СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА В АВТОНОМНОЙ МАЛОГАБАРИТНОЙ УТИЛИЗАЦИОННОЙ МОДУЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2024 года по МПК F23G5/27 B09B3/00 

Группа изобретений относится к утилизации твёрдых промышленных и бытовых отходов с получением продуктов, имеющих прикладное значение, например, пиролизный газ, жидкое топливо, технический углерод и т.д.

Известен аналог, например патент РФ № 2584257 Способ переработки конденсированного органического топлива путем газификации. Изобретение представляет способ переработки конденсированных топлив, в том числе твердых горючих отходов, путем пиролиза и газификации горючих составляющих топлива в плотном слое и получения продуктов пиролиза и горючего газа. К основным недостаткам способа относятся наличие геометрического зонирования в реакторе, что приводит к необходимости увеличения реактора по длине, что в свою очередь ведет к невозможности размещения в ограниченных габаритных размерах всей системы газификации. Вторым недостатком является отсутствие системы электрогенерации и зависимость всей системы от питания электричеством от городских сетей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является патент РФ №2544635 Способ осуществления флэш-пиролиза углеродсодержащего сырья с использованием индукционного нагрева, включающий введение сырья в цилиндрический пиролизный реактор (ЦПР), расположенный в электромагнитном поле индуктора, подключенного к генератору токов высокой частоты, флэш-пиролиз сырья в процессе его перемещения вдоль корпуса ЦПР при помощи шнекового механизма под действием тепла, излучаемого корпусом ЦПР, разделение и сбор жидких, газообразных и твердых продуктов пиролиза.

К основным недостаткам этого технического решения при применении к автономной малогабаритной утилизационной модульной установке (МУМУ), предполагающей эксплуатацию в регионах Арктики, Крайнего Севера и приравненных к ним территорий при отсутствии необходимых источников электрической энергии, воды, катализаторов и т.д., относятся:

1) использование предлагаемого флэш-пиролиза способа требует:

- источник электричества для индукционного нагрева ЦПР и работы ряда механических систем, системы управления;

- проточной воды (или специального теплоносителя) для охлаждения индуктора до критической температуры Кюри и ниже; жидкого азота для охлаждения парогазовых продуктов пиролиза.

2) доставка МУМУ в районы Арктики, Крайнего Севера и приравненных к ним территорий возможна только в разобранном виде для транспортировки в места функционирования на традиционных европоддонах (габариты груза, транспортируемого на европоддоне, не более 800 х 1200 х 2000 мм, и масса груза, не более 1500 кг нетто, [1] ГОСТ 9557-87), т.к. габаритные размеры пиролизных установок известных производителей, предназначенных для промышленного использования на крупных предприятиях, как правило, практически всегда существенно превышают размеры груза, транспортируемого на европоддоне;

3) возможность налипания и последующего образования асфальтенов на внутренней поверхности ЦПР, что ухудшает теплообменные процессы пиролиза.

Основополагающим принципом предлагаемого технического решения является размещение системы, входящей в состав МУМУ, в одном или нескольких малоразмерных универсальных монтажных контейнерах, по габаритам не превышающих габариты согласно требованиям к грузам транспортируемым на европоддонах, транспортировка и перегрузка которых отработана и широко используется.

Конкретная конструкция универсального монтажного контейнера, без привязки к размещаемой внутри его системы МУМУ, представляет собой металлический каркас для размещения и крепления груза внутри него, на каркасе присутствуют устройства, например, кронштейны для фиксации размещаемой системы или её элементов, в нижней части контейнера присутствуют полости, аналогичные специальным полостям в европоддоне для перегрузки, например, с помощью вилочного погрузчика.

Например, модуль электрогенерации МУМУ, использующий в качестве топлива - продукты пиролиза (пиролизный газ и жидкое пиролизное топливо), может иметь в своём составе, газопоршневой электрогенератор, паровинтовой электрогенератор, включающий в себя камеру сжигания жидкого пиролизного топлива для нагрева жидкого теплоносителя и получения пара, систему рекуперации пара, химические аккумуляторные батареи и может располагаться на двух или нескольких универсальных монтажных контейнерах.

Аналогичное разделение по универсальным монтажным контейнерам относится и к другим системам МУМУ.

