Устройство для тепловой обработки под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов Советский патент 1990 года по МПК C10B1/04 

Изобретение относится к тепловой обработке под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов и получению продукта, используемого в качестве топлива,

Цель изобретения - повышение эффективности.

На фиг.1 показано устройство, (верхняя зона предварительного нагрева или сушки и нижняя реакционная зо- на), вертикальный разрез; на фиг.2 - то же, размещение поперечных труб теплообменника , поперечный горизонтальный разрез; на фигсЗ - зона р.аз- грузочных отверстий в кольцевом поде, расположенном в верхней зоне предварительного нагрева (частичный разрез) вид сверху; на фиг. 4 - схема установки для термической обработки f углеродистых материалов,

Устройство содержит сосуд 1 высокого давления с куполообразной верхней частью 2, центральной секцией в виде круглого цилиндра 3 и куполообразной нижней частью 4, герметично соединенными друг с, другом кольцевыми фланцами 5, Реактор поддерживается практически в вертикальном положении с помощью ряда опор 6, прикрепленных к опорным элементам 7, связанным с нижним фланцем 5 центральной секции сосуда. Верхняя куполообразная часть имеет впускное средство - вход 8 для ввода внутрь реактора из

0

5 О 5

5

мельченного влажного углеродистого материала,, К входу примыкает изогнутый углом отбойный щиток 9, направляющий подаваемый материал к стенке реакционной камеры, С противоположной стороны верхней части 2 расположен выход 10 с фланцем для удаления реакционных гаяов под давлением из реакционной камеры. На внутренней поверхности верхней части 2 в ее центральной зоне имеется обращенный вниз кольцевой выступ 1 1, в котором расположен подшипник 12, поддерживающий с возможностью вращения верхний конец вала 13,

Нижний конец проходящего по центральной оси реактора вращающегося вала 13 установлен в кольцевом выступе 14, образованном в нижней части 4 с помощью узла подшипника 15 и герметичного уплотнения 16, Выступающий наружу конец вращающегося вала 13 имеет ступенчатый участок 17, вставленный в упорный подшипник 18, установленный на опоре 19. По длине вращающегося вала 13 на определенном расстоянии друг от друга по вертикали прикреплено множество выступающих по радиусу от вала 13 перемешивающих элементов, выполненных в виде гребков 20. Как правило, в зоне предварительного нагрева или в зоне сушки могут быть расположены два, три или четыре гребка, а в реакционной

зоне - до шести гребков. Обычно на- каждом уровне вращающегося вала крепятся четыре гребка с шагом примерно 90J. К нижним сторонам гребков 20 крепятся под углом ряд зубьев 21, ориентированных таким образом, чтобы при вращении вала обеспечивать передачу по радиусу в направлениях внутрь и наружу материала вдоль множества подов.

Вал 13 с гребками приводится от двигателя 22, установленного на регулируемом основании 23. На выходной вал двигателя насажено коническое ведущее зубчатое колесо 24, постоянно сцепленное с ведомым коническим зубчатым колесом 25, насаженным на нижний концевой участок вала. В предпочтительном варианте двигатель является двигателем переменной скорости, обеспечивающим изменения скорости вращения вала.

Для тога, чтобы допустить увеличение и изменение длины вала с изменением вертикального положения выступающих от него гребков при изменении температуры в реакторе, основание 23 и выступающий наружу конец вала 13 установлены на регулируемых домкратах 26, которые под действием гидравлического цилиндра 27 изменяют высоту установки основания 23, обеспечивая надлежащее положение зубьев 21 гребков относительно верхних поверхностей подов в реакторе. Устройство в зоне предварительного нагрева содержит группу расположенных один над другим подов 28, наклоненных вниз к стенке реакционной камеры. Верхняя зона предварительного нагрева снабжена цилиндрической стенкой 29, расположенной на определенном расстоянии по радиусу внутрь от стенки цилиндра 3 центральной секции. К цилиндру 3 прикреплены наклонно установленные поды 28. Верхний край стенки 29 имеет отогнутый наружу участок 30, исключающий попадание углеродистого материала в кольцевой зазор между стенкой 29 и стенкой цилиндра 3 центральной секции.Верхний под 28 соединен по окружности со стенкой 29 и проходит вверх и внутрь к вращающемуся валу 13 Под 28 переходит в направленный вниз круглый отклоняющий щиток 31, образую щий кольцевой желоб, через который материал каскадом проходит вниз на внутренний участок кольце.вого пода,

10

15

20

25

.

