УСТАНОВКА ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ Российский патент 2012 года по МПК C10J3/20 

Заявляемый объект относится к области газификации твердого органического сырья и может быть использован в коммунальном и сельском хозяйстве, в топливной, лесоперерабатывающей и металлургической промышленности для утилизации и газификации твердых углеродсодержащих отходов.

Наиболее близкой по совокупности признаков к заявляемому объекту является выбранная в качестве прототипа установка для термохимической переработки сыпучих или жидких материалов. Эта установка содержит термохимический реактор с узлом загрузки перерабатываемого материала, узлом отвода продуктов переработки в жидкой фазе, устройство для нагревания реакционноспособной смеси, магистраль подачи подогретой реакционноспособной смеси с узлом ввода ее в термохимический реактор, коллектор отвода продуктов переработки в парогазовой фазе, который соединен магистралью с газоочистителем, основную магистраль отвода очищенного топливного газа и устройство для выгрузки золы. Кроме того, установка оборудована вихревым газоразделителем с входом, который соединен с основной магистралью отходящих очищенных газов, и двумя выходами, один из которых предназначен для отвода легких углеводородных газов, а другой - для оставшейся части горючих газов, ресиверами, соединенными с выходами газоразделителя. Установка также оборудована коллекторами жидкостного пара и воздуха, при этом регенеративный газонагреватель соединен с ресиверами, коллекторами жидкостного пара и воздуха, а устройство для нагревания реакционноспособной газообразной смеси выполнено в виде регенеративного газонагревателя (патент RU 2073348, МПК С01В 3/34, C10J 3/00, опубл. 10.02.97).

У заявляемого объекта и прототипа совпадают такие существенные признаки: установки содержат термохимический реактор, устройство для загрузки органического сырья, систему отвода топливного газа и устройство для выгрузки золы.

Эффективность газификации твердого органического сырья обусловлена содержанием диоксида углерода в топливном газе, потерями топливного газа при периодических загрузках сырья, теплотворной способностью топливного газа и зависит от многих факторов, в том числе от герметичности процесса загрузки сырья и выгрузки золы, возможности постоянной или периодической очистки внутренних поверхностей реактора от настилов, равномерности газопроницаемости слоя органического сырья в реакторе.

Анализ технических свойств прототипа, обусловленных его признаками, показывает, что получению ожидаемого технического результата при использовании прототипа препятствуют такие причины:

- недостаточная герметичность при загрузке исходного сырья в термохимический реактор приводит к утечкам топливного газа при периодических загрузках, а также к подсосу воздуха в процессе работы термохимического реактора, в результате чего увеличиваются потери топливного газа и снижается его теплотворная способность;

- недостаточная равномерность газопроницаемости слоя твердых органических отходов, что приводит к работе термохимического реактора в режиме «канального хода» газа и локальным прогарам сырья, в результате чего увеличивается содержание диоксида углерода в топливном газе и уменьшается его теплотворная способность;

- недостаточная герметичность при выгрузке образующейся в процессе работы установки золы приводит к неконтролируемому подсосу воздуха в термохимический реактор, вследствие чего увеличивается содержание диоксида углерода в топливном газе и снижается его теплотворная способность;

- уменьшение рабочего объема термохимического реактора при образовании настилов на внутренней поверхности термохимического реактора и необходимость остановки термохимического реактора для ручного удаления настилов приводит к снижению номинальной производительности установки.

В основу заявляемого объекта поставлена задача создать такую установку для газификации твердого органического сырья, в которой усовершенствования путем введения новых элементов позволяют при использовании заявляемого объекта обеспечить достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности газификации твердого органического сырья.

Заявляемая установка для газификации твердого органического сырья содержит термохимический реактор, устройство для загрузки органического сырья, систему отвода топливного газа и устройство для выгрузки золы. Отличительной особенностью является то, что устройство для загрузки органического сырья содержит конвейер, заключенный в герметичный корпус, который с одной стороны соединен с термохимическим реактором, а с другой стороны соединен с накопителем сырья, который оборудован жидкостным затвором. В нижней части термохимического реактора вмонтирован люк для поджигания сырья. Установка оборудована устройством для очистки внутренней поверхности термохимического реактора, который содержит скребки, установленные с возможностью вращения вокруг оси термохимического реактора. Устройство для выгрузки золы содержит накопитель золы и шнек для удаления золы из реактора, при этом накопитель золы оборудован жидкостным затвором. Кроме того, установка содержит винтовую колосниковую решетку, которая установлена над накопителем золы с возможностью вращения, и устройство для нагнетания воздуха, воздуховод которого соединен с внутренней полостью колосниковой решетки.

