Установка для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала
APPARATUS FOR PRODUCING HEATED GASES FROM CARBON-CONTAINING MATERIAL

Изобретение относится к области конструкции устройств для получения водорода и сопутствующих газообразных продуктов путем конверсии древесного угля при помощи водяного пара. Установка может быть применена при получении практически чистого водорода для последующего использования его в топливных элементах водородной энергетики.
3
Известна установка, содержащая технологически связанные между собой реактор конверсии углерода, реактор разложения углекислого кальция CaCO, реактор окисления оксида железа FeO, циклон, реторту, пиролизную печь, топку пиролизной печи, шлюз загрузки древесины, внутреннюю горелку, внешнюю горелку, дутьевой вентилятор, нагнетатель сжатого воздуха, пароперегреватель, шлюз выгрузки угля, нагреватель воздуха, форкамеру, верхний переток, нижний переток, нижний линейный переток, верхний линейный переток (см. описание патента на изобретение РФ №2615690). Недостатки известного устройства:
1. Не используется тепло уходящих нагретых печных продуктов сгорания для повышения тепловой эффективности установки.
2. Не используется тепло отводимого нагретого водорода для повышения тепловой эффективности установки.
3. Не используется тепло отводимого горячего воздуха с недостатком кислорода для повышения тепловой эффективности установки.
Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи повышения тепловой эффективности установки.
3
3
Поставленная задача технически решается с помощью предлагаемой установки получения нагретых газов из углеродсодержащего материала, содержащей технологически связанные между собой реактор конверсии углерода, реактор разложения углекислого кальция СаСО, реактор окисления оксида железа FeO, циклон, реторту, пиролизную печь, топку пиролизной печи, шлюз загрузки древесины, внутреннюю горелку, внешнюю горелку, дутьевой вентилятор, нагнетатель сжатого воздуха, пароперегреватель, шлюз выгрузки угля, нагреватель воздуха, форкамеру, верхний переток, нижний переток, нижний линейный переток, верхний линейный переток, согласно предлагаемому изобретению, в установке получения нагретых газов из углеродсодержащего материала дополнительно имеются технологически связанные между собой блок компьютерного управления, первичный и вторичный теплоутилизаторы для нагрева горелочного воздуха за счет теплоты отводимых газов после реактора разложения углекислого кальция СаСО и водорода, имеется пароподогреватель для подогрева водяного пара за счет использования теплоты печных продуктов сгорания, имеются соединенные электрической связью с блоком компьютерного управления: газоанализатор, расходомер и термометр, размещенные на трубе отвода печных продуктов сгорания, регулировочная задвижка, расходомер и термометр, размещенные на трубе отвода пиролизных газов, регулировочная задвижка, расходомер и термометр, размещенные на трубе подачи влажного водяного пара, регулировочная задвижка, термометр и расходомер, размещенные на трубе отвода водорода, регулировочная задвижка, размещенная на внутренней горелке, термометры для измерения температуры среды внутри пиролизной печи, реторты и реактора окисления оксида железа FeO, термометр и расходомер для измерения температуры и расхода перегретого водяного пара, термометр и расходомер для измерения температуры и расхода сжатого воздуха, имеется технологическая электрическая связь блока компьютерного управления с электродвигателями приводов дутьевого вентилятора и нагнетателя сжатого воздуха с возможностью изменения их частоты вращения.