5777026

расположенного ниже. Установленный под верхним подом 28 с наклоном вниз кольцевой под 28 прикреплен к стен- .ке 29 кронштейнами 32. Второй кольцевой под имеет множество расположенных по его внешней окружности отверстий 33,через которые материал выгружается на расположенный ниже под.

Влажный углеродистый материал подается через вход 8 и отклоняется щитком 9 к внешней окружности верхнего пода 28, после чего зубьями 21 гребков направляется вверх и внутрь в положение над круглым отклоняющим щитком 31, где. он свободно падает на расположенный ниже на определенном расстоянии под. Подобно этому зубья 21 гребков над вторым подом верхней группы передают материал вниз и наружу по верхней поверхности пода для выпуска его через расположенные по его внешней окружности о твсрстия 33. .Обрабатываемый материал продолжает проходить вниз каскадом поочередно в1 направлении внутрь и наружу, как показано стрелками на фиг01. и поступает в нижнюю реакционную зону.

Двигаясь каскадом вниз, материал контактирует с проходящими противотоком вверх нагретыми реакционными газами,

30

35

40

45

50

I, которые нагревают его до температуры 90 - 260°С. Для .обеспечения надежного контакта подаваемо-- го материала с восходящим потоком реакционных газов, непосредственно над гребками 20, связанными по крайней мере с некоторыми из наклонных подов 28, расположены кольцевые перегородки 34, удерживающие поток горячих реакционных газов в зоне, примыкающей непосредственно к верхней поверхности кольцевого пода. Предварительный нагрев материала обеспечивается частично за счет конденсации конденсируемых компонентов реакционного газ-а, например пара, на поверхности холодного обрабатываемого материала, а частично за счет прямого теплообмена. Конденсированная жидкость и выделенная химически связанная в обрабатываемом материале вода сливаются вниз и наружу по наклонным подам и выводятся по окружности подов, связанных внешними краями со стенкой 29, через кольцевой водоот- вод 35 с перекрываюшим его вход экраном 36, который должен непрерывно

протираться скребковым элементом или

проволочной щеткой 37, установленной, на наружном зубе ближайшего гребка, Кольцевые водоотводы 35 сообщаются ее. сливными трубами 38, расположенными в кольцевом зазоре между стенкой 29 и цилиндром 3. Жидкость удаляется из реакционного сосуда через выход 39 для конденсата

Охлажденные реакционные газы проходят вверх через зону предварительного нагрева и, наконец, выпускаются через выход 10,

Предварительно нагретый и частично обезвоженный материал от нижнего пода зоны предварительного нагрева при непрерывно регулируемом повышенном давлении проходит к верхнему кольцевому поду 40 реакционной зоны, где он нагревается далее обычно до 200- 650 С или выше, В реакционной зоне кольцевые поды 40 установлены практически в горизонтальном положении таким образом, что по окружности они практически герметично соединены с цилиндрической огнеупорной футеровкой 41 внутренней поверхности стенки цилиндра 30 Как и в зоне предварительного нагрева, в реакционной зоне зубьями 21, прикрепленные к гребкам 20, поочередно направляют материал по радиусу в направлении внутрь и наружу каскадом через реакционную зону, как показано стрелками на-фиг.1, Практи- чески не содержащий жидкости и термически обогащенный твердый реакцион- ный продукт выгружается в центре нижнего пода 40 в конический желоб 42 и через выход 43 - из сосуда,.

Чтобы уменьшить потери тепла из сосуда высокого давления, как цилиндрическая секция, так и нижняя часть 4 снабжены наружным слоем 44 изоляции любого известного типа0 Центральная секция в предпочтительном ,варианте имеет дополнительную оболочку 45 для защиты изоляции. Для нагрева материала в реакционной зоне могут быть использованы расположенные в ней электронагревательные элементы, охватывающие цилиндр 3 центральной секции, кожух, по которому циркулирует нагревающая среда, или расположенное по периферии трубчатое тепло- обменное устройство, содержащее пучок спиральных труб 46, примыкающих к внутренней поверхности футеровки 4 и поперечный теплообменник, образованый несколькими U-образными трубами