В отдельных случаях использования заявляемый объект характеризуется тем, что:

- система отвода топливного газа содержит вентилятор, установленный между устройством для конденсации паров углеводородов и циклоном-каплеуловителем;

- колосниковая решетка установлена с возможностью вращения при частичном погружении в воду жидкостного затвора;

- установка оборудована устройством для подачи пара, выходной патрубок которого соединен с внутренней полостью колосниковой решетки, а теплообменный аппарат расположен на трубопроводе для топливного газа;

- термохимический реактор содержит кожух, при этом внутреннее пространство между поверхностью термохимического реактора и кожухом сверху сопряжено с патрубком для забора холодного воздуха, а снизу сопряжено с входным патрубком средства для нагнетания воздуха;

- жидкостный затвор в накопителе сырья в качестве жидкости содержит отработанное моторное масло.

При использовании заявляемого объекта обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении эффективности газификации твердого органического сырья.

Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует такая причинно-следственная связь. Расположение конвейера в герметичном корпусе, который с одной стороны соединен с термохимическим реактором, а с другой стороны соединен с накопителем сырья, оборудованным жидкостным затвором из воды или отработанного моторного масла, позволяет обеспечить герметичность загрузки сырья в термохимический реактор. В результате чего отсутствуют потери топливного газа при периодических загрузках сырья в термохимический реактор, а также отсутствует подсос воздуха в процессе работы термохимического реактора из накопителя сырья через верхнюю часть термохимического реактора в систему отвода топливного газа, что, в свою очередь, способствует снижению содержания в топливном газе диоксида углерода и увеличению теплотворной способности топливного газа.

Наличие скребков, установленных с возможностью вращения вокруг оси термохимического реактора, обеспечивает очистку его внутренней поверхности от настилов без остановок термохимического реактора в процессе его работы с одновременным перемешиванием органического сырья. Это препятствует уменьшению рабочего объема термохимического реактора из-за образования настилов, увеличивает номинальную производительность установки, повышает равномерность распределения сырья внутри термохимического реактора и соответственно равномерность газопроницаемости слоя твердых органических отходов, в результате чего минимизируются режимы «канального хода» и локальные прогары сырья. При этом в топливном газе уменьшается содержание диоксида углерода и увеличивается его теплотворная способность.

Наличие в конструкции установки устройства выгрузки золы с жидкостным затвором обеспечивает герметичность установки во время выгрузки золы и предотвращает подсос воздуха в термохимический реактор, за счет чего снижается содержание диоксида углерода в топливном газе и увеличивается его теплотворная способность.

Оборудование установки винтовой колосниковой решетки, которая установлена над накопителем золы с возможностью вращения, обеспечивает перемещение нагретой золы из нижней части термохимического реактора в накопитель золы через жидкостный затвор, в котором зола интенсивно охлаждается. Образующийся пар поступает в термохимический реактор, что позволяет увеличить калорийность топливного газа.

Выполнение в нижней части термохимического реактора люка для поджигания сырья и оборудование установки устройством для нагнетания воздуха, воздуховод которого соединен с внутренней полостью колосниковой решетки, обеспечивает возможность предварительного поджога органического сырья и получение необходимой реакционной температуры в термохимическом реакторе только за счет горения органического сырья без использования предварительно нагретых горячих газов.

Оборудование системы отвода топливного газа вентилятором, установленным между устройством для конденсации паров углеводородов и циклоном-каплеуловителем обеспечивает необходимые условия для интенсивного отвода из термохимического реактора высококалорийного топливного газа.

Установка колосниковой решетки с возможностью вращения при частичном погружении накопителя золы в воду жидкостного затвора обеспечивает интенсивное охлаждение застрявших в колосниковой решетке кусков золы, уменьшение их размера при охлаждении и их последующее выпадение в накопитель золы.

Оборудование установки устройством для подачи пара, выходной патрубок которого соединен с внутренней полостью колосниковой решетки, а теплообменный аппарат расположен на трубопроводе для топливного газа, в ряде случаев позволяет увеличить калорийность топливного газа. Кроме того, расположение теплообменного аппарата устройства для подачи пара на трубопроводе для топливного газа способствует его охлаждению и позволяет снизить расход тепла на получение пара.

Оборудование термохимического реактора кожухом таким образом, что внутреннее пространство между поверхностью термохимического реактора и кожухом сверху соединено с патрубком для забора холодного воздуха, а снизу соединено с входным патрубком средства для нагнетания воздуха, позволяет уменьшить потери теплоты от внешней поверхности термохимического реактора и предварительно подогреть нагнетаемый в него воздух для активизации процесса горения органического сырья.

