УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ

Термическая переработка твердых топлив с использованием новых технологий нагрева топлива твердым теплоносителем получает в последнее время все более широкое распространение в промышленности.
При этом для предварительного тестирования топлива и моделирования процесса термического разложения топлива продолжает использоваться устаревшая технология, в которой нагревание исследуемого образца твердого топлива производится не твердым теплоносителем - как в реальной технологии, а через стенку - за счет помещения исследуемого образца топлива в сосуд с обогреваемыми снаружи стенками.
Поэтому, для получения исходных характеристик процесса термического разложения топлива с нагревом твердым теплоносителем, необходимых для расчета и проектирования подобной технологии, особенно при вовлечении в переработку новых видов топлива, недостаточно применять наиболее распространенную традиционную тестированную методику определения характеристик процесса термического разложения твердого топлива и выхода и состава получаемых продуктов с помощью, так называемой, реторты Фишера, в которой нагрев топлива осуществляется через стенку от внешнего источника тепла - с помощью электронагреваемой обмотки (ГОСТ 3168-93).
Эта методика не учитывает специфику термопереработки топлива при его нагревании за счет смешения с горячим твердым теплоносителем. Она не учитывает такой важный фактор как возможное химическое
взаимодействие твердого теплоносителя с топливом и с паро-газовыми продуктами разложения топлива.
Примером такого взаимодействия может служить известное из теории и практики термической переработки сланцев с твердым теплоносителем взаимодействие карбонатов кальция и магния, содержащихся в твердом теплоносителе - сланцевой золе, с соединениями серы, содержащимися в парогазовых продуктах разложения сланца, что влияет на химический состав получаемой в процессе сланцевой смолы, существенно снижая содержание в ней серы, которая является вредной примесью, ухудшающей качество смолы.
Известна лабораторная печь для моделирования процесса слоевого коксования, содержащая камеру коксования с греющими простенками, разделенную перегородками на секции с термопарами (см. патент РФ №2105031, опубл. 20.02.1998, Кл. С10В 1/00, А27В 17/02).
Недостатками такого устройства является то, что нагрев исследуемого образца проводят через стенку и не учитывается специфика термопереработки топлива за счет нагрева твердым теплоносителем. Кроме того, исследуется только изменение угольной массы без вывода парогазовой смеси.
Чтобы получить характеристики процесса термического разложения топлива, отражающие особенности процесса, связанные с применением твердого теплоносителя, в патенте на полезную модель №69862 (03.07.2007) предложена новая методика тестирования процесса пиролиза твердых топлив с нагревом исследуемого образца твердого топлива с помощью твердого теплоносителя.
Предложенное в упомянутом патенте устройство для моделирования процесса полукоксования твердого топлива обладает тем недостатком, что при охлаждении аппаратов устройства после опыта может происходить осаждение (конденсация) на стенках аппаратов
жидких продуктов пиролиза - смол, находящихся в парогазовой смеси пиролиза в парообразном состоянии.
Такая конденсация будет приводить к искажению величины замеряемого выхода жидких продуктов пиролиза - одного из основных замеряемых показателей и к возможному нарушению нормальной работы аппаратов устройства, из-за налипания смолы и частиц твердого топлива на стенки аппаратов. Существенно усложнится использование устройства, так как после каждого испытания потребуется осуществлять чистку аппаратуры с применением растворителей.
Недостатками прототипа являются также:
- жесткое крепление клапанов 3 и 9 к штоку 19, вследствие чего при плотном прилегании клапанов 3 и 9 в холодном состоянии к перекрываемым ими выпускным отверстиям (бункера 1 и камеры нагрева 5) после нагрева штока 19 до высокой температуры (600-700°С) между клапаном 9 и выпускным отверстием камеры 5 может образоваться зазор, нарушающий герметичное перекрытие выпускного отверстия камеры нагрева 5; возможно также образование зазора между клапаном 3 и воронкой бункера 1;
- отсутствие постоянного перемешивания пиролизуемого материала в пиролизере и, вследствие этого, возможность его неравномерного нагрева и, в частности, перегрева пристеночных слоев топлива;
- отсутствие загрузочного патрубка у топливного бункера 1, что усложняет его загрузку и герметизацию (так как потребуется снимать крышку бункера).
