УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА И УСТАНОВКА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ/ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, В КОТОРОЙ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ УКАЗАННОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE AND METHOD OF PLASMA GASIFICATION OF A CARBON-CONTAINING MATERIAL AND UNIT FOR GENERATION OF THERMAL/ELECTRIC ENERGY IN WHICH THE DEVICE IS USED

Область техники
2
Настоящее изобретение относится к области переработки твердых коммунальных и промышленных отходов, отходов древесины и получения из этого сырья искусственного горючего газа, состоящего из смеси СО и Н. Изобретение может использоваться для утилизации твердых коммунальных и промышленных отходов, также на предприятиях энергетической отрасли для получения тепловой или электрической энергии и для производства жидкого топлива или водорода.
Предшествующий уровень техники
Сегодня переработка отходов является одной из самых острых проблем экологии. С каждым годом человек потребляет все больше продуктов, увеличиваются темпы производства, соответственно, растет общее количество отходов. Постоянно возрастает уровень загрязненности современных городов, а утилизация реализуется в основном путем вывоза мусора на полигоны. На этих территориях он просто лежит, что приводит к переполнению полигонов и необходимости выделения под них все новых и новых площадей, выделению парниковых газов, загрязнению грунтовых вод. В среднем по Европе: 40% отходов подлежит захоронению, 40% вторичному использованию для производства новой продукции и 20% перерабатывают в энергию.
В настоящее время разрабатываются различные технологии переработки отходов. Среди всех технологий переработки, помимо захоронения, можно выделить:
- рециклинг или полезное использование, который обладает ограниченной применимостью к смешанным отходам и требует наличия перерабатывающих предприятий в радиусе рентабельности транспортировки;
- сжигание, что наносит колоссальный вред экологии;
- низкотемпературный пиролиз, который характеризуется отсутствием выброса вредных веществ в атмосферу и образованием большого количества тепла, которое можно использовать для получения электрической и тепловой энергии;
- плазменная переработка, которая не подразумевает жестких требований к исходному сырью, соответственно утилизировать можно даже неотсортированное сырье.
Пиролиз обеспечивает возможность добыть жидкое и газовое топливо. Плазменная утилизация на данный момент является наиболее современным способом утилизации.
Известен способ получения генераторного газа и газогенератор обращенного процесса газификации для осуществления этого способа (см., например, RU 2647309 С1, опубликован 15.03.2018). В патенте раскрыт способ газификации твердых топлив, предназначенный для получения генераторного газа, генерации электрической и тепловой энергии с дополнительным производством СЖТ, метанола и прочих химических продуктов из подготовленного низкосортного твердого топлива. Способ получения генераторного газа осуществляют за счет разделения процесса на три зоны горения и раздельной подачи воздуха по этим зонам, причем процесс газификации осуществляют в автотермическом режиме под давлением от атмосферного до 3,0 МПа, а воздух, подаваемый в третью зону, смешивают с паром. Газогенератор обращенного процесса газификации включает в себя топливный бункер, колосниковую решетку, систему раздельной подачи воздуха по всем зонам и состоит из двух блоков, основного и вынесенного. Основной блок содержит систему подачи воздуха в первую зону горения - зону пиролиза топлива, фурмы сбора и отвода пиролизных газов из нижней части верхнего цилиндрического канала, фурмы сбора и отвода генераторного газа, расположенные в нижней части зоны газификации полукокса, и зольный канал, заканчивающийся колосниковой решеткой. Вынесенный блок выполнен в виде сосуда, состоящего из камеры сгорания и конвективной камеры, а также горелки.
Указанный способ позволяет получать газ из низкосортных топлив, однако в случае его применения для газификации коммунальных и промышленных отходов не решает вопрос об экологической безопасности зольного остатка, который по содержащимся в нем компонентам может быть отнесен к третьему, а в некоторых случаях и ко второму классу опасности.
В качестве ближайшего технического решения рассматривается РЕАКТОР ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ СЛОЯМИ И ПОНИЖЕННОЙ ПОТРЕБНОСТЬЮ В КОКСЕ (см., например, RU 2581092 C1, опубликован 10.04.2016. Реактор плазменного газификации содержит реакционный сосуд, содержащий углеродсодержащий слой и имеющий одну или несколько плазменных горелок для создания повышенной температуры внутри слоя, реакционный сосуд, имеющий одно или несколько впускных отверстий для загружаемого материала над слоем для закладки перерабатываемого материала снаружи сосуда на слой, одно или несколько газоотводящих отверстий над слоем для выхода газообразных продуктов из сосуда и одно или несколько отверстий для шлака на дне слоя для выхода расплавленного шлака и металлов из сосуда. Внутри реакционного сосуда находится углеродсодержащий слой, содержащий массу частиц, которые содержат углерод и имеют различный размер и форму, оставляющие пустоты между частицами, и с прочностью частиц, достаточной для сохранения пустот между частицами под давлением перерабатываемого материала на слой. Масса частиц, содержащих углерод, имеет по меньшей мере 25% содержания углерода в частицах, отличных от кокса, выбранных из группы, состоящей из деревянных брусков из природной древесины, блоков, содержащих углеродсодержащую пыль и одно или несколько связующих веществ, и их смесей. Способ формирования и поддержания углеродсодержащего слоя с компонентами, заменяющими кокс, включает формирование некоторого числа некоксовых компонентов, формирование первоначального углеродсодержащего слоя количеством частиц кокса, осуществление процесса пиролиза с углеродсодержащим слоем и восполнение углеродного материала в процессе пиролиза.