Конструкция заявляемого устройства приведена на фиг., где позициями обозначены следующие элементы и узлы:
1 - реактор конверсии углерода,
3
2 - реактор разложения углекислого кальция CaCO
3 - реактор окисления оксида железа FeO,
4 - труба перегретого водяного пара,
5 - труба сжатого воздуха,
6 - труба отвода водорода,
7 - труба отвода углекислого газа,
8 - труба отвода воздуха с недостатком кислорода,
3
2
3
9 - загрузка углекислого кальция CaCO и гематита FeO,
3
2
3
10 - отработанный углекислый кальций CaCO и гематит FeO,
11 - отработанный оксид кальция СаО и зола,
12 - циклон,
13 - реторта,
14 - пиролизная печь,
15 - загрузка древесины,
16 - топка пиролизной печи,
17 - шлюз загрузки древесины,
18 - труба отвода печных продуктов сгорания,
19 - труба отвода пиролизных газов,
20 - внутренняя горелка,
21 - внешняя горелка,
22 - дутьевой вентилятор,
23 - нагнетатель сжатого воздуха,
24 - атмосферный воздух,
25 - загрузка оксида кальция СаО,
26 - пароперегреватель,
27 - шлюз выгрузки угля,
28 - нагреватель воздуха,
29 - труба подачи влажного водяного пара,
30 - частицы древесины,
31 - частицы древесного угля,
32 - частицы оксида кальция СаО,
33 - частицы оксида железа FeO,
2
3
34 - частицы гематита FeO,
3
35 - частицы углекислого кальция CaCO,
36 - форкамера,
37 - верхний переток,
38 - нижний переток,
39 - нижний линейный переток,
40 - верхний линейный переток,
41 - первичный теплоутилизатор,
42 - блок компьютерного управления,
43 - пароподогреватель,
44 - термометр,
45 - топливо,
46 - регулировочная задвижка,
47 - расходомер,
48 - газоанализатор,
49 - горелочный воздух,
50 - вторичный теплоутилизатор.
Стрелками обозначены направления технологического движения компонентов и рабочих сред.
Пунктирными линиями обозначены соединения электрической связью блока компьютерного управления 42 с термометрами 44, с электроприводными регулировочными задвижками 46, дутьевым вентилятором 22, нагнетателем сжатого воздуха 23, расходомерами 47 и газоанализатором 48.
Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.
Реактор конверсии углерода 1 конструктивно представляет герметичную теплоизолированную емкость (на фиг. тепловая изоляция условно не показана), имеющую внизу на поде грибообразные сопла, через которые непрерывно продувается перегретый водяной пар, подаваемый через трубу 4.
Необходимый для конверсии углерод в виде частиц древесного угля 31 размером до 12 мм производится непосредственно в составе установки в реторте 13, расположенной внутри пиролизной печи 14, из частиц древесины 30, загружаемых через герметичный шлюз 17.
В реактор 1 нагретые частицы древесного угля 31 поступают из реторты 13 через периодически открываемый шлюз выгрузки угля 27 и наклонную форкамеру 36.
Шлюз 27 представляет собой крупногабаритную электроприводную огнестойкую задвижку, перекрывающую доступ частиц древесины 30 через наклонную форкамеру 36 в реактор 1.
Получение перегретого водяного пара производится путем подачи через трубу 29 влажного водяного пара на перегрев в пароперегреватель 26, размещенный в реторте 13 и в топке пиролизной печи 16.
Перегрев пара производится за счет теплоты процесса пиролиза древесины в реторте 13 и за счет теплоты сжигания выделяющегося пиролизного газа в горелке 20.
2
2
В реакторе 1 при температуре 800…850°С во псевдоожиженном кипящем слое происходит реакция взаимодействия углерода, находящегося в составе частиц древесного угля 31, и перегретого водяного пара подаваемого по трубе 4 с выделением углекислого газа CO и водорода Н:
2
2
2
С+2HO=CO+2Н.
2
В реакторе 1 также протекает реакция взаимодействия частиц 32 оксида кальция СаО с образующимся углекислым газом CO с выделением некоторого количества дополнительной теплоты:
2
3
СаО+CO=CaCO.
2
Необходимый для поглощения углекислого газа CO мелкодисперсный порошок из частиц оксида кальция СаО 32 при первичном пуске и периодически при эксплуатации подается в реактор 1 сверху путем герметичной загрузки 25.
Псевдоожижение частиц угля 31 перегретым водяным паром производится при давлении 0,6…0,8 МПа. Давление выбирается исходя из создания требуемой высоты кипящего слоя, обусловленной также размером частиц оксида кальция СаО 32.
Отработанный оксид кальция СаО и зола 11 удаляются из реактора 1 через герметичный затвор, расположенный в поде реактора 1 (на фиг. конструкция затвора не показана).
2
Отработанными считаются крупные частицы СаО в смеси с золой, которые непригодны для создания псевдоожиженного кипящего слоя. Получающийся технически чистый водород Н со степенью чистоты 98…99% отводится через трубу отвода водорода 6 потребителям.