Указанные недостатки способа по прототипу устраняются за счёт введения в способ следующих действий:

1) разделяют пиролизную установку на системы и уменьшают их до допустимых массогабаритных характеристик грузов, размещаемых в отдельных металлических универсальных монтажных контейнерах, соответствующих по габаритам и массе требованиям транспортировки на европоддонах,

2) вводят в состав МУМУ недостающие системы и размещают в соответствующих универсальных монтажных контейнерах, в том числе систему электрогенерации, включающую в свой состав установки, преобразующие тепловую энергию в электрическую, с помощью газопоршневого электрогенератора где, в качестве топлива используется пиролизный газ, образующийся в пиролизном модуле и паровинтового электрогенератора, где в качестве топлива используется жидкая пиролизная фракция, образующаяся также в пиролизном модуле, систему накопления электрической энергии в виде химических аккумуляторных батарей для обеспечения электрического питания процесса пиролиза до появления продуктов пиролиза в необходимом количестве для функционирования электрогенерирующих систем МУМУ, систему охлаждения и разделения продуктов пиролиза, включающую в свой состав контуры охлаждения пиролизного газа и индуктора, компрессор с теплообменником, где в качестве теплоносителя используют фреоны,

3) прилагают ультразвуковое воздействие к корпусу ЦПР, используя ультразвуковой генератор, частоту и амплитуду ультразвукового воздействия определяют из условия максимального выхода парогазовой фракции продуктов пиролиза и отсутствия налипания продуктов разложения на поверхности ЦПР и шнекового механизма.

В устройство для осуществления флэш-пиролиза углеродсодержащего сырья с использованием индукционного нагрева, вводят следующие системы:

1) систему очистки продуктов пиролиза, соединённую с системой разделения жидкой и газовой пиролизной фракции и системой электрогенерации,

2) электрогенерации, включающую в свой состав газопоршневой электрогенератор, соединённый газодинамической связью с системой очистки пиролизного газа, паровинтовой электрогенератор, работающий на жидком пиролизном топливе, соединённый гидродинамической связью с системой очистки жидкого пиролизного топлива, непосредственно электрические генераторы соединены электрической связью с аккумуляторными батареями и системой управления,

3) измельчения утилизируемого материала,

4) ультразвукового воздействия в виде ультразвукового генератора, соединённого с ЦПР,

5) обеспечения с соединительной арматурой, для сопряжения соответствующих систем,

причем все системы распределены по соответствующим универсальным монтажным контейнерам, образующим модули.

На фиг. 1 приведена схема распределения систем МУМУ по модулям: «Модуль измельчительный» (М1); «Модуль пиролизный» (М2); «Модуль охлаждения и разделения продуктов пиролиза» (М3); «Модуль электрогенерации», включающий в свой состав: (М4-А) - газопоршневой электрогенератор с системой аккумуляторных батарей и (М4-Б) - паровинтовой электрогенератор с системой аккумуляторных батарей; «Модуль управления» (М5); «Модуль обеспечения» (М6). На фиг. 2 приведена схема металлического универсального монтажного контейнера.

Состав модулей

М1: 1 - измельчитель; 2 - редуктор измельчителя; 3 - шнек подачи измельченного материала в ЦПР; 4 - мотор-редуктор; 5 - универсальный монтажный контейнер (фиг. 2);

М2: 6 - ультразвуковой генератор; 7 - индукционный генератор; 8 - шнек подачи материала; 9 - индуктор; 10 - магистраль подачи парогазовых продуктов пиролиза; 11 - ЦПР; 12 - ультразвуковой излучатель;

М3: 13 - компрессорный агрегат с контурами охлаждения; 14 - подсистема очистки жидкого пиролизного топлива; 15 - магистраль пиролизного газа; 16 - сборник твердых остатков пиролиза;

М4-А: 17 - система очистки дымовых газов; 18 - дымоход; 19 -аккумуляторные батареи; 20 - газовый насос; 21 - газопоршневой привод газового электрогенератора; 22 - электрогенератор;

М4-Б: 23 - система очистки дымовых газов; 24 - дымоход; 25 - аккумуляторные батареи; 26 - насос для жидкого пиролизного топлива; 27 - паровой котел с замкнутым циклом (для образования пара и его охлаждения); 28 - топочная камера на жидком пиролизном топливе; 29 - паровинтовой двигатель; 30 - электрогенератор; 31 - магистраль жидкого пиролизного топлива;

М5: 32 - линии электропитания; 33 - линии управления; 34 - система управления;

М6: 35 - комплект соединительной арматуры и инструментов.

