УСТРОЙСТВО ПИРОЛИЗНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Предлагаемая полезная модель относится к использованию органических веществ, в частности низкосортных углей, торфа, органогенных отходов в энергетике для получения экологически чистого газообразного моторного и печного топлива.
Известно устройство термической переработки материалов растительного происхождения, включающее герметичную металлическую камеру, расположенную внутри теплоизоляционного слоя с зазором между ними, в котором движется теплоноситель для нагрева пиролизуемого материала через стенку камеры. Устройство включает также отверстие с примыкающим к нему газоходом для подачи в реторту нагретого в теплообменнике выше 150°С природного газа и участок разделения природного газа от пирогазов, выделяющихся при пиролизе (RU, патент 2105034, МПК 6 С10В 53/02).
Недостатком этого устройства является наличие участка разделения природного газа от пирогазов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для пиролиза древесных отходов, включающее топку, обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную выемную реторту с днищем с отверстиями и возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты (RU патент 2285201, МПК F23G 5/00, С10В 1/04, 53/02, 2006.01, прототип).
Недостатком этого устройства является цикличность работы выемной реторты, большое время пиролиза и его неравномерность по сечению реторты вследствие нагрева пиролизуемого материала только через стенку реторты.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу сокращения времени пиролиза, равномерного нагрева влагосодержащего пиролизуемого материала по сечению реторты, непрерывности процесса и возможности максимальной степени конверсии органической части материала в газообразное топливо, не содержащее конденсирующихся газов.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве пиролизной переработки гранулированных органических веществ, включающем топку, соединенную с обогревательной камерой, заключенной в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, а в верхней части реторты выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для ввода в реторту пиролизных газов рецикла, причем устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а нагреваемой средой являются газы рецикла, а во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а охлаждающей средой является вода, при этом устройство включает встроенный в газоход газов рецикла электромагнитный клапан с частотой перекрытия газохода 0,1÷1 Гц, а также участок приготовления гранулированных органических веществ с влажностью, равной или превосходящей не более, чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии органических веществ в газообразное топливо, а также содержит емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1.
Устройство содержит участок 1 приготовления гранулированных влажных органических веществ, расходный бункер 2, реторту 3 с днищем 4 с отверстиями, Камеру обогрева 5, заключенную в теплоизоляционную оболочку 6, отверстия в реторте 7 с примыкающими газоходами 8, электромагнитный клапан 9 импульсной подачи газов рецикла в теплообменник 10 нагрева газов рецикла, теплообменник 11 охлаждения пиролизных газов, газоходы 12, примыкающие к отверстиям 13 в реторте 3, емкость 14 для сбора золы с теплообменником 15 охлаждения золы и нагрева воздуха, подающегося в топку 16. При необходимости устройство может включать фильтр-пылеуловитель (не показан на фиг.1) после теплообменника 11 по ходу пирогазов. Устройство снабжено тяго-дутьевыми машинами 17 и регулирующей арматурой 18.