Расход водорода измеряется расходомеров 47 и изменяется с помощью электроприводной регулировочной задвижки 46, которые соединены электрической связью с блоком компьютерного управления 42.
3
2
3
По верхнему перетоку 37, представляющему собой - наклонный теплоизолированный трубопровод, с верхней зоны реактора 1 производится отвод частиц углекислого кальция СаСО 35 и углерода С в составе угля в реактор 2, в который также снизу подается перегретый водяной пар через трубу 4 при давлении 0,6…0,8 МПа и сверху добавляются частицы 34 мелкозернистого гематита FeO из циклона 12.
3
2
3
В реакторе 2 при температуре около 1020…1050°С протекают реакции разложения CaCO и соединения углерода, содержащегося в угле, с гематитом FeO:
3
2
СаСО → СаО+CO,
2
3
2
С+FeO=CO+FeO.
2
Образующийся в реакторе 2 нагретый углекислый газ CO отводится потребителям через трубу 7 с затвором (на фиг. конструкция затвора не показана).
Образующиеся частицы 33 оксида железа FeO отводятся через нижний линейный переток 39 в реактор 3.
3
По нижнему перетоку 38 частицы 32 оксида кальция СаО, получаемые в результате разложения углекислого кальция CaCO в реакторе 2, отводятся в реактор 1.
3
2
3
Отработанные частицы углекислого кальция CaCO и гематита FeO 10 периодически удаляются через герметичный затвор, расположенный в поде реактора 2 (на фиг. конструкция затвора не показана).
Отработанными являются частицы, которые имеют большие размеры или неоднородный химический состав и плотность и не участвуют в создании псевдоожиженного кипящего слоя.
3
2
3
3
2
3
Взамен удаленных отработанных частиц углекислого кальция CaCO и гематита FeO путем загрузки 9 периодически вводится необходимое дополнительное количество углекислого кальция CaCO и гематита FeO через герметичный затвор (на фиг. конструкция затвора не показана).
В теплоизолированном реакторе 3 при температуре 1300…1370°С происходит окисление частиц 33 оксида железа FeO до частиц 34 гематита Fe2O3 кислородом нагретого сжатого воздуха, подаваемого по трубе 5, по экзотермической реакции
2
2
4FeO+O=2FeO.
Атмосферный воздух 24 забирается снаружи нагнетателем 23, нагревается в нагревателе 28, размещенном в топке 16, и далее под давлением 0,6…0,8 МПа подается снизу в реактор 3.
Температура нагретого воздуха измеряется термометром 44, размещенным в трубе 5, который вырабатывает электрический сигнал и передает его по электрической связи в компьютерный блок 42.
Подогрев атмосферного воздуха 24 происходит за счет теплоты от сжигания в топке 16 пиролизного газа, который является побочным продуктом при получении древесного угля, с помощью внутренней горелки 20.
Температура в реакторе 3 измеряется термометром 44, соединенным электрической связью с блоком компьютерного управления 42.
Нагнетатель 23 имеет приводной электродвигатель, соединенный электрической связью с блоком 42 компьютерного управления, с помощью которого за счет изменения частоты вращения электродвигателя по компьютерной программе регулируется количество воздуха, подаваемого в реактор 3 в соответствии с температурой нагрева воздуха в подогревателе 28 и температурой в реакторе 3.
Применение блока для компьютерного управления 42 для регулирования подаваемого нагнетателем 23 количества воздуха позволяет минимизировать удельный расход тепла на нагрев сжатого воздуха и обеспечивает положительный технический эффект по сравнению с известным устройством.
2
3
2
3
Пылегазовый поток из реактора 3 поступает по верхнему линейному перетоку 40 в циклон 12, в котором частицы 34 гематита FeO отделяются от нагретого воздушного потока с недостатком кислорода и этот воздушный поток направляется по трубе 8 потребителям для дальнейшего использования. Отделившиеся частицы 34 гематита FeO поступают в реактор 2.
