УСТАНОВКА ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована для переработки твердого топлива и горючих отходов в горючий газ. Полученный горючий газ при газификации твердого топлива может быть использован как топливо для получения тепла, электроэнергии в промышленности и в сельском хозяйстве, а также как сырье в химической отрасли для получения жидких топлив, масел и других ценных химических продуктов.
Известно устройство для газификации углеродсодержащих топлив, содержащее газификатор шахтного типа с теплоизоляцией и футеровкой внутренних стенок шахты. В верхней части газификатор снабжен средствами для загрузки топлива. В качестве таких средств могут быть использованы шлюзовые устройства различной конструкции, например барабанные питатели или другие устройства, обеспечивающие контролируемую непрерывную или порционную загрузку топлива в газификатор.
В верхней части газификатор снабжен средствами для вывода генераторного газа, которые могут включать трубопровод для транспортировки генераторного газа в горелку, в систему очистки или иные устройства для его утилизации, снабженные соответствующим тягодутьевым оборудованием, обеспечивающим отсос генераторного газа из газификатора.
В нижней части газификатор снабжен средствами для выгрузки твердого остатка переработки топлива, которые могут включать, например, вращающийся колосник, затворы барабанного типа и транспортер для удаления золы. Эти средства обеспечивают равномерное по поперечному сечению нижней части рабочей зоны газификатора удаление из него накапливающегося по мере переработки топлива твердого остатка.
Нижняя часть газификатора снабжена также средствами для подачи в него газифицирующего агента, которые могут включать вентилятор для подачи воздуха, парогенератор, соответствующие трубопроводы и другую необходимую арматуру для подачи и регулирования расхода воздуха, пара, или других газов, которые подсоединены к входному коллектору газифицирующего агента, из которого последний поступает в газификатор.
Для контроля температурного поля газификатор снабжен средствами, которые могут включать подключенные к системе регистрации и управления температурные датчики, например, термопары, устанавливаемые на нескольких уровнях по высоте газификатора по несколько штук по периметру на каждом уровне.
Устройство оснащено средством выравнивания значений расхода топлива по поперечному сечению рабочей зоны газификатора, которое может включать, например, устройство равномерной (по поперечному сечению газификатора) выгрузки материала и установленное под ним устройство для равномерного распределения частиц перемещаемого топлива по поперечному сечению газификатора. Такое средство обеспечивает формирование слоя топлива однородной структуры с равномерным по поперечному сечению газификатора распределением расходов топлива перед его поступлением в зону максимальной температуры и не искажает распределение по поперечному сечению газификатора расходов топлива в области, расположенной выше средства.
Для улучшения управляемости температурным режимом газификации и повышения ее энергетической эффективности, в устройство введено средство ввода воды в топливо. Данное средство включает форсунки с соответствующими трубопроводами, насосами и другой необходимойарматурой, которые обеспечивают управляемую подачу воды в газификатор. Путем соответствующего расположения и юстировки форсунок добиваются равномерного распределения подачи воды по поперечному сечению рабочей зоны газификатора.
(см. патент РФ №2347138, кл. F23G 5/027, 2009 г.)
В результате анализа известного устройства необходимо отметить, что оно характеризуется сравнительно сложной схемой устройства газогенератора, что приводит к повышению затрат на изготовление и эксплуатацию, низкой производительностью, требует топлива в узком классе гранулометрического состава и технологических свойств, что сужает сырьевую базу газификации, значительным недожогом топлива и сравнительно низким КПД по конверсии топлива.
Известен газификатор твердого топлива, выполненный в виде многосекционной вертикальной шахтной печи цилиндрической формы, внутри которой последовательно, сверху вниз, расположены зоны сушки, пиролиза и горения твердого топлива. В верхней части печи расположено загрузочное устройство и выведен патрубок для отбора продукт-газа, в нижней части имеется патрубок для подачи газифицирующего агента и устройство для накопления и вывода твердых продуктов переработки (золы). Между верхней и нижней частями газификатора расположены одна или несколько секций, являющихся составными частями печи, имеющих в центре внутренние сквозные полости, расположенные в направлении вертикальной оси газификатора и сообщающиеся с внутренними полостями верхней и нижней части, а также с внутренними полостями других составных частей. Внутренние полости секций имеют футеровку, в которой закреплены концы термоаккумулирующих элементов, расположенных во внутренних полостях секций. Они равномерно распределены по объему внутренних полостей и обладают достаточно большой теплоемкостью.
Секции печи выполнены в виде металлического кожуха с расположенной в нем футеровкой, в которой закреплены концы термоаккумулирующих элементов. Секции опираются через упорные подшипники на такие же секции или на нижнюю часть газификатора. Секции оснащены приводами их вращения. Вращение секций может быть произвольное, в любую сторону, но желательно, чтобы соседние секции вращались в разные стороны. Это существенно улучшит перемешивание топлива и создаст более равномерное распределение температуры и газопроницаемости по горизонтальным сечениям печи.