Использование в жидкостном затворе накопителя сырья в качестве жидкости отработанного моторного масла позволяет обеспечить герметичность загрузки сырья в термохимический реактор без повышения влажности сырья при одновременной утилизации отработанного моторного масла.

Сущность заявляемого объекта поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема установки для газификации твердого органического сырья.

На графических материалах проставлены такие обозначения:

1 - термохимический реактор;

2 - ленточный конвейер;

3 - герметичный корпус;

4 - накопитель сырья;

5 - жидкостный затвор;

6 - скребки;

7 - вал;

8 - люк для поджигания сырья;

9 - накопитель золы;

10 - шнек;

11 - жидкостный затвор;

12 - датчик уровня воды;

13 - патрубок для заливки воды;

14 - вентиль;

15 - колосниковая решетка;

16 - вентилятор;

17 - воздуховод;

18 - устройство для конденсации паров углеводородов;

19 - трубопровод для слива жидких углеводородов;

20 - циклон-каплеуловитель;

21 - трубопровод для слива жидких углеводородов;

22 - трубопровод для топливного газа;

23 - вентилятор;

24 - выходной патрубок для подачи пара;

25 - теплообменный аппарат;

26 - кожух;

27 - патрубок для забора холодного воздуха;

28 - входной патрубок вентилятора;

29 - опоры.

В конкретном примере выполнения установка для газификации твердого органического сырья содержит цилиндрический термохимический реактор 1 с огнеупорной футеровкой в нижней части. Устройство для загрузки органического сырья содержит наклонный ленточный конвейер 2, заключенный в герметичный корпус 3, который с одной стороны соединен с верхней частью термохимического реактора 1, а с другой стороны соединен с накопителем сырья 4, который оборудован жидкостным, например водным, затвором 5. Установка оборудована устройством для очистки внутренней поверхности термохимического реактора, который содержит скребки 6, установленные на валу 7 с возможностью вращения вокруг оси термохимического реактора 1. В нижней части термохимического реактора 1 выполнен люк для поджигания сырья 8. Устройство для выгрузки золы содержит накопитель золы 9 и шнек 10. В накопителе золы 9 установлен жидкостный затвор 11. Для определения уровня воды в жидкостном затворе 11 используется датчик уровня воды 12, который работает по принципу сообщающихся сосудов. Для пополнения воды в жидкостном затворе 11 установлен патрубок для заливки воды 13 с вентилем 14.

Для уменьшения выноса воды из жидкостного затвора 11 (при выгрузке золы шнеком 10 из накопителя золы 9) шнек 10 установлен наклонно, и его верхний конец расположен выше уровня воды в жидкостном затворе 11 в накопителе золы 9.

Кроме того, установка оборудована винтовой колосниковой решеткой 15, которая установлена над накопителем золы 9 с возможностью вращения. Винтовые колосниковые решетки 15 выполнены, например, в виде двух барабанов, установленных с возможностью вращения в противоположных направлениях и выполненных с винтовой поверхностью из навитых полос жаропрочной стали. Концы полосы, из которой навит каждый барабан, согнуты таким образом, что совпадают с осью барабана. Один конец полосы закреплен в стенке термохимического реактора 1 в подшипнике скольжения с упором на торец, а другой конец полосы опирается на подшипник и соединен с приводом вращения за пределами термохимического реактора. В отдельном случае выполнения колосниковая решетка 15 установлена с возможностью вращения при частичном погружении барабанов в воду жидкостного затвора 11 накопителя золы 9.

Установка оборудована устройством для нагнетания воздуха, который содержит вентилятор 16 и воздуховод 17, соединенный с внутренней полостью цилиндрической колосниковой решетки 15.

Система отвода топливного газа содержит устройство для конденсации паров углеводородов 18 с трубопроводом для слива жидких углеводородов 19 и циклон-каплеуловитель 20 с трубопроводом для слива жидких углеводородов 21 и трубопроводом для топливного газа 22. Между устройством для конденсации паров углеводородов 18 и циклоном-каплеуловителем 20 установлен вентилятор 23.

В отдельном случае выполнения установка оборудована устройством для подачи пара, выходной патрубок для подачи пара 24 которого соединен с внутренней полостью колосниковой решетки 15, а теплообменный аппарат 25 расположен на трубопроводе для топливного газа 22.