Теплоизолированная пиролизная печь 14 служит для первоначального нагрева реторты 13 с помощью комбинированной внешней горелки 21 путем сжигания газообразного или жидкого топлива 45 в потоке воздуха, подаваемого дутьевым вентилятором 22, электродвигатель которого соединен электрической связью с блоком 42 компьютерного управления с возможностью регулирования расхода воздуха.
После разогрева реторты 13 и начала процесса пиролиза древесины подача топлива 45 в горелку 21 прекращается.
Дутьевой вентилятор 22 также подает воздух для сжигания пиролизного газа при помощи горелки 20, в которой сжигается часть пиролизного газа образующегося в реторте 13 при получении углерода в составе древесного угля 31. Остальная часть пиролизного газа отводится через трубу 19 потребителям.
Горелка 20 оснащена электроприводной регулировочной задвижкой 46 с управлением от блока 42.
Количество подаваемого воздуха в топку 16 регулируется за счет изменения числа оборотов электродвигателя дутьевого вентилятора 22 по компьютерной команде блока 42 в соответствии с температурами, измеряемыми термометрами 44 внутри реторты 13 и внутри печи 14.
Температура отводимых печных продуктов сгорания в трубе 18 и температура отводимых пиролизных газов в трубе 19 измеряются термометрами 44, соединенными электрической связью с блоком компьютерного управления 42.
Температуры подогретого водяного пара после пароподогревателя 43 и после пароперегревателя 26 измеряются термометрами 44, соединенными электрической связью с блоком компьютерного управления 42.
Дутьевой вентилятор 22 подает воздух в первичный теплоутилизатор 41, в котором этот воздух нагревается за счет утилизации теплоты воздуха с недостатком кислорода, отводимого по трубе 8.
Вторичный теплоутилизатор 50 служит для нагрева воздуха 49 за счет теплоты нагретого водорода, отводимого по трубе 6.
Пароподогреватель 43 служит для подогрева водяного пара, подаваемого по трубе 29, за счет теплоты печных продуктов сгорания, отводимых по трубе 18.
Наличие первичного 41 и вторичного 50 теплоутилизаторов, пароподогревателя 43 является отличительным признаком, обеспечивающим получением положительного технического результата по сравнению с известным устройством.
Конечный положительный технический результат состоит в том, что за счет нагрева горелочного воздуха в теплоутилизаторах увеличивается энтальпия подводимого на горение воздуха и, по сравнению с известным устройством, повышается тепловая эффективность установки, то есть достигается положительный технический эффект.
Подогрев пара 29 в пароподогревателе 43 увеличивает температуру перегрева пара в пароперегревателе 26, что приводит к экономии топлива на осуществление технологического процесса получения водорода.
Тепловая эффективность установки в узле пиролизной печи 14 при горении топлива характеризуется долей полезно используемого тепла
1
2
3
4
5
q=100 - q - q - q - q, %,
2
3
4
5
где q, q, q, q - потери тепла с уходящими газами, от химической и механической неполноты горения и от наружного охлаждения, %.
2
Потери теплоты с уходящими газами q в известной установке достигают 25% от теплоты сжигаемого топлива.
3
4
5
1
Поэтому при постоянных значениях q, q, q снижение потерь тепла с уходящими газами q2 путем утилизации теплоты в теплоутилизаторах 41, 50 и в пароподогревателе 43 в заявляемой конструкции позволяет достигнуть положительного технического результата, заключающегося в повышения тепловой эффективности установки q.
В заявляемой установке имеется газоанализатор 48, измеряющий состав печных продуктов сгорания, отводимых по трубе 18.
2
Газоанализатор 48 соединен электрической связью с блоком компьютерного управления 42. По измеренной газоанализатором 48 концентрации кислорода O компьютером рассчитывается коэффициент избытка воздуха α по формуле
2
2
α=(21-0,1×O)/(21-O),
2
где O - концентрация кислорода в печных продуктах сгорания, %. Коэффициент избытка воздуха а это отношение количества действительного расхода воздуха, подаваемого на горение, к теоретически необходимому для стехиометрического сжигания единицы количества топлива.
Изменение действительного количества воздуха, подаваемого на горение, производится путем изменения числа оборотов дутьевого вентилятора 22 с частотно регулируемым электроприводом по компьютерной команде от блока 42.