0

5

5 п

0

47, пересекающими по горизонтали сосуд высокого давления непосредственно под расположенными в его полости . ( кольцевыми подами 40, Пучок труб 46 периферийного теплообменника через вход 48 и выход 49 сообщается с расположенным вне реактора источником нагревающей среды, например сжатой двуокиси углерода и т.п.,и-образные трубы 47 поперечного теплообменника связаны с входным 50 и выходным 51 коллекторами соответственно, которые в свою очередь связаны с входом 52 и выходом 53, выполненными в стенке сосуда высокого давления„ Системы периферийного к поперечного теплообменников могут соединяться с одним и тем же источником нагревающей среды или, как показано ка фиг,4 с изображением предпочтительного варианта с различными источниками нагрева, что обеспечивает независимое управление каждой системой для получения требуемой температуры нагрева и термической обработки обрабатываемого материала в реакционной зоне0

В рабочем режиме, как показано на фиг04 с изображением схемы процесса, подлежащий обработке влажный угле- водородистый материал под давлением подается из бункера - хранилища 54 через соответствующий пневматический затвор 55 и вход 8 в сосуд I высокого давления,Через зону предварительного нагрева влажное сырье передается вниз способом, описанным выше, в процессе теплообменного контактирования с восходящим потоком реакционных газов для предварительного нагрева материала до 90-260°С, как это показано на фиг.1. Затем предварительно нагретый и частично обезвоженный материал пропускается расположенную ниже реакционную зону реактора со множеством подов, где он нагревается до более высокой температуры, обычно ч диапазоне 200-650 0 для термической перестройки или частичного пиролиза, сопровождающимися испарением практически всей остаточной влаги и летучих компонентов и продуктов реакции пиролиза. Обычно давление в реакторе поддерживается в диапазоне 21-210 кг/см2 или выше в зависимости от типа обрабатываемого материапа и , желаемой термической переработки, необходимой для получения целевого готового твердого реакционного продукта

Количество кольцевых подов в зоне предварительного нагрева и в реакционой зоне выбирается в зависимости от заданной продолжительности процесса обработкио Обычно продолжительность пребывания материала в реакционной зоне колеблется от 1 мин до I ч или |более. Полученный термически обогащенный твердый реакционный продукт выгружается через выход 43 для дукта в нижней секции реактора, после чего охлаждается в камере 56 охлаждения до температуры, позволяющей выгружать его в окружающую среду без риска сгорания или других нежелательных последствий. Обычно твердый .реакционный продукт охлаждается до температуры ниже 260 С, а чаще - 150°

до 1ЬО С и нижео

Разгрузочный канал, ведущий от выхода 43 для продукта, также снабжен пневматическим затвором 57, препятствующим потерям давления в реакторе при прохождении реакционного пр дукта.

Охлажденные реакционные газы удаляются через расположенный в верхнем конце реактора выход 10 и через понижающий давление клапан 58 пропускаются в конденсатор 59. В конденсаторе 59 осаждаются и выводятся в качестве побочного продукта конденсации, содержащиеся в газах органические и конденсируемые компоненты. Неконденсируемый компонент газа, т.е0- чистый газ выпускается и может быть использован в реакторе для нагрева. Подобно этому, извлеченная в зоне предварительного нагрева жидкая фаза удаляется в виде сточных вод из реактора через соответствующий понижающий давление клапан 60. Зачастую такие сточные воды содержат ценные рас воренные органические компоненты, которые могут быть извлечены в процессе дальнейшей обработки или, в другом варианте, сточные воды с раст- .воренными в них органическими компонентами могут использоваться непосредственно для формирования водной суспензии твердого реакционного продукта, что облегчает его транспортировку в удаленные от реактора пункты.

На фиг.4 схематически показаны дополнительные системы нагрева, обеспечивающие циркуляцию нагревающей текучей среды через расположенные по пе

н577702Ю

риферии и поперечно теплообмснные секции реакционной зоны. Расположенная по периферии система теплообменника имеет насос 61 для перекачки нагревающей текучей среды через теплообменник или печь 62 для повторного нагрева нагревающей среды, которая пропускается через пучок труб в реакционной зонеа Подобно этому, система поперечного теплообменника снабжена циркуляционным насосом 63 и печью 64 для циркуляции и повторного нагрева нагревающей текучей среды, пропускаемой через U-обраэные трубы реакционной з оны „

Описанный многоподовый реактор может найти применение в процессах обработки углеродистых материалов

10

15

или их смесей, которые, как правило, характеризуется высоким содержанием влаги.