2
2
2
Устройство работает следующим образом. Из участка приготовления 1 гранулированный материал, например, кусковой торф или древесная щепа с влажностью 30÷40% подается в расходный бункер 2. Расчет минимально необходимой влажности показан ниже на конкретном примере органического материала. Из бункера 2 материал через газоплотный шлюзовой затвор поступает в реторту 3, обогреваемую через стенки движущимися снизу вверх продуктами сгорания камеры обогрева 5, генерируемыми в топке 16. По мере движения по реторте сверху вниз материал последовательно проходит стадию эндотермических реакций в диапазоне температур до 300÷350°С (испарение воды, плавление лигнина и некоторые другие), стадию экзотермических реакций образования и конденсации полиядерных ароматических соединений с образованием структуры кокса в диапазоне 350÷850°С, затем конечную стадию эндотермических реакций диссоциации высокомолекулярных конденсирующихся углеводородов и реакций углерода кокса с диоксидом углерода и водяными парами при температуре 950÷1000°С с образованием в конечном итоге смеси неконденсирующихся газов, состоящей в основном из водорода и монооксида углерода. Наиболее медленными реакциями являются эндотермические реакции, скорость которых лимитируется скоростью подвода теплоты в зону реакции. Для сокращения времени эндотермических реакций первой стадии в верхней части реторты 3 предусмотрены отверстия 13, через которые по газоходам 12 в реторту из теплообменника 10 поступает нагретый до 700÷900°С восстановительный пиролизный газ рецикла, ускоряя подвод теплоты. При движении сверху вниз в зону экзотермических реакций газ частично или полностью (в зависимости от химического состава пиролизируемого вещества, в основном от количества кислорода в органической части) восстанавливает свой температурный потенциал и поступает в нижнюю зону эндотермических реакций. В этой зоне происходит практически полное «выгорание» углерода кокса в основном по реакциям С+НО→СО+Н и С+СО→2СО. Для компенсации затраты теплоты температура в этой зоне постоянно поддерживается на уровне 950÷1000°С за счет теплоты, поступающей от продуктов сгорания камеры обогрева 5 через стенки реторты. Максимальная температура материала ограничивается температурой размягчения золы. Пиролизные газы с температурой 950÷1000°С выводятся из реторты через отверстия 7 и по газоходам 8 направляются в теплообменник 10, где они охлаждаются до температуры 250÷300°С, нагревая газы рецикла до температуры 700÷900°С. После теплообменника 10 газы направляются в теплообменник-охладитель 11, в котором они охлаждаются до температуры 50÷70°С с конденсацией возможно неразложившихся высокомолекулярных углеводородов в количестве до 1% от массы исходного материала. Из теплообменника 11 часть газов направляются сторонним потребителям, вторая их часть - в топку 16 и третья - через электромагнитный клапан 9 и теплообменник 10 на рецикл в реторту 3. Образующаяся мелкодисперсная зола через отверстия днища 4 ссыпается в емкость 14, где она охлаждается в теплообменнике 15 воздухом, поступающим в топку 16, и через шлюзовой затвор поступает в периодически опорожняющийся бункер (на фиг.1 не показан). Электромагнитный клапан 9 предназначен для импульсной подачи газов рецикла в теплообменник 10 и реторту 3, чем повышается интенсивность процессов теплообмена и скорость эндотермических реакций, а также предотвращается сводообразование над днищем реторты и забивание твердыми частицами отверстий 7. Частота импульсов 0,1 Гц используется для пиролизируемых гранул с характеристическим размером более 5 мм, 1 Гц для гранул менее 5 мм, когда внутреннее термическое и диффузионное сопротивление не лимитирует скорость теплообмена и химических реакций. Пример использования полезной модели.
В качестве примера органического вещества приведен торф.
Химический состав органической (горючей) части торфа приведен в таблице.
Элементный состав горючей массы торфа, массовые доли
Углерод С<sup>daf</sup>
Водород Н<sup>daf</sup>
Cepa S<sup>daf</sup>
Азот Н<sup>daf</sup>
Кислород О<sup>daf</sup>
0,5567
0,0693
Следы
0,0169
0,3571
c
Зольность торфа в сухой массе А=3,1%
Необходимое количество влаги в торфе рассчитывается по следующей методике.
При конечной температуре пиролиза ~1000°С весь углерод торфа переходит в СО, при этом количество образующегося СО из 1 кг горючей массы:
co
daf
G=С-28/12=1,3 кг
Необходимое количество «водяного» кислорода
ow
co
daf
G=G·16/28-O=0,385 кг
Минимальное количество воды для полной конверсии органики торфа в газ:
w
ow
G=G-18/16=0,43 кг
Пересчет на 1 кг рабочей массы торфа с теоретически необходимой влажностью представлен ниже.
Состав рабочей массы торфа, массовые доли
Влажность W<sup>p</sup>
Зольность А<sup>p</sup>
Горючая масса
0,29
0,02
0,69
Для увеличения концентрации водяных паров и, как следствие, ускорения реакций в нижней части реторты, предпочтительно использовать исходный материал с влажностью 35÷40%. Таким образом, во многих случаях отпадает необходимость предварительной сушки используемого органического вещества, например, древесной щепы или кускового торфа, которые имеют естественную влажность ~40%.