В отдельном случае выполнения термохимический реактор оборудован кожухом 26. При этом внутреннее пространство между поверхностью реактора 1 и кожухом 26 сопряжено сверху с патрубком забора холодного воздуха 27 и сопряжено снизу с входным патрубком 28 вентилятора 16.

Установка для газификации твердого органического сырья установлена на опорах 29.

В конкретном примере заявляемая установка для газификации твердого органического сырья работает так. В качестве первичного органического сырья могут использоваться твердые производственные и бытовые отходы, изношенные автопокрышки, шелуха подсолнечника, промасленная ветошь, отходы деревообрабатывающей промышленности, каменный и бурый уголь и др. В накопитель сырья 4 и в накопитель золы 9 заливают воду для формирования жидкостных затворов 5 и 11. Первичное сырье засыпается в накопитель сырья 4 и через жидкостный затвор 5 с помощью наклонного ленточного конвейера 2 (скорость конвейера - 1,0 м/мин), размещенного в герметичном корпусе 3, подается в термохимический реактор 1. При этом часть жидкости стекает с поверхности сырья на нижнюю часть герметичного корпуса 3 и самотеком возвращается в накопитель сырья 4. Необходимый уровень жидкости в накопителе сырья 4 контролируется в процессе работы установки визуально и поддерживается путем периодического добавления воды. После заполнения сырьем всего объема термохимического реактора 1 через люк для поджигания органического сырья 8 заливают 1-2 литра мазута, дизельного топлива или бензина и производят поджог этого топлива факелом вручную. Вентилятором 16 через воздуховод 17, который соединен с внутренней полостью цилиндрических колосниковых решеток 15, в термохимический реактор 1 нагнетают воздух, обеспечивающий интенсивное горение органического сырья над колосниковыми решетками 15 в нижней части термохимического реактора 1. При горении выделяется тепло, за счет которого прогреваются и подсушиваются верхние слои органического сырья. Далее горит уже подсушенное первичное сырье, которое опускается под действием силы тяжести на место сгоревшего. Периодически включая ленточный конвейер 2, загружают дополнительное органическое сырье в термохимический реактор 1. Образующаяся зола накапливается на колосниковых решетках 15. При вращении колосниковых решеток 15 зола поступает через жидкостный затвор 11 в накопитель золы 9, в котором остывает и далее удаляется шнеком 10. Образующийся пар через колосниковые решетки 15 поступает в термохимический реактор 1. Уровень воды в накопителе золы 9 определяется визуально с помощью датчика уровня воды 12, работающего по принципу сообщающихся сосудов. Необходимое количество воды для поддержки заданного уровня жидкостного затвора 11 в накопителе золы 9 доливается через патрубок для заливки воды 13.

В процессе сжигания органического сырья в термохимическом реакторе 1 образуется зона сушки, которая расположена в верхней части реактора, зона термохимической деструкции, которая расположена в средней части реактора, и окислительная зона, которая расположена в нижней части реактора. Скребками 6, вращающимися вокруг оси термохимического реактора 1, осуществляется очистка его внутренней поверхности от настилов в процессе его работы с одновременным перемешиванием органического сырья. Загруженное в термохимический реактор 1 органическое сырье при перемешивании последовательно проходит зону сушки (температура 20÷200°С), в которой происходит испарение влаги и нагревание сырья, зону термохимической деструкции (температура 200÷900°С), в которой происходит выделение летучих компонентов, восстановление CO₂ до СО, термохимическая деструкция твердого органического сырья с выделением парогазовой смеси углеводородов под воздействием теплоты продуктов горения, и окислительную зону (температура 900÷1200°С), в результате чего первичное сырье газифицируется. В окислительной зоне происходит процесс окисления (горение) углерода кислородом воздуха с выделением СО₂ и СО. Зола с неорганическими включениями (металл, стекло, керамика, строительный мусор) удаляется из зоны окисления с помощью вращающихся колосниковых решеток 15 и ссыпается в заполненный водой накопитель золы 9. Нижние части колосниковых решеток 15 постоянно погружены в воду жидкостного затвора, за счет чего и происходит их охлаждение. При попадании горячей золы в воду жидкостного затвора, а также при охлаждении колосниковых решеток 15 происходит испарение воды. Пары воды поступают через колосниковые решетки 15 в зону окисления. При контакте в окислительной зоне горячего углерода с парами воды происходит химическая реакция с образованием СО и Н₂, в результате чего повышается теплотворная способность топливного газа. Зола из накопителя золы 9 удаляется с помощью шнека 10. Парогазовая смесь углеводородов, образующихся в результате процессов сушки, термохимической деструкции и окисления углерода, с помощью вентилятора 23 отводится из термохимического реактора 1 в устройство для конденсации паров углеводородов 18 и далее в циклон-каплеуловитель 20. В устройстве для конденсации паров углеводородов 18 происходит конденсация жидких фракций углеводородов, которые удаляются через трубопровод для слива жидких углеводородов 19. В циклоне-каплеуловителе 20 происходит очистка топливного газа от капель жидких углеводородов. Смесь жидких углеводородов, которые накапливаются в циклоне-каплеуловителе 20, в процессе работы установки удаляется через трубопровод для слива жидких углеводородов 21. Из циклона-каплеуловителя 20 очищенный топливный газ поступает в трубопровод для топливного газа 22, откуда направляется к потребителю. Таким образом, установка выходит на заданный режим газификации твердого органического сырья.