В данном контакте определение углеродистые относится к материалам, богатым углеродом, которые могут иметь как естественное происхождение, так и могут быть получены в виде отходов сельскохозяйственного производства или лесообрабатывающей промышленностио Как правило, к таким материалам относятся полубитуминозные угли, бурые угли, торф, отходы целлюлозного производства, например опилки, кора, древесная стружка, ветки и щепа, т0е0 отходы лесозаготовительных работ и лесопильного производства, отходы сельскохозяйственного производства - стебли хлопка, ореховая скорлупа, отходы лущения зерновых, риса и т.п. и пульпа твердых городских отбросов, из которых удалены металлические примеси, содержащие менее 50 мас.% влаги, а обычно примерно 25 мас„% влаги.

Устройство работает следующим образом,,

Необработанный уголь при 15 С и атмосферном давлении подается из питающего бункера 54 через пневматический затвор 55 в реактор, в котором поддерживается давление 58 кг/см . Подлежащий обработке уголь нагревается в зоне предварительного нагрева реактора в ходе пропускания его че

рез

. о

эту зону вниз от температуры

15 С до 960 С, при которой он поступает в реакционную зонуэ Сточные воды примерно при 161 Си давлении 58 кг/см выводятся из зоны предварительного нагрева, как и газ, который при 161аС и давлении 58 кг/см2 выпускается из верхней части зоны предварительного нагрева. Реакционный газ, выпускаемый из реакционной зоны, поступает в нижнюю часть зоны предварительного нагрева при 260°С и давлении 58 кг/см20 Полученный твердый реакционный продукт выгружается JQ через дно реакционной зоны о температурой 381°С и давлением 58 кг/см с последующим охлаждением его до 93°С, после чего его выгружают при атмосферном давлении.15

Как правило, массовый расход подаваемого материала и разлимных потоков продуктов составляет: 23300 кг/ч подаваемого материала и 7200 кг/ч воды,, Выход сточных вод составляет .20 9200 кг/ч, а газа 2500 кг/ч и 150 кг/ /ч парао Выход из реактора тверддго продукта составляет: 11500 кг/ч, а чистого газа после извлечения конденсируемых компонентов 255 кг/ч и .25 150 кг/ч воды0

Тепловой баланс описанного процесса исчисляется из загрузки в реактор влажного необработанного угля, содержащего 188000 ккал/ч, а охлаж- 30 денный до 93°С твердый реакционный tпродукт содержит 320000 ккал/ч, JIo- лученный газ - продукт имеет теплотворную способность 260000 ккал/ч, а удаленные горячие сточные воды35

содержат 1500000 ккал/ч0

Описанные последовательность и параметры операций обработки полубитуминозных углей являются типовыми, однако в различных зонах реактора до- 40 пустимы изменения, температуры, а также давления и времени пребывания обрабатываемого материала, необходимого для получения требуемого терми ческого обогащения и/или химической 45 перестройки целлюлозного материала в зависимости от исходного содержания, в нем влаги, общей химической структуры и содержания углерода, а также

Давление в реакторе также может регулироваться в диапазоне 21 - 210 кг/ /см2, обычно в диапазоне 42 - 105 кг/см20

Формула изобретения

1, Устройство для тепловой обработ ки под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов, включающее сосуд высокого давления, расположенные в его верхней части впускное средство для ввода исходного углеродсодержащего материала под давлением и выпускное средство для отвода реакционных газов, установленные в сосуде нагревательные элементы, укрепленные на вращающемся валу перемешивающие средства и расположенное в нижней части сосуда выпускное средство для отвода продуктов реакции, отличающее ся тем, что, с целью повышения эффективности, устройство дополнительно содержит расположенные один над другим ряд кольцеообразных верхних подовых элементов, имеющих наклон вниз, в направлении от центра к периферии сосуда, ряд нижних подовых элементов расположенных под верхними пододыми элементами, направляющие средства, расположенные над верхними подовыми элементами, и дренажные средства, подсоединенные к верхним подовым элементам для удаления образующейся на них- жидкости, причем нагревательные элементы расположены в области нижних подовых элементов, а перемешивающие средства выполнены в виде гребков расположенных над подовыми элементами и направляющих, материал в радиальном направлении вдоль каждого подового элемента попеременно к центру и к периферии сосуда.