В указанном реакторе реализуется прямой процесс плазменной газификации с жидким шлакоудалением, и он может быть использован для газификации твердых коммунальных и промышленных отходов, однако для прямого процесса газификации характерно наличие в составе генераторного газа большого количества воды и смолистых компонентов, которые образуются в зоне пиролиза и сушки и уносятся с восходящим потоком реакционных газов. Это приводит к необходимости использования дополнительных систем очистки и утилизации уловленных смолистых компонентов, которые в случае переработки отходов могут представлять из себя весьма опасные соединения.
Краткое изложение существа изобретения
В основу настоящего изобретения поставлена задача создания устройства плазменной газификации углеродсодержащего материала, конструкция которого обеспечит полную и экологически чистую переработку твердых коммунальных и промышленных отходов в полезные продукты: вторсырье, электроэнергию, тепло, безопасные строительные материалы.
Другой задачей настоящего изобретения является создание способа плазменной газификации углеродсодержащего материала в устройстве плазменной газификации, который обеспечит полную и экологически чистую переработку твердых коммунальных и промышленных отходов в полезные продукты: вторсырье, электроэнергию, тепло, безопасные строительные материалы.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание установки для генерирования тепловой/электрической энергии, в которой используется устройство плазменной газификации углеродсодержащего материала, которая обеспечит полную и экологически чистую переработку твердых коммунальных и промышленных отходов и получение тепла и электроэнергии.
Полная переработка обеспечивается по следующим критериям:
- полностью газифицировать (преобразовать из твёрдого состояния в газообразное) всю (более 99,9%) органическую (горючую) составляющую отходов;
- разложить все сложные органические соединения (полициклические, ароматические и пр.) с получением простых термодинамически стабильных веществ: CO, CO2, H2, H2O и др.;
- довести минеральную (не горючую) составляющую отходов до температур плавления.
Экологическая чистота переработки обеспечивается по следующим критериям:
- вторсырьё — может быть реализовано на рынке вторсырья;
- горючий сингаз — может быть использован для производства тепла, электричества, продуктов оргсинтеза;
- оплавленный и остеклованный минеральный остаток — может быть использован в строительстве и ландшафтном дизайне.
Поставленная задача решена путем создания устройства плазменной газификации углеродсодержащего материала, которое содержит:
реакционный сосуд, имеющий корпус, крышку и донную часть,
при этом внутренняя полость реакционного сосуда содержит последовательно расположенные, начиная со стороны крышки:
- зону ввода углеродсодержащего материала, его сушки и пиролиза,
- основную зону высокотемпературного окисления,
- основную зону восстановления газообразных продуктов окисления из основной зоны высокотемпературного окисления,
- зону вывода газообразных продуктов реакции,
- дополнительную зону восстановления,
- дополнительную зону высокотемпературного окисления,
- зону вывода расплавленных твердых продуктов реакции,
по меньшей мере одно отверстие для загрузки углеродсодержащего материала в реакционный сосуд, расположенное в зоне ввода углеродсодержащего материала,
по меньшей мере одну плазменную горелку, установленную в отверстии в стенке реакционного сосуда в основной зоне высокотемпературного окисления,
по меньшей мере одно отверстие для ввода окислителя, расположенное в стенке реакционного сосуда в основной зоне высокотемпературного окисления,
по меньшей мере одно отверстие для вывода газообразных продуктов реакции, расположенное в стенке реакционного сосуда в зоне вывода газообразных продуктов реакции,
средство обеспечения разности давлений между зонами высокотемпературного окисления и зоной вывода газообразных продуктов реакции, установленное на выходе из зоны вывода газообразных продуктов реакции и/или на входе в зоны высокотемпературного окисления,
при этом донная часть имеет форму, сопрягающуюся с формой дополнительной зоны восстановления, и содержит
по меньшей мере одно отверстие для выгрузки расплавленных остаточных твердых продуктов реакции, и
по меньшей мере одну плазменную горелку, установленную в отверстии у основания донной части реакционного сосуда в дополнительной зоне окисления в непосредственной близости от отверстия для выгрузки расплавленных остаточных твердых продуктов реакции.
Предпочтительно устройство предназначено для плазменной газификации брикетированного/кускового углеродсодержащего материала.
Предпочтительно корпус реакционного сосуда имеет форму, выбранную из группы, состоящей из цилиндра, конуса, параллелепипеда, призмы, пирамиды, эллипсоида или