В отдельном случае использования установки для дальнейшего увеличения калорийности топливного газа осуществляется подача дополнительного количества пара в термохимический реактор 1 от теплообменного аппарата 25, который расположен на горячем трубопроводе для топливного газа 22, через выходной патрубок для подачи пара 24, который соединен с внутренней полостью цилиндрических колосниковых решеток 15.

В отдельном случае для активизации процесса горения органического сырья осуществляется подогревание воздуха, нагнетаемого в термохимический реактор 1. Для этого воздух сначала через патрубок забора холодного воздуха 27 поступает во внутреннее пространство между поверхностью реактора 1 и кожухом 26, где нагревается до 50÷100°С, и только тогда через входной патрубок 28 и вентилятор 16 направляется в термохимический реактор 1.

Таким образом, при использовании заявляемого объекта обеспечивается повышение эффективности газификации твердого органического сырья.

Изобретение может быть использовано в топливной, лесоперерабатывающей и металлургической промышленности. Установка содержит термохимический реактор 1, устройство для загрузки сырья, выполненное в виде конвейера 2, заключенного в герметичный корпус 3, систему отвода топливного газа и устройство для выгрузки золы, содержащее накопитель золы 9, оборудованный жидкостным затвором 11, и шнек 10 для удаления золы из реактора. Конвейер 2 с одной стороны соединен с термохимическим реактором 1, а с другой стороны - с накопителем сырья 4, оборудованным жидкостным затвором 5. В нижней части термохимического реактора 1 вмонтирован люк 8 для поджигания сырья. Установка оборудована устройством для очистки внутренней поверхности термохимического реактора 1, которое содержит скребки 6, установленные с возможностью вращения вокруг оси термохимического реактора 1, и винтовую колосниковую решетку 15, которая установлена над накопителем золы 9 с возможностью вращения. Изобретение позволяет повысить эффективность газификации твердого органического сырья. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Установка для газификации твердого органического сырья, содержащая термохимический реактор, устройство для загрузки органического сырья, систему отвода топливного газа и устройство для выгрузки золы, отличающаяся тем, что устройство для загрузки органического сырья содержит конвейер, заключенный в герметичный корпус, который с одной стороны соединен с термохимическим реактором, а с другой стороны соединен с накопителем сырья, оборудованным жидкостным затвором, в нижней части термохимического реактора вмонтирован люк для поджигания сырья, установка оборудована устройством для очистки внутренней поверхности термохимического реактора, которое содержит скребки, установленные с возможностью вращения вокруг оси термохимического реактора, устройство для выгрузки золы содержит накопитель золы и шнек для удаления золы из реактора, при этом накопитель золы оборудован жидкостным затвором, кроме того, установка содержит винтовую колосниковую решетку, которая установлена над накопителем золы с возможностью вращения, и устройство для нагнетания воздуха, воздуховод которого соединен с внутренней полостью колосниковой решетки.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что система отвода топливного газа содержит вентилятор, установленный между устройством для конденсации паров углеводородов и циклоном-каплеуловителем.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что колосниковая решетка установлена с возможностью вращения при частичном погружении в воду жидкостного затвора.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что установка оборудована устройством для подачи пара, выходной патрубок которого соединен с внутренней полостью колосниковой решетки, а теплообменный аппарат расположен на трубопроводе для топливного газа.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что термохимический реактор содержит кожух, при этом внутреннее пространство между поверхностью термохимического реактора и кожухом сверху сопряжено с патрубком для забора холодного воздуха, а снизу сопряжено с входным патрубком средства для нагнетания воздуха.

6. Установка по п.1, отличающаяся тем, что жидкостный затвор в накопителе сырья в качестве жидкости содержит отработанное моторное масло.