СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ КОНДЕНСИРОВАННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА ПУТЕМ ГАЗИФИКАЦИИ
METHOD OF PROCESSING CONDENSED ORGANIC FUEL BY GASIFICATION

Изобретение относится к способам переработки конденсированных топлив, в том числе твердых горючих отходов, путем пиролиза и газификации горючих составляющих топлива в плотном слое и получения продуктов пиролиза и горючего газа.
Известен способ переработки конденсированного органического топлива путем газификации, включающий загрузку топлива в реактор, подачу в реактор газифицирующего агента, содержащего кислород, перемещение загруженного топлива вдоль оси реактора, вывод твердых продуктов переработки из реактора, вывод из реактора продуктов сушки, пиролиза, восстановления и горения в виде синтез-газа. При реализации способа газификацию проводят посредством последовательного пребывания топлива в зоне сушки, зоне пиролиза, зоне восстановления, зоне горения (окисления) и зоне охлаждения, а газовый поток фильтруют через слой загруженного топлива, путем его последовательного прохождения через зону охлаждения, зону горения, зону восстановления, зону пиролиза, зону нагревания и сушки. Также в реактор подают воду в зону горения и/или в зону охлаждения, где температура твердых продуктов переработки превышает 400°C. Процесс проводят во вращающемся вокруг своей оси реакторе, расположенном под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° (патент РФ №2376527, МПК F23G 5/027, F23G 5/20, заявл. 19.12.2007, опубл. 27.06.2009).
Также известен способ переработки конденсированного органического топлива путем газификации, включающий загрузку топлива в реактор, подачу в реактор газифицирующего агента, содержащего кислород, перемещение загруженного топлива вдоль оси реактора, вывод твердых продуктов переработки из реактора, вывод из реактора продуктов сушки, пиролиза, восстановления и горения в виде синтез-газа, при этом газификацию проводят посредством последовательного пребывания топлива в зоне сушки, зоне пиролиза, зоне восстановления, зоне горения (окисления) и зоне охлаждения. При выполнении способа газовый поток фильтруют через слой загруженного топлива, путем его последовательного прохождения через зону охлаждения, зону горения, зону восстановления, зону пиролиза, зону нагревания и сушки, при этом осуществляют стабилизацию процесса горения, производя вращение реактора вокруг оси, наклонной по отношению к горизонту под углом в пределах от 22 до 65° (патент РФ №2322641, МПК F23G 5/027, F23G 5/20, заявл. 02.05.2006, опубл.20.04.2008).
К недостаткам обоих способов относится низкая эффективность перемешивания и уплотнения топлива, находящегося в реакторе, т.к. между элементами топлива, как загружаемого, так и прогоревшего, при выгорании низкоплотных материалов образуются пустоты, которые не устраняются перемешиванием при равномерном вращении реактора, когда топливо в реакторе находится под постоянным воздействием ускорения одного направления. Заполнение пустот и уплотнение топлива происходит порциями несгоревшего материала, перемещение которого вдоль оси реактора происходит под действием силы тяжести топлива, что не может гарантировать его достаточного уплотнения. Кроме того, при равномерном вращении наклонного реактора, чем ближе к оси вращения, тем меньше крутящий момент отдельных элементов загрузки реактора, что не способствует обрушению пустотных структур и уплотнению и перемешиванию топлива.
Низкая эффективность перемешивания и уплотнения топлива ведет к неравномерности процесса горения, препятствует равномерному распространению зоны горения по оси реактора и стабилизации фронта горения, а также к неравномерному распределению инерта в зоне горения и прорыву через образующиеся прогары газов не до конца прореагировавшего топлива.
Кроме того, к недостаткам способа относится то, что при использовании топлива недостаточной проницаемости, в частности при переработке мелкодисперсных, жидких или пастообразных топлив, совместно с топливом в реактор необходимо загружать кусковой твердый негорючий материал, способствующий улучшению перемешивания материала в зонах горения и пиролиза, что усложняет способ.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение, является устранение вышеуказанных недостатков и повышение эффективности способа, а именно: организация зоны равномерного горения, стабилизация фронта горения вдоль всей оси реактора, обеспечение равномерного распределения инерта в зоне горения и исключение прорыва не до конца прореагировавших газов за счет повышения эффективности перемешивания топлива и его уплотнения не только за счет сил тяжести топлива, но и за счет наложения на топливо знакопеременных нагрузок через стенки реактора, увеличения скорости перемещения топлива в реакторе и сообщения таким образом ему дополнительной кинетической энергии, использования инерционных сил и снижения внутреннего трения между элементами топлива.