Чтобы обеспечить надежную работу устройства и предотвратить возможное осаждение остатков смолы на стенках аппаратов при их охлаждении после проведения опытов необходимо обеспечить своевременное удаление из аппаратов - до их охлаждения - остатков парогазовой смеси пиролиза, содержащих пары смол.
Для этого предлагается оборудовать устройство системой продувки аппаратов горячим инертным газом, с помощью которого остатки парогазовой смеси непосредственно после окончания опыта вытесняются из аппаратов устройства.
Для осуществления такой продувки предлагается в соответствии с фиг.1 усовершенствовать конструкцию устройства - прототипа (патент на полезную модель №69862 от 03.07.2007 - снабдить камеру нагрева твердого теплоносителя 5 штуцером 23, расположенным в верхней части камеры 5, а пиролизер 6 - штуцером 24, расположенным в нижней части пиролизера 6, с подачей инертного газа через эти штуцера в аппараты устройства.
При этом штуцера присоединяются с помощью трубопроводов к баллону с азотом, снабженному вентилем, регулирующим подачу газа.
Штуцер 23 расположен в верхней части камеры 5 нагрева твердого теплоносителя, чтобы обеспечить продувку азотом всего объема камеры 5 - за счет движения азота сверху - вниз - по направлению к выпускному патрубку 15, а штуцер 24 расположен в нижней части пиролизера 6, чтобы обеспечить продувку азотом всего объема пиролизера 6 ~ за счет движения азота снизу - вверх - по направлению к выпускному патрубку 15.
Для надежной продувки аппаратов устройства, на стенках в которых возможна конденсация смол (нагреватель 5 и пиролизер 6), требуется небольшое количество продувочного газа - лишь в несколько раз превышающее объем этих аппаратов.
Опыт работы с ретортой Фишера показывает, что для определения выхода продуктов пиролиза - смолы, пирогенетической воды, газа и полукокса достаточно подвергать пиролизу 50-100 г испытуемого топлива.
Если ставить задачу получать существенно большее количество смолы - для ее детального исследования, то количество пиролизуемого
топлива составит 1 кг, а количество твердого теплоносителя, соответственно, не более 3-4 кг. Таким образом, требующийся объем каждого из аппаратов камеры нагрева и пиролизера составит не более 3-4 литров (при насыпном весе топлива и теплоносителя порядка 1,2-1,5 кг/л), а для их продувки 3-4х кратным объемом газа потребуется порядка 15-20 литров азота.
На фиг.1 приведен эскиз усовершенствованного устройства для моделирования процесса полукоксования твердого топлива.
Устройство содержит бункер топлива 1 с загрузочным патрубком 21, выпускной патрубок которого перекрывает клапан 3, снабженный пружиной 22. В двухсекционную печь 4 с электрическим обогревом помещены вертикальная камера нагрева 5 твердого теплоносителя и соосно с камерой пиролизер 6, установленный под ней. Камера нагрева 5 твердого теплоносителя снабжена загрузочным патрубком 7 для твердого теплоносителя, воронкой 8 с клапаном 9 для выгрузки нагретого теплоносителя. Под бункером 1 расположена воронка 10, с трубкой 11, выходной конец которой расположен в воронке 8.
Под камерой 5 предусмотрена зона смешения 12 с перегородками 13. расположенная под клапаном 9 для выгрузки. Камера нагрева 5 и пиролизер 6 снабжены термопарами 14. Предусмотрен патрубок для вывода парогазовых продуктов 15, мешалка 16 с механическим приводом 25 и разгрузочным патрубком 17 с запорным устройством 18. Клапан 3 бункера 1 расположен в загрузочной воронке 10 для подачи топлива в камеру нагрева 5. Клапан 9 камеры нагрева 5 и клапан 3 бункера 1 установлены на общем вертикальном штоке 19, снабженным пружинами 20 и 22 с возможностью одновременного вертикального перемещения обоих клапанов.
