УСТРОЙСТВО КОНВЕРСИИ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО

Предлагаемая полезная модель относится к использованию органических веществ, в частности низкосортных углей, торфа, органогенных отходов, в т.ч. древесных, в энергетике для получения газообразного моторного и печного топлива.
Известно устройство термической переработки материалов растительного происхождения, включающее герметичную 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 пиролизной переработки органических веществ, включающее топку, обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, причем в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, в верхней части реторты выполнено отверстие с примыкающими газоходами, устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а охлаждающей средой является вода, во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а нагреваемой средой являются газы рецикла, при этом устройство включает 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 (RU 84375, МПК С10В 53/02; F23G 5/00, прототип).
Главным недостатком этого устройства является то, что весь многостадийный физико-химический процесс переработки органических веществ в газообразное топливо осуществляется в одном аппарате-реторте плотного малоподвижного слоя. В верхней низкотемпературной части реторты происходит сушка высоковлажных частиц и карбонизация. При карбонизации выделяются как неконденсирующиеся газы, так и конденсирующиеся пары смолистых веществ. При этом последние под действием конвективных токов поднимаются вверх (особенно в пристенной области) и конденсируются на еще не прогретых частицах вследствие их высокой исходной влажности, склеивая их, что затрудняет фильтрацию газов в нижнюю часть реторты. По этой причине возникает вероятность аварийной ситуации под известным специалистам названием "козел".
Недостатком этого устройства является также наличие участка приготовления высоковлажного материала, тогда как самые распространенные органические материалы, такие как древесная щепа, торф, органика твердых бытовых отходов и др.уже имеют влажность, достаточную для полной газификации угольного остатка.
Еще одним недостатком прототипа является недостаточно высокая степень конверсии энергии исходного сырья в энергию газа, направляемого потребителю, т.к. теплота отходящих из системы обогрева газов не используется внутри устройства.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу предотвращения склевания частиц и закупорки слоя, ликвидации участка приготовления материала с необходимой влажностью и повышения степени преобразования энергии исходного сырья в энергию газа, направляемого потребителю.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве конверсии влажных гранулированных органических веществ в газообразное топливо, 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, в верхней части реторты выполнено отверстие с примыкающими газоходами, при этом устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а охлаждающей средой является вода, во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а нагреваемой средой являются газы рецикла, устройство 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, причем устройство включает сушилку для подсушивания исходных веществ за счет теплоты отходящих из обогревательной камеры газов, а также карбонизатор для карбонизации подсушенных гранулированных веществ, соединенный с ретортой, в котором происходит нагрев твердого материала за счет теплоты газов рецикла, нагретых во втором теплообменнике, водяной пар, полученный в первом теплообменнике, подается в реторту по газоходам, примыкающим к отверстию в верхней части реторты, а карбонизатор выполнен в виде параллелепипеда с наклонной газопроницаемой решеткой локально псевдоожиженного слоя, по которой движется карбонизируемый материал по направлению к реторте через вертикальную перегородку, определяющую высоту слоя.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1. В качестве примера гранулированного органического вещества, не ограничивающего сущность полезной модели, принята древесная щепа с исходной влажностью 40%. Расходные и температурные показатели газо-материальных потоков указаны на схеме из расчета материальных и тепловых балансов. Для других исходных органических веществ, отличающихся от древесной щепы содержанием элементов в горючей массе и исходной влажностью, эти показатели будут другими.
Устройство содержит расходный бункер 1, сушилку 2 с газоплотным шлюзовым затвором 3, карбонизатор 4 с наклонной газопроницаемой решеткой 5 и вертикальной перегородкой 6, вертикальную реторту 7 с днищем 8 и отверстиями 9 и 10 ввода перегретого пара и вывода топливных газов соответственно, обогревательную камеру 11, заключенную в теплоизоляционную оболочку 12, топку 13, емкость золы 14 с теплообменником 15 и газоплотным шлюзовым затвором 16, теплообменник 17 нагрева газов рецикла, теплообменник-парогенератор 18, теплообменник 19 нагрева воздуха, подающегося в топку, газодувку 20, смеситель 21, вентилятор 22, фильтр-пылеуловитель 23. Для целей автономного обеспечения электроэнергией устанавливается газовый дизель 24 с электрогенератором. Устройство снабжено запорно-регулирующей арматурой.
2
2
2
Устройство работает следующим образом. Из сушилки 1 подсушенный гранулированный материал, например, древесная щепа с влажностью 8-12% подается через газоплотный шлюзовой затвор 3 в карбонизатор 4. В карбонизаторе твердый материал нагревается до 400-450°С за счет теплоты газов рецикла, нагреваемых в теплообменнике 17. Газы рецикла подаются под газопроницаемую решетку 5. Решетка представляет собой набор наклонных пластин, установленных друг под другом с зазором между ними по вертикали 3-5 мм. В плане пластины перекрывают друг друга на 10-15 мм. Греющие газы рецикла, проходят по зазорам между пластинами и локально псевдоожижают слой нагреваемых частиц. Таким образом, происходит движение частиц в сторону реторты, их перемешивание с нарушением кинематических контактов, чем полностью предотвращается слипание частиц при выделении смолистых веществ. В карбонизаторе происходит выделение остаточной физически и химически связанной влаги, неконденсирующихся газов и конденсирующихся паров высокомолекулярных соединений. Твердый карбонизат пересыпается через вертикальную перегородку 6 и поступает в реторту 7 вместе с газопаровой фазой. Реторта 7 обогревается продуктами сгорания части получаемых пиролизных газов, движущимися снизу вверх по каналам обогревательной камеры 11, заключенной в теплоизоляционную оболочку 12. Продукты сгорания генерируются в топке 13. По мере движения по реторте сверху вниз материал последовательно проходит стадию экзотермических реакций образования и конденсации полиядерных ароматических соединений с образованием структуры полукокса и кокса в диапазоне 500-750°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. В этой зоне происходит практически полное «выгорание» углерода кокса в основном по реакциям С+НО→СО+Н и С+СО→2СО. Для обеспечение наибольшей полноты реакции газификации углерода в реторту через отверстие 9 вводится перегретый водяной пар, генерируемый в теплообменнике-парогенераторе 18. Греющей средой в теплообменниках 17 и 18 являются получаемые в результате конверсии пиролизные газы, которые выводятся из реторты через отверстие 10.
Максимальная температура материала и выходящих из реторты газов ограничивается температурой размягчения золы. Охлажденные в теплообменнике 19 пиролизные газы нагнетаются газодувкой 20 в линии подачи газов рецикла в теплообменник 17, в топку 13 и внешнему потребителю, например, в газовый дизель 24. На этих линиях устанавливается регулирующая арматура. Для интенсификации теплопередачи от греющих газов камеры обогрева движущемуся в реторте материалу каналы обогрева камеры 11 могут быть заполнены частицами огнеупорного материала. Для сокращения расхода топлива в топку 13 и обеспечения работоспособности газоплотного затвора 16, внутри емкости 14, в которую ссыпается зола через днище 8 с отверстиями, установлен теплообменник 15, в котором охлаждается зола и подогревается воздух для горения в топке 13.
Некоторые расчетные параметры установки конверсии древесной щепы исходной влажности 40% приведены ниже
ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИ
Расход исходной древесной щепы с влажностью 40%
30 кг/ч
Расход газов в топку системы обогрева
17,55 нм<sup>3</sup>/ч
Расход газов на газопоршневую машину
18,81 нм<sup>3</sup>/ч
КПД конверсии теплоты сгорания щепы в теплоту
сгорания газов у потребителя
0,7
Коэффициент преобразования тепловой энергии
в электрическую
0,3
Выходная электрическая мощность
16,8 кВт