Теоретически необходимое количество воздуха задается по компьютерной программе блока 42 в соответствии с теплотой сгорания сжигаемого топлива в горелках 20 и 21.
Необходимый оптимальный температурный уровень процесса пиролиза в реторте 13 поддерживается путем изменения расхода топлива на горелки 20 и 21.
Горелка 21 используется при первоначальном пуске установки с применением газообразного или резервного жидкого топлива.
Для регулирования расхода топлива в комбинированной внешней горелке 21 и во внутренней горелке 20 имеются электроприводные регулировочные задвижки 46, соединенные электрической связью с блоком компьютерного управления 42.
Включение в работу горелки 20 производится путем открытия по компьютерной команде электроприводной регулировочной задвижки 46 для подачи части пиролизного газа на сжигание.
При этом подача топлива 45 во внешнюю горелку 21 прекращается с помощью закрытия задвижки 46 по компьютерной команде от блока 42.
Необходимый воздух для работы горелки 20 поступает через воздушную проточную часть горелки 21.
При компьютеризированном поддержании в топке 16 коэффициента избытка воздуха α=1,03 при помощи компьютерного регулирования расхода топлива при помощи электроприводных регулировочных задвижек 46 и измеряемого расположенным на трубе 6 расходомера 47 количества отводимого водорода обеспечивается минимизация удельных затрат топлива на получение водорода.
Известная конструкция не имеет компьютеризированного программного поддержания коэффициента избытка воздуха α=1,03 и процесс сжигания топлива идет с большими коэффициентами избытка воздуха α >> 1,03 для предотвращения вредных выбросов несгоревших углеводородных продуктов в атмосферу.
Поддержание коэффициента избытка воздуха α=1,03 в заявляемой установке обеспечивает положительный технический результат по снижению потерь теплоты сжигаемого топлива в сравнении с известной установкой.
Заявляемая установка работает следующим образом.
3
2
3
Производится загрузка реакторов 1 и 2 необходимым для возбуждения реакций количеством частиц оксида кальция СаО, углекислого кальция CaCO и гематита FeO.
Производится загрузка древесины 15 через шлюз 17 в реторту 13.
Включается горелка 21, дутьевой вентилятор 22 и подается топливо 45, воспламеняемое при помощи запальника (на фиг. запальник не показан) для первоначального пуска пиролизной печи 14 в работу для разогрева реторты 13 и осуществления процесса получения углерода в составе частиц 31 угля посредством пиролиза частиц древесины 30.
Непосредственно начало процесса пиролиза протекает без доступа воздуха при некотором избыточном давлении в реторте 13 при закрытой регулировочной задвижке 46 на трубе отвода пиролизных газов 19 при температуре в реторте 500…600°С.
Начало активной стадии процесса пиролиза характеризуется выходом пиролизных газов через внутреннюю горелку 20 в топку 16, в которой пиролизные газы первоначально воспламенятся от факела горелки 21 и затем сгорают с выделением теплоты, идущей на перегрев водяного пара и получение горячего воздуха.
С наступлением активной стадии пиролиза подача топлива 45 в горелку 21 прекращается.
Подается влажный водяной пар по трубе 29 на подогрев и затем на перегрев и воздух 24 нагнетателем 23.
Количество используемого пиролизного газа в топке 16 регулируется по компьютерной команде от блока 42 электроприводной задвижкой 46 на горелке 20.
После прогрева внутренних объемов реакторов 1 и 2 перегретым водяным паром, подаваемым по трубе 4 и прогрева реактора 3 нагретым воздухом 51 в реактор 1 подаются нагретые частицы древесного угля 31 из реторты 13 путем открытия шлюза 27.
3
2
3
Высота псевдоожиженного слоя в реакторах 1 и 2 регулируется путем изменения количества подаваемого по трубе 4 перегретого водяного пара и загружаемого количества частиц оксида кальция СаО, углекислого кальция CaCO и гематита FeO.
Выделяющиеся полезные газообразные продукты отводятся потребителям: водород - по трубе 6, углекислый газ - по трубе 7, горячий воздух с недостатком кислорода - по трубе 8.