Чтобы устранить второй отмеченный выше недостаток прототипа - возможность неплотного прилегания клапанов 3 и 9 к перекрываемым ими отверстиям вследствие образования зазора между клапанами
и выпускными отверстиями (из-за температурного удлинения штока 19) предлагается установить клапан 3, перекрывающий выпускное отверстие бункера 1, на пружине 22, прикрепленной к штоку 19, что обеспечивает возможность дополнительного перемещения штока 19 и клапана 9 снизу вверх под воздействием пружины 20, благодаря которому выбирается зазор между клапаном 9 и выпускным отверстием камеры нагрева 5.
Для устранения третьего указанного недостатка прототипа и предотвращения возможного неравномерного нагрева топлива в пиролизере и в частности, перегрева пристеночных слоев топлива вследствие контакта с обогреваемыми снаружи стенками пиролизера предусмотрена механическая мешалка 16 с электроприводом 25 для непрерывного перемешивания топлива в пиролизере с небольшим числом оборотов (1-2 об/мин).
Устройство работает следующим образом.
В камеру нагрева 5 при закрытом клапане загружают 9 твердый теплоноситель, в количестве в 3-4 раза превышающем по массе количество топлива. Затем включают секции печи 4 и производят нагрев теплоносителя в камере нагрева 5 до заданной температуры (600-700°С) и нагрев пиролизера 6 до расчетной температуры процесса (450-550°С). Печь 4 снабжена средствами контроля и регулирования температуры. После этого, в бункер 1 при закрытом клапане 3 загружают испытуемое топливо. Затем с помощью штока 19 одновременно открывают клапаны 3 и 9 для подачи топлива и теплоносителя через зону смешения 12 в пиролизер 6, заранее нагретый до заданной температуры пиролиза. Смесь топлива и теплоносителя выдерживают в пиролизере 6 заданное время, при постоянном медленном перемешивании (1-2 об/мин), в течение которого происходит термическое разложение топлива, а образующиеся парогазовые продукты через выпускной
патрубок 15 направляют в отделение конденсации (на фиг.1 -не указано).
Подачу продувочного газа следует начинать после завершения выхода ПГС, что может быть определено по показаниям расходомера газа, устанавливаемого на выходе из системы конденсации.
В течение всего времени разложения нагретого образца топлива и до практического прекращения газовыделения температура в пиролизере должна поддерживаться на заданном уровне, а выключение нагрева производится после завершения продувки азотом.
Подача продувочного газа производится в горячую аппаратуру, благодаря чему подаваемый газ будет нагреваться от стенок аппаратов и его предварительного подогрева не потребуется.
Расход подаваемого азота должен регулироваться по показаниям расходомера газа системы конденсации с помощью вентиля на баллоне.
Температура в аппаратах после подачи азота незначительно снизится, что будет видно по показаниям приборов замера температуры термопар 14.
После завершения процесса продувки аппаратуры азотом пиролизер разгружают через разгрузочный патрубок 17. При необходимости используют мешалку 16.
УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ
ПЕРЕЧЕНЬ АППАРАТОВ И УЗЛОВ
1. Бункер топлива
2. Выпускной патрубок бункера
3. Клапан бункера
4. Электропечь двухсекционная
5. Камера нагрева твердого теплоносителя
6. Пиролизер
7. Загрузочный патрубок
8. Воронка камеры нагрева
9. Клапан камеры нагрева
10. Загрузочная воронка
11. Патрубок подачи топлива на смешение с теплоносителем
12. Зона смешения
13. Перегородки
14. Термопары
15. Патрубок вывода парогазовых продуктов пиролиза
16. Мешалка
17. Разгрузочный патрубок пиролизера
18. Запорное устройство
19. Клапанный шток
20. Пружина штока
21. Загрузочный патрубок топливного бункера
22. Пружина клапана 3.
23. 24. Патрубки подачи азота
25. Механический привод мешалки