Способ осуществляют следующим образом:

1) разделяют пиролизную установку на системы и уменьшают их до допустимых массогабаритных характеристик грузов, размещаемых в отдельных металлических универсальных монтажных контейнерах, соответствующих по габаритам и массе требованиям транспортировки на европоддонах

Для доставки МУМУ в труднодоступные места с использованием европоддонов (габариты груза, транспортируемого на европоддоне, не более 800 х 1200 х 2000 мм, и масса груза, не более 1500 кг нетто, [1] ГОСТ 9557-87) осуществляют разделение пиролизной установки прототипа на системы, размещаемые на модулях, например:

- ЦПР со шнековым механизмом, размещенный внутри витков индуктора, индукционный генератор, устройство ультразвукового воздействия, при этом масштабируют соответствующие системы для их размещения на отдельном модуле;

- систему измельчения совместно с системой ввода сырья в ЦПР;

- систему охлаждения и разделения продуктов пиролиза;

- систему электрогенерации;

- систему управления;

- систему обеспечения (топливные магистрали, запорные устройства, прочую арматуру, необходимую для соединения соответствующих систем между собой).

В результате производительность МУМУ, проектно-конструкторские характеристики систем, входящих в МУМУ, определяются размерами ЦПР, который в свою очередь определяется габаритами универсального монтажного контейнера, соответствующих по габаритам грузу, транспортируемому на европоддоне.

2) вводят в состав МУМУ недостающие системы и размещают в соответствующих универсальных монтажных контейнерах, в том числе систему электрогенерации, включающую в свой состав установки, преобразующие тепловую энергию в электрическую, с помощью газопоршневого электрогенератора где, в качестве топлива используется пиролизный газ, образующийся в пиролизном модуле и паровинтового электрогенератора, где в качестве топлива используется жидкая пиролизная фракция, образующаяся также в пиролизном модуле, систему накопления электрической энергии в виде химических аккумуляторных батарей для обеспечения электрического питания процесса пиролиза до появления продуктов пиролиза в необходимом количестве для функционирования электрогенерирующих систем МУМУ, систему охлаждения и разделения продуктов пиролиза, включающую в свой состав контуры охлаждения пиролизного газа и индуктора, компрессор с теплообменником, где в качестве теплоносителя используют фреоны,

Как правило, практически все пиролизные установки размещаются в промышленных центрах с развитой инфраструктурой, т.е. при наличии энергоснабжения, водоподведения и водоотведения, возможность использования дополнительной теплоты, возникающей в процессе пиролиза и т.д., что исключается при эксплуатации МУМУ.

К таким системам, отсутствующим в прототипе, относятся системы:

- автономного электроснабжения с соответствующими вспомогательными агрегатами;

- систему измельчения, автономную систему охлаждения и разделения продуктов пиролиза.

Для МУМУ в качестве системы электроснабжения на основе использования продуктов пиролиза предлагается система электрогенерации, включающая в свой состав газопоршневой двигатель на пиролизном газе и паровинтовой двигатель на жидком пиролизном топливе, электрические генераторы, соединённые механическими приводами с двигателями и электрической связью с аккумуляторными батареями, и системой управления. Например, электрогенератор на газе [1. Шлыкова А. О., Шарыпин Д. А., Казаков А. В. Гибридная энергоустановка для объектов малой распределенной энергетики //Перспективы развития науки в современном мире. - 2017. - С. 79-90], паровинтовой электрогенератор [2. https://industrial-kamaz.ru/, последний доступ 28.09.23].

Для разделения пиролизных фракций на пиролизный газ и пиролизное жидкое топливо предлагается система охлаждения и разделения продуктов пиролиза, после которой, каждая из фракций поступает в систему электрогенерации на электрогенератор определенного типа. Также дополнительный контур охлаждения указанной системы служит для охлаждения индуктора индукционного нагревателя.

При использовании продуктов пиролиза в электрогенерирующих установках необходима система очистки продуктов пиролиза, которая является подсистемой системы охлаждения и разделения продуктов пиролиза.

3) прилагают ультразвуковое воздействие к корпусу ЦПР, используя ультразвуковой генератор, частоту и амплитуду ультразвукового воздействия определяют из условия максимального выхода парогазовой фракции продуктов пиролиза и отсутствия налипания продуктов разложения на поверхности ЦПР и шнекового механизма

В аналоге указаны варианты приложения вибрационных и акустических воздействия, однако, определения их параметров не указано, что требует дополнительных исследований. Пиролизная установка является сложной механической системой и при определённых сочетаний предлагаемых вибрационных воздействий возможны резонансные явления, приводящие к резкому снижению прочности всей конструкции. Параметры ультразвукового воздействия не приводят к подобным явлениям из-за своей малости (амплитуды порядка нескольких микрон).