Зазоры между секциями и частями газификатора герметизируются с помощью лабиринтных уплотнений, заполненных жидкостью.
Для работы газификатор загружают с помощью транспортера и загрузочного устройства относительно легким топливом, чтобы не повредить термоаккумулирующие элементы, например, древесной щепой или торфом. Газификатор с топливом разогревают через отверстия снизу с помощью горячего воздуха или газовых горелок до воспламенения топлива и подают через патрубок газифицирующий агент, содержащий кислород. В дальнейшем все главные параметры непрерывного процесса газификации удерживаются на необходимом уровне путем регулировки расхода газифицирующего агента.
Для быстрого разогрева футеровки и термоаккумулирующих элементов до необходимой температуры дополнительно может быть загружено высококалорийное топливо. После их разогрева переходят на имеющийся вид топлива. Включают вращение секций. Полученный продукт-газ отводят из полости печи через отводной патрубок.
(см. патент РФ №2232347, кл F23G 5/027, 2004 г.)
Известный газификатор позволяет газифицировать топливо только в узком диапазоне технологических свойств, что сужает сырьевую базу газификации, имеет сравнительно низкие КПД и удельную производительность, высокий процент недожога топлива и высокие затраты на изготовление и эксплуатацию, а также получаемый генераторный газ имеет низкую теплоту сгорания.
Техническим результатом полезной модели является повышение ее производительности и КПД конверсии топлива, за счет интенсификации процесса газификации в вихревом и кипящем слоях, реализуемых в газогенераторе, снижения недожога, повышение теплоты сгорания генераторного газа, снижение затрат на изготовление и эксплуатацию установки и расширение функциональных возможностей за счет использования более широкого спектра перерабатываемого сырья.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в установке для газификации твердого топлива, включающей многосекционный газогенератор, на верхней секции которого имеется вход для загрузки топлива устройством загрузки, а на нижней - выход для выдачи золы на устройство для отвода золы, как минимум, один патрубок отвода из полости газогенератора генераторного газа, а также устройство подачи окислителя в полость газогенератора, новым является то, что газогенератор состоит из трех секций - верхней, средней и нижней, верхняя секция выполнена цилиндрической формы, средняя имеет форму цилиндра, сопряженного торцами с большими основаниями частей, имеющих форму усеченных конусов, а нижняя выполнена конической формы, на верхней секции установлены завихрители, а на нижней - фурмы для подачи окислителя в полость газогенератора, причем установка оснащена как минимум, одним теплообменником и распределительным коллектором, выходы которого связаны с завихрителями и фурмами, а вход с выходом теплообменника, вход которого связан с выходом устройства для подачи окислителя, при этом, патрубок отвода из полости газогенератора генераторного газа пропущен через теплообменник.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 представлена установка для газификации твердого топлива;
- на фиг.2 - установка, (развернуто на 90 град).
Установка для газификации твердого топлива включает многосекционный газогенератор 1, выполненный в виде состыкованных друг с другом верхней, средней и нижней секций.
Верхняя секция 2 газогенератора 1 выполнена в виде цилиндрической обечайки, закрытой сверху крышкой. На образующей секции 2 установлены завихрители 3 для подачи окислителя в верхнюю секцию газогенератора. В верхней части секции имеется вход 4 для приема топлива от устройства загрузки.
С верхней секцией 2 состыкована средняя секция 5. Средняя секция имеет форму цилиндра, сопряженного торцами с большими основаниями частей, имеющих форму усеченных конусов. На средней секции размещен как минимум, один (на графических материалах показано два) патрубок 6 для отвода полученного генераторного газа.
С нижней частью средней секции состыкована большим основанием нижняя секция 7, имеющая форму усеченного конуса. На нижней секции размещены фурмы 8 для подачи окислителя в полость нижней секции. Нижняя секция оснащена выходом 9 для выпуска золы из газогенератора.
Вход 4 и выход 9 могут быть выполнены различным известным образом, например, в виде шлюзовых затворов.
Установка оснащена устройством подачи окислителя 10, выполненным в виде воздуходувки с частотно-регулируемым приводом. Выход воздуходувки трубопроводом связан с как минимум, одним (на графических материалах показано два) теплообменником 11, выход которого подсоединен к коллектору 12, выходы коллектора через трубопроводы с регулируемыми задвижками 13 связаны с фурмами 8 и завихрителями 3.
Патрубок 6 пропущен через теплообменник 11.
Установка оснащена устройством 14 загрузки топлива в газогенератор, которое может быть выполнено в виде шнека с частотно-регулируемым приводом.
Установка оснащена устройством 15 отвода золы из газогенератора, которое может быть выполнено в виде шнека с частотно-регулируемым приводом.