Кроме того, техническим результатом является упрощение способа за счет исключения операции по добавлению кускового негорючего материала для улучшения перемешивания.
Заявляемый технический результат достигается тем, что способ переработки конденсированного органического топлива путем газификации включает загрузку топлива в реактор, подачу в реактор газифицирующего агента, содержащего кислород, перемещение загруженного топлива вдоль оси реактора, вывод твердых продуктов переработки из реактора, вывод из реактора продуктов сушки, пиролиза, восстановления и горения в виде синтез-газа. Газификацию проводят посредством последовательного пребывания топлива в зоне сушки, зоне пиролиза, зоне восстановления, зоне горения (окисления) и зоне охлаждения, газовый поток фильтруют через слой загруженного топлива, путем его последовательного прохождения через зону охлаждения, зону горения, зону восстановления, зону пиролиза, зону нагревания и сушки, при этом осуществляют стабилизацию процесса горения.
Новым в заявляемом способе является то, что стабилизацию процесса горения осуществляют воздействием на реактор знакопеременных нагрузок.
Знакопеременные нагрузки могут быть созданы воздействием на реактор знакопеременной вибрации, акустическими колебаниями, динамическим реверсированием углового перемещения реактора.
Для большей эффективности реализации способа возможно использовать каждый вид знакопеременных нагрузок в сочетании с другими видами, а также их последовательным воздействием на реактор.
На прилагаемом чертеже схематично изображено устройство для реализации способа.
Реактор-газификатор 1 противоточной газификации в плотном слое топлива, имеющий продольную ось вращения, оборудован верхней шлюзовой камерой 2 смешения и подачи в реактор твердого топлива. После шлюзовой камеры 2 с двумя управляемыми задвижками 3 последовательно расположены камера 4 отбора дымовых газов (верхний отбор), часть реактора 1, имеющая возможность совершать угловые перемещения, условно поделенная на зоны сушки 5, пиролиза 6, восстановления 7, горения 8 и охлаждения 9.
Реактор 1 может быть выполнен цилиндрическим, коническим (на чертеже не показано), в виде многогранной призмы и т.д. Для обеспечения оптимальных характеристик процессов перемешивания топлива и его горения отношение диаметра к длине реактора выбирают из расчета 1:3. Реактор может быть установлен под различными углами к горизонту. Оптимальный угол наклона 45 градусов. Возможны и другие соотношения длины реактора 1 к его диаметру, а также иной угол его наклона. В необходимых случаях реактор 1 может быть установлен горизонтально.
Для создания знакопеременных нагрузок реактор может быть снабжен вибраторами 10, источником акустических колебаний 11, в качестве которого может быть использован акустический излучатель, реверсивным приводом 12 для углового перемещения реактора 1.
Способ реализуется следующим образом.
Топливо с размером грани (кубик) от 40 мм до 160 мм и инертный термостойкий материал, к примеру шамот или оксид алюминия, размером грани (диаметром) от 50 мм до 100 мм в виде полнотелых шаров, цилиндров или параллелепипедов. Загружают в реактор 1 через шлюзовую камеру 2. При сжигании пастообразных или жидких топлив (отходов) для обеспечения газопроницаемости предпочтительнее использовать инертный материал в виде пустотелых цилиндров, наружный диаметр которых примерно равен их длине размером от 50 мм до 80 мм, а внутренний диаметр выбирается из условия обеспечения механической прочности и не превышает одной трети наружного диаметра. Топливо в реакторе 1 проходит последовательно через зону сушки 5, зону пиролиза 6, зону восстановления 7, зону горения 8 и зону охлаждения 9.
Из камеры отбора 4 отбирают газы заданной температуры в диапазоне от 100 до 500 градусов по Цельсию. Кислород, содержащий газифицирующий агент, подают снизу реактора 1 навстречу (противоток) перемещаемому вниз топливу для отбора тепла от инертного материала и негорючей части топлива (золы).
Удаление негорючей части топлива (зола) и инерта осуществляют через нижнее шлюзовое устройство 13, также оборудованное двумя управляемыми задвижками 14.
Стабилизацию фронта горения - выравнивание температурного поля в объеме топлива, а также интенсивность и полноту сгорания горючих составляющих топлива обеспечивают воздействием на реактор знакопеременных нагрузок, которые можно создавать знакопеременной вибрацией, акустическими колебаниями, динамическим реверсированием вращения реактора.