2. Устройство по п,1, о т л и - чающееся тем, что оно снабжено скребковым элементом или проволочжелаемых характеристик целевого реак- 50 но Щеткой, установленной на гребке,

Давление в реакторе также может регулироваться в диапазоне 21 - 210 кг/ /см2, обычно в диапазоне 42 - 105 кг/см20

Формула изобретения

1, Устройство для тепловой обрабоки под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов, включающее сосуд высокого давления, расположенные в его верхней части впускное средство для ввода исходного углеродсодержащего материала под давлением и выпускное средство для отвода реакционных газов, установленные в сосуде нагревательные элементы, укрепленные на вращающемся валу перемешивающие средства и расположенное в нижней части сосуда выпускное средство для отвода продуктов реакции, отличающее ся тем, что, с целью повышения эффективности, устройство дополнительно содержит расположенные один над другим ряд кольцеообразных верхних подовых элементов, имеющих наклон вниз, в направлении от центра к периферии сосуда, ряд нижних подовых элементов расположенных под верхними пододыми элементами, направляющие средства, расположенные над верхними подовыми элементами, и дренажные средства, подсоединенные к верхним подовым элементам для удаления образующейся на них- жидкости, причем нагревательные элементы расположены в области нижних подовых элементов, а перемешивающие средства выполнены в виде гребков расположенных над подовыми элементами и направляющих, материал в радиальном направлении вдоль каждого подового элемента попеременно к центру и к периферии сосуда.

2. Устройство по п,1, о т л и - чающееся тем, что оно снабжено скребковым элементом или проволоч

Изобретение относится к устройству для тепловой обработки под давлением различных влажных органических углеродсодержащих материалов без доступа воздуха с получением твердого топлива и позволяет повысить эффективность. Устройство включает сосуд (С) высокого давления, расположенные в его верхней части впускное средство - вход 8 для ввода исходного углеродсодержащего материала под давлением и выпускное средство - выход 10 для отвода реакционных газов, установленные внутри С нагревательные элементы. На вращающемся валу 13 укреплены перемешивающие средства. В нижней части С расположено выпускное средство - выход для отвода продуктов реакции. Уст дополнительно содержит расположенные один над другим ряд кольцеобразных верхних подовых элементов - подов 28, имеющих наклон вниз в направлении от центра к периферии сосуда, ряд нижних подовых элементов, расположенных под верхними подовыми элементами, кольцевые перегородки 34, расположенные над верхними подовыми элементами, и дренажные средства - сливные трубы 38, подсоединенные к верхним подовым элементам, для удаления образующейся на них жидкости. Нагревательные элементы расположены в области нижних подовых элементов, а перемешивающие средства выполнены в виде гребков, расположенных над подовыми элементами и направляющих материал в радиальном направлении вдоль каждого подового элемента попеременно к центру и к периферии сосуда. Устройство снабжено скребковым элементом или проволочной щеткой, установленной на гребке около стенки сосуда, нагревательные средства расположены по периферии внутреннего объема сосуда. Устройство снабжено средствами вертикального перемещения вала с гребками. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

расположенном около стенки сосуда, 3. Устройство по п.1, отличающее ся тем, что нагревательные средства расположены по периционного продукта. Соответственно условия в зоне предварительного нагрева могут; регулироваться таким образом, чтобы обеспечить удовлетворительный нагрев подаваемого мате- 55 ФеРии внутреннего объема сосуда, риала, т,е„ от комнатной температу-4. Устройство по п.1, о т л и ры до температуры обычно в диапазонечающееся тем, что нагрева90-260°С с последующим нагревом еготельные средства расположены под нижо

в реакционной зоне до 650 С и вышее

ними подовыми элементами.

расположенном около стенки сосуда, 3. Устройство по п.1, отличающее ся тем, что нагревательные средства расположены по периФеРии внутреннего объема сосуда, 4. Устройство по п.1, о т л и ними подовыми элементами.

чающееся тем, что оно содер-ния вала с гребками.

28

33

V

41

Фиг. 2

Фиг.3

$ Конденсат

60

Or

тдердый продукт

Fas

63

Фue.fi