Установка оснащена системой автоматического управления 16 процессом газификации топлива, включающей блок управления, связанный с частотно регулируемыми приводами и с датчиками (уровнемеры, термопары, манометры и расходомеры - не показаны).
На средней секции газогенератора имеется лючок 17, предназначенный для размещения жидкостно-топливной горелки.
Работа установки может быть осуществлена в автоматическом или ручном режиме.
Установка для газификации твердого топлива работает следующим образом.
Топливо устройством 14 подается через вход 4 верхней секции в газогенератор до уровня лючка 17, после чего подача топлива приостанавливается. Включается устройство 10 на малых оборотах, при этом регулирующими задвижками 13 окислитель через теплообменник 11 и коллектор 12 подается только на фурмы 8 в нижнюю секцию газогенератора. Через лючок 17 топливо поджигается горелкой и, как только топливо разгорится, горелку убирают, лючок 17 плотно закрывают, после этого возобновляют подачу топлива в газогенератор. Увеличивают подачу окислителя (воздуха) и топлива и при достижении заданной температуры в газогенераторе, которая по установленной программе определяется системой управления, открывают задвижки и 13 окислитель направляется, кроме фурм 8, также и в завихрители 4 верхней части газогенератора. Таким образом производится пуск в работу установки.
В процессе работы установки газогенератор постепенно прогревается, растет температура выходящего генераторного газа, который направляется потребителям, проходя по патрубку 6 через теплообменник 11, нагревает окислитель, подаваемый в коллектор 12 и далее в верхнюю и нижнюю секции газогенератора. По мере нагревания окислителя скорость газификации растет и система автоматического управления увеличивает подачу топлива и окислителя по заранее заданной программе. Это увеличение подачи топлива и окислителя производится до заданных программой величин и далее работа установки осуществляется в стабильном, автоматическом режиме. Зольный остаток накапливается в нижней секции газогенератора, где установлены уровнемеры на двух уровнях по высоте. При достижении зольным остатком верхнего уровня система управления автоматически включает устройство 15 отвода золы, поступающей из выхода 9, уровень золы понижается и, дойдя до нижнего уровня, система автоматического управления автоматически останавливает устройство 15 удаления золы и идет снова накопление золы.
В процессе работы установки в верхней секции газогенератора осуществляется процесс вихревой газификации наиболее легких частиц топлива, в нижней части газогенератора осуществляется процесс газификации наиболее тяжелых частиц топлива в кипящем слое, а в средней части создаются такие условия процесса газификации во встречных потоках, которые обеспечивают превалирование восстановительных химических реакций и, как следствие, увеличение в генераторном газе горючих компонентов и, соответственно, теплоты его сгорания. Именно, наличие верхней цилиндрической части с вихревым потоком окислителя и топлива, позволяет интенсивно прогазифицировать мелкие частицы, прогреть и пиролизовать крупные и средней крупности частицы, которые в средней части попадают во встречные потоки (снизу от фурм, сверху от завихрителей), интенсивно газифицируются с высоким содержанием горючих компонентов в генераторном газе и только самые крупные и недогазифицированные частицы топлива поступают в нижнюю часть газогенератора, где они догазифицируются в кипящем слое частиц инициируемым потоком окислителя выходящим из фурм. Такая совокупность процессов, обусловленная конструкцией установки, обеспечивает низкий недожог топлива, высокие КПД и производительность установки.
Остановка работы установки по газификации топлива осуществляется остановкой подачи в газогенератор окислителя и топлива.
Испытание установки проводили в течение 200 часов на таких видах топлива, как твердые бытовые отходы, осадок от очистки сточных вод, птичий помет, навоз животных, растительные отходы, угольные шламы, торф. Установка показала стабильную работу с получением теплоты сгорания генераторного газа и КПД установки на 20-25% выше, чем в известных решениях. Удельная производительность установки выше на 15-20%, чем в известных решениях, а затраты на изготовление и эксплуатацию установки, а также недожог топлива на 20-24% ниже, чем в известных решениях.
Установка обеспечивает подачу в полость газогенератора подогретого до заданной температуры окислителя, что интенсифицирует процесс переработки топлива, повышает КПД установки, причем, регулируя температуру окислителя, можно регулировать производительность установки как по количеству перерабатываемого топлива, так и по получаемому генераторному газу и обеспечить высокий процент сжигания топлива. Использование для подогрева окислителя выработанного генераторного газа позволяет отказаться от использования системы подвода теплоносителя, что упрощает конструкцию установки. Выполнение газогенератора многосекционным позволяет упростить технологию изготовления и использовать для каждой секции оптимальные материалы и технологические режимы. Кроме того, упрощается ремонт газогенератора. Установка обладает широкими диапазонами регулирования подачи топлива и окислителя и его температуры, что позволяет перерабатывать широкий спектр сырья.