Анализ введённых в состав устройств

В предлагаемом способе указано, что осуществляют разделение пиролизной установки на системы и уменьшают их до допустимых массогабаритных характеристик грузов, размещаемых в отдельных металлических универсальных монтажных контейнерах, соответствующих по габаритам грузу, транспортируемому на европоддоне.

К основным системам, введённым в состав прототипа, относятся: система электрогенерации, обеспечивающая функционирование систем МУМУ, автономная система охлаждения и разделения продуктов пиролиза с замкнутой системой циркуляции теплоносителя, система измельчения, размещаемая в отдельном модуле и связанная шнековым механизмом подачи утилизируемого материала в ЦПР. Эти системы выпускаются российской промышленностью и предполагается возможность их приобретения или проектирования в соответствующих размерах, размещаемых в отдельных металлических универсальных монтажных контейнерах.

В процессе транспортировки, МУМУ разделена на модули М1 - М6 (фиг. 1) в виде металлических универсальных монтажных контейнеров 5 (фиг. 2) с размещенными внутри функциональными системами МУМУ. Конструкция универсального монтажного контейнера, представляет собой металлический каркас для размещения и крепления системы внутри него, на каркасе присутствуют устройства, например, кронштейны для фиксации размещаемой системы или её элементов, в нижней части контейнера присутствуют полости, аналогичные специальным полостям в европоддоне для перегрузки, например, с помощью вилочного погрузчика, а габаритные размеры контейнера не превышают максимально разрешенных для транспортировки заданным способом, т.е. на европоддонах.

В процессе сборки в месте эксплуатации все модули соединяют между собой специальными магистралями, запорными устройствами и т.д., которые находятся в модуле снабжения М6. Первый запуск МУМУ осуществляют от электричества накопленного до транспортировки в аккумуляторных батареях 19 и 25, далее электричество для питания систем МУМУ получают от электрогенераторов 22 и 30. Подачу утилизируемого материала из измельчителя 1 осуществляют с помощью шнека 3, измельчитель и шнек приводятся в движение электродвигателем с редуктором 4, разность частоты вращения между шнеком подачи и рабочими частями измельчителя регулируется редуктором 2. Измельченный утилизируемый материал попадает в футерованный цилиндрический пиролизный реактор 11, нагрев реактора осуществляют с помощью индукционного генератора 7 с индуктором 9, индуктор располагается над футеровкой. Ультразвуковое воздействие на корпус ЦПР осуществляют ультразвуковым генератором 6 с излучателем 12, контактирующим с корпусом ЦПР. Парогазовые продукты пиролиза из ЦПР в систему охлаждения и разделения поступают по магистрали 10, твердые остатки пиролиза с помощью шнека 8 поступают в сборник 16, по мере заполнения - выгружают. Парогазовые продукты пиролиза ступенчато охлаждают в модуле охлаждения и разделения продуктов пиролиза М3, для охлаждения используют теплообменный компрессорный аппарат 13 с контуром охлаждения. Второй контур охлаждения охлаждает индуктор 9. Очистку жидких продуктов пиролиза производят путем фильтрации в подсистеме 14. После разделения, газообразные продукты пиролиза по магистрали 15 поступают в газопоршневой привод электрогенератора 21, где сжигаются, и полученная механическая энергия приводит в движение ротор электрогенератора 22. Жидкие продукты пиролиза по магистрали 31 поступают в топочную камеру 28 парового котла 27, энергия пара приводит в движение ротор электрогенератора 30. Полученная электроэнергия питает все необходимые системы МУМУ. Автоматизированная система управления размещается в модуле М5, регистрирует данные с измерительных датчиков, установленных в каждой системе, и комплексно регулирует работу утилизационной установки.

