СПОСОБ МНОГОСТУПЕНЧАТОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ОКИСЛЕНИЕМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
MULTI-STAGE DECOMPOSITION METHOD OF SOLID FUEL BY MEANS OF OXIDATION, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к энергетике, а именно - к способам производства тепловой энергии за счет разложения твердого топлива в окислителе.
Известен способ производства тепловой энергии за счет сжигания топлива в окислителе - патент РФ №2291349, МПК F23B 10/00 от 01.01.2010.
В топливном цикле, в основе которого лежит сжигание органического топлива, организуют круговорот органического топлива и его окислителя, в качестве которого используют элементный фтор. Для этого вводят в процесс неорганическое топливо в виде диоксида кремния или оксида редкого металла, относящегося к группе тугоплавких и образующего с фтором летучее соединение, сжигают его, используя в качестве окислителя образующийся в результате горения органического топлива тетрафторид углерода. Из полученных продуктов горения, а именно фторида кремния или фторида редкого металла, восстанавливают кремний или редкий металл, получая одновременно элементный фтор, а из углекислого газа, также с использованием элементного фтора и восстановленного кремния или металла, воспроизводят чистый углерод, направляя его, как и элементный фтор, на первоначальную операцию сжигания углерода.
Недостатком способа является то, что сжигание происходит в пространстве с использованием в качестве окислителя элементного фтора, и ввода в процесс неорганического топлива в виде диоксида кремния.
Известен способ сжигания и сухой перегонки твердого топлива, взятый за прототип - патент РФ №2319065, МПК F23B 30/00 от 10.03.2002. Способ включает загрузку топлива в камеру, нагревание его до температуры выхода летучих, разделение паровой и твердой фаз и сжигание последней в топке, причем, перед помещением топлива в камеру ее нагревают изнутри выше температуры, при которой происходит выход основной массы летучих.
Недостатком способа является порционность сжигания и неспособность контролировать полноту и глубину сгорания топлива, а также неспособность регулировать выделение тепловой энергии, невозможность получать и отводить топочный газ для дальнейшего его использования.
Известен газогенератор для газификации древесных отходов, патент РФ №2341727, МПК F23B 30/00, C10J 03/20 от 04.03.2005. Газогенератор содержит футерованный корпус с подсушкой опила в верхней части и коаксиально установленный кожух. Кожух образует с корпусом «рубашку». Патрубок с дроссельной заслонкой подключен к внутренней части коаксиального трубопровода, сообщенного с камерой горения, расположенной на уровне фурменного пояса. В корпусе размещено устройство виброожижения опила, снабженное вибратором эксцентрикового типа и расположенное ниже фурменного пояса в камере восстановления, а под устройством виброожижения размещена сменная зольниковая решетка с зольниковой камерой.
Недостатком газогенератора является то, что в качестве сырья используют только опил с предварительной подсушкой, а также на всем протяжении процесса используют внешний источник тепла, что приводит к низкой эффективности устройства.
Наиболее близким является устройство для переработки твердых горючих ископаемых, патент РФ №2342421, МПК С10В 53/06. Устройство содержит реактор, на входе соединенный с загрузочным бункером, на выходе - с отводящим каналом для парогазовой смеси, топку, снабженную отводящим каналом, а также питатель, расположенный перед топкой. Реактор содержит корпус с размещенным в нем механизмом для перемешивания и перемещения твердого топлива шнеком по длине корпуса. Корпус соединен с герметизирующей камерой.
Недостатком устройства является то, что оно не позволяет учитывать особенность исходного сырья и, как следствие, качество выходного газа, происходящие реакции не контролируемы, а на протяжении всего периода в процессе участвуют внешние источники тепла.
Задача изобретения - создание эффективного способа и устройства разложения твердого топлива и получение тепловой энергии, топочного газа и синтез-газа с заданными физико-химическими свойствами, температурой, давлением.
