществления дожига коксозольного остатка и отводящий канал кокса 12 из топки 9. В верхней части оболочки 3 корпуса 1 реактора расположен отводящий канал дымовых газов 10, выполненный в виде круглой трубы.

Устройство работает следующим образом.

В стационарный корпус 1 реактора из загрузочного бункера 6 дозировано подается предварительно высушенный порошковый горючий сланец. Шнек 2, вращаясь со скоростью 1-1,5 об/мин, продвигает по нагретому до 400-450°С корпусу 1 горючий сланец, одновременно перемешивая его. В результате контакта горючего сланца с нагретой стенкой корпуса реактора происходит термическое разложение частиц порошковой фракции горючего сланца, образуя парогазовую смесь, состоящую из сланцевого масла, сланцевого газа и пиролизной воды. Парогазовая смесь отсасывается через отводящий канал 7. После пиролиза разогретый полукокс сбрасывается через герметизирующую камеру 5 (отсекающую парогазовую смесь от приемного бункера 8) в приемный бункер 8 для последующего его дожига в топке 9 кипящего взвешенного слоя. Воздуходувка 10 нагнетает воздух в топку кипящего взвешенного слоя, и далее дымовые газы теплоносителя поступают во оболочку 3 стационарного корпуса 1 реактора для осуществления пиролиза.

Положительный эффект заключается в том, что при уменьшении металлоемкости устройства достигается повышение производительности за счет кратного сокращения времени пиролиза горючего ископаемого.

Заявленное устройство характеризуется более коротким временем пиролиза (по сравнению с известными аналогами по термической переработке мелкозернистой фракции).

Изобретение может быть использовано в химической и топливоперерабатывающей промышленностях при производстве искусственного жидкого и газообразного топлива или заменителя нефти. В корпус 1 реактора из загрузочного бункера 6 дозированно подают горючий сланец. Шнек 2, вращаясь, продвигает по нагретому до 400-450°С корпусу 1 горючий сланец, одновременно перемешивая его. В результате контакта горючего сланца с нагретой стенкой корпуса 1 реактора происходит термическое разложение частиц порошковой фракции горючего сланца, образуя парогазовую смесь, состоящую из сланцевого масла, сланцевого газа и пиролизной воды. Парогазовая смесь отсасывается через отводящий канал 7. После пиролиза разогретый полукокс сбрасывается через герметизирующую камеру 5 в приемный бункер 8 для последующего его дожига в топке 9. Воздуходувка 10 нагнетает воздух в топку 9, и далее дымовые газы теплоносителя поступают в оболочку 3 корпуса 1 реактора для осуществления пиролиза. Изобретение позволяет получить насыщенную парогазовую смесь при снижении энергозатрат за счет полезного использования отходящих газов, а также уменьшить металлоемкость установки. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для переработки твердых горючих ископаемых, включающая реактор, на входе соединенный с загрузочным бункером, на выходе - с отводящим каналом для парогазовой смеси, топку, снабженную отводящим каналом, а также питатель, расположенный перед топкой, при этом реактор содержит корпус, соединенный с герметизирующей камерой, отличающаяся тем, что она снабжена приемным бункером, реактор снабжен размещенным в его корпусе механизмом для перемешивания и перемещения ископаемого по длине корпуса, топка расположена с возможностью нагрева корпуса реактора с его внешней стороны, при этом корпус реактора выполнен из теплопроводного материала, а приемный бункер по технологическому циклу расположен между герметизирующей камерой и топкой.2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что механизм для перемешивания и перемещения ископаемого выполнен в виде шнека.3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что корпус с механизмом для перемешивания и перемещения ископаемого имеет длину и диаметр, обеспечивающий процесс пиролиза ископаемого за проход по длине корпуса.4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что корпус выполнен с длиной 1,5-2,5 м и диаметром 0,16-0,25 м для обеспечения пиролиза ископаемых фракцией 0,001-1,4 мм.5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что топка снабжена водяным утилизатором тепла для отбора избыточного тепла от топки.