Данное изобретение представляет собой способ и устройство для осуществления флэш-пиролиза углеродсодержащего сырья с использованием индукционного нагрева. Перед началом процесса утилизации разделяют пиролизную установку на системы и уменьшают их до допустимых массогабаритных характеристик грузов, размещаемых в отдельных металлических универсальных монтажных контейнерах, соответствующих по габаритам европоддону. Вводят в состав недостающие системы и размещают в универсальных монтажных контейнерах, в том числе энергетический модуль, для преобразования тепловой энергии в электрическую, используя сжигание пиролизного газа (газопоршневой электрогенератор) и жидкое пиролизное топливо (паровинтовой электрогенератор), химические батареи для обеспечения процесса пиролиза для функционирования газопоршневого и паровинтового электрогенераторов. Прилагают ультразвуковое воздействие к корпусу реактора, частоту и амплитуду ультразвукового воздействия определяют из условия максимального выхода парогазовой фракции продуктов пиролиза. В состав устройства для осуществления флэш-пиролиза углеродсодержащего сырья с использованием индукционного нагрева вводят систему очистки продуктов пиролиза, соединённую с системой разделения и охлаждения и энергетическим модулем, систему электроснабжения, включающую в свой состав газопоршневой двигатель, соединённый газодинамической связью с системой очистки пиролизного газа, паровинтовой двигатель на жидком пиролизном топливе, соединённый гидродинамической связью с системой очистки жидкого пиролизного топлива, электрические генераторы, соединённые механическими приводами с двигателями и электрической связью с аккумуляторными батареями и системой управления, систему измельчения, ультразвуковой генератор, соединённый с реактором, арматуру, для сопряжения соответствующих систем. Все системы распределяют по соответствующим универсальным монтажным контейнерам, объединённым в модули. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ осуществления флэш-пиролиза углеродсодержащего сырья с использованием индукционного нагрева, включающий введение сырья в периодическом режиме в цилиндрический пиролизный реактор (ЦПР), расположенный в электромагнитном поле индуктора, флэш-пиролиз сырья в процессе его перемещения вдоль корпуса ЦПР при помощи шнекового механизма под действием тепла, излучаемого корпусом ЦПР, разделение и сбор жидких, газообразных и твердых продуктов пиролиза, в качестве индуктора используют зонированный индуктор, отличающийся тем, что перед началом процесса утилизации разделяют пиролизную установку на системы и уменьшают их до допустимых массогабаритных характеристик грузов, размещаемых в отдельных металлических универсальных монтажных контейнерах, соответствующих по габаритам и массе требованиям транспортировки на европоддонах, вводят в состав малогабаритной утилизационной модульной установки (МУМУ) недостающие системы и размещают в соответствующих универсальных монтажных контейнерах, в том числе систему измельчения, автономную систему охлаждения и разделения продуктов пиролиза, систему электрогенерации, включающую в свой состав установки, преобразующие тепловую энергию в электрическую, с помощью газопоршневого электрогенератора, где в качестве топлива используется пиролизный газ, образующийся в пиролизном модуле, и паровинтового электрогенератора, где в качестве топлива используется жидкая пиролизная фракция, образующаяся также в пиролизном модуле, систему накопления электрической энергии в виде химических аккумуляторных батарей для обеспечения электрического питания процесса пиролиза до появления продуктов пиролиза в необходимом количестве для функционирования газопоршневого и паровинтового электрогенераторов, прилагают ультразвуковое воздействие к корпусу ЦПР, частоту и амплитуду ультразвукового воздействия определяют из условия максимального выхода парогазовой фракции продуктов пиролиза.

2. Устройство для реализации способа по п.1, включающее загрузочный узел, ЦПР, корпус которого выполнен из токопроводящего материала, шнековый механизм, узлы разделения, охлаждения и сбора продуктов пиролиза, загрузочный узел с возможностью его подсоединения к ЦПР, зонированный индуктор, отделённый от наружных стенок ЦПР, отличающееся тем, что дополнительно содержит систему очистки продуктов пиролиза, соединённую с системой разделения жидкой и газовой пиролизной фракции и системой электрогенерации, систему электрогенерации, включающую в свой состав газопоршневой электрогенератор, соединённый газодинамической связью с системой очистки пиролизного газа, паровинтовой электрогенератор, работающий на жидком пиролизном топливе, соединённый гидродинамической связью с системой очистки жидкого пиролизного топлива, при этом непосредственно электрические генераторы соединены электрической связью с аккумуляторными батареями и системой управления, систему измельчения утилизируемого материала, ультразвуковой генератор, соединённый с ЦПР, арматуру, для сопряжения соответствующих систем, при этом все системы распределяют по соответствующим универсальным монтажным контейнерам, образующим модули.