Способ многоступенчатого разложения твердого топлива окислением включает непрерывную подачу топлива в цилиндрический корпус с предварительным сжатием и нагревом исходного топлива до температуры начала активной реакции окисления. Топливо подают, перемещая его шнеком вдоль оси зоны окисления и предварительного нагрева с температурой 350-750°С и давлением 0-1 МПа, зоны основного окисления с температурой 500-1000°С, давлением 0,5-5 МПа. Далее топливо подается в зону разряжения с температурой 700-1500°С и давлением 0-(-0,9) МПа. После зоны разряжения через один патрубок выходит зольный остаток, а через другой патрубок - выходной газ с заданными физико-химическими свойствами.
Устройство для осуществления способа - твердотопливный преобразователь - состоит из приемного бункера, цилиндрического корпуса с расположенным внутри шнеком с переменным шагом и разрывами по зонам окисления. Над зонами окисления выполнены патрубки ввода окислителя. На противоположном конце корпуса расположены патрубок вывода газа с заданными характеристиками с находящимся внутри патрубка вакуумным насосом и патрубок вывода зольного остатка. Для подачи охлаждающей жидкости вал шнека выполнен полым. Для устранения провисания и натягивания вал расположен на подшипниках с натяжным устройством в виде пружины.
На фиг.1 изображен твердотопливный преобразователь, состоящий из цилиндрического корпуса 1, приемного бункера 2 с расположенным внутри шнеком с переменным шагом 3. Цилиндрический корпус 1 разделен на зону предварительного сжатия 4, зону окисления с предварительным нагревом 5, зону основного окисления 6 и зону разряжения 7. В цилиндрическом корпусе над зонами окисления выполнены патрубки ввода окислителя 8а, 8в, 8с. На противоположном конце корпуса за зоной разряжения 7 выполнены патрубок вывода газа с заданными характеристиками 9, патрубок для вывода зольного остатка 10. Вал шнека выполнен полым и расположен на подшипниках, обеспечивающих нормальную работу вала при его нагреве.
Способ многоступенчатого разложения твердого топлива осуществляют в топливном преобразователе. В его цилиндрический корпус 1 через приемный бункер 2 при помощи шнека с переменным шагом 3 подают твердое топливо, включающее в себя углеродистые и азотистые соединения. Шнек 3, имея переменный шаг в зоне предварительного сжатия 4, сжимает топливо с его одновременным уплотнением и герметизацией этой зоны.
В зоне окисления с предварительным нагревом 5 топливо нагревают до температуры 350-750°С, с давлением 0-1 МПа, а через патрубок 8а подают окислитель.
В результате этого повышается температура и давление в зоне предварительного сжатия 4 и зоне окисления с предварительным нагревом 5. Тепло отводится, а выделяющийся газ вместе с остатками топлива перемещается в следующую зону основного дозированного окисления 6 с температурой 500-1000°С, давлением 0,5-5 МПа и подачей окислителя через патрубок 8 в, где процесс повторяется. В зоне разряжения 7 с температурой 700-1500°С, давлением 0-(-0,9) МПа и подачей окислителя через патрубок 8с происходит дегазация остатка переработанного топлива. На выходе из зоны разряжения 7 создается отрицательное давление для ускорения удаления газовой составляющей из зольного остатка.
Для замедления или ускорения реакции окисления в различных зонах по патрубкам 8а, 8в, 8с предусмотрено различное количество подачи окислителя. Основным окислителем является кислород и как добавление используют озон.
Далее через патрубок 9 газ отводится на необходимые нужды, а через патрубок вывода 10 зольный остаток отводится в бункер для дальнейшей утилизации.
Твердотопливный преобразователь используют как источник тепловой энергии, топочного газа и синтез-газа или источник получения различных комбинаций вышеперечисленных продуктов.
Преимущество перед существующими способами и устройствами - малая металлоемкость, внешний источник энергии необходим только на момент запуска реакций окисления, контроль за скоростью и полнотой окисления. В предложенных технических решениях происходит повышенное извлечение углерода и азота из исходного сырья и получение газа с заданными физико-химическими свойствами для дальнейшего преобразования в жидкое синтетическое топливо.