Для воздействия на реактор 1 знакопеременной вибрацией используют поверхностные вибраторы 10, устанавливаемые на опоры подшипников вращения реактора 1 и/или сам реактор. Для лучшего перемещения сырого, липкого, мерзлого или сыпучего топлива целесообразно устанавливать стационарные или автономные вибраторы с направленными колебаниями, действующими с амплитудой в радиальном направлении к оси реактора.
На верхнюю шлюзовую камеру 2 и нижнее шлюзовое устройство 13 устанавливают вибраторы, работающие на частоте 3000 об/мин и выше с необходимым усилием от 5 до 20 кН. Вибрационные колебания заставляют частицы топлива сначала отрываться от нижележащего слоя, а затем падать, оказывая на него давление. Частицы топлива при этом самоустанавливаются, меняются участки контакта между ними, снижается трение, и происходит интенсивное уплотнение и перемешивание топлива.
Для создания знакопеременных нагрузок на реактор также возможно воздействовать акустическими излучателями 11 с частотой от 2 до 100 Гц, которые способствуют разрушению. Интенсивные акустические колебания и вибрация воздействуют на газодинамические характеристики (например, турбулентные) потока. Поэтому хотя они и не в состоянии изменять сам процесс химического превращения, однако влияют на сопровождающие его явления и тем самым - на сам режим горения.
Звуковая волна (акустический излучатель) распространяется в реакторе в том же направлении, в котором происходит смещение топлива, т.е. происходит последовательное разряжение и сжатие объема топлива, его уплотнение.
Знакопеременные нагрузки также создают динамическим реверсированием вращения реактора - угловыми поворотами реактора 1 в противоположных направлениях с резкими остановками в пределах от 60° до 180°, причем вторичный (противоположный, обратный) угол поворота вдвое или более превышает первоначальный.
При повороте реактора вокруг оси в одну сторону частицы топлива приобретают некоторую скорость. При резком изменении направления поворота реактора происходит смена траекторий и скоростей частиц топлива, гашение инерции движения частиц в (первоначальном) прежнем направлении и последовательное, от момента реверса реактора, торможение частиц топлива вдоль траектории первоначального движения. При этом реализуется гамма мгновенных силовых контактов (столкновений) частиц топлива, изменивших направление своего движения с частицами, продолжающими движение по траектории в первоначальном направлении. От момента изменения направления поворота реактора до момента установления нового состояния топлива происходит наиболее интенсивное уплотнение топлива за счет оказания давления поджатием с его одновременным перемешиванием, частицы топлива при этом самоустанавливаются, меняются участки контакта между ними.
Для интенсификации и стабилизации процесса горения возможно создание знакопеременных нагрузок сразу несколькими способами, например в дополнение к вибрации можно воздействовать на реактор 1 акустическими колебаниями, что особенно актуально в приосевой зоне реактора 1, что практически невозможно сделать при равномерном вращении, особенно при больших диаметрах реактора.
Воздействие на топливо в реакторе знакопеременными нагрузками приводит к тому, что обрушение топлива и заполнение пустот происходит не только под действием его собственного веса, но и с помощью дополнительной кинетической энергии, сообщенной топливу с помощью знакопеременных нагрузок, создающих в реакторе колебательный процесс, при котором скорость движения топлива в реакторе увеличивается.
В колеблющихся потоках также происходит существенное ускорение различных тепломассообменных процессов, увеличение теплонапряженности топочного объема, улучшение полноты сгорания топлива по сравнению с равномерным, устойчивым режимом горения.
При динамическом реверсировании вращения реактора - знакопеременных угловых перемещениях реактора с резкими остановками - также используется эффект инерционности топлива и инерта (шамота), что способствует уплотнению топлива в реакторе и заполнению пустот.
Воздействие на реактор знакопеременными нагрузками дает стабилизацию и равномерность фронта горения за счет улучшения перемешивания топлива и инерта, обрушения куполоподобных структур, образующихся за счет неравномерного выгорания топлива (локальные участки или куски с разной плотностью, горючестью или влажностью).
Кроме того, при воздействии на топливо в реакторе знакопеременными нагрузками можно, например, изменить форму факела, повысить градиенты температур в зоне горения и тем самым увеличить теплоотдачу от факела к тепловоспринимающим поверхностям, до некоторой степени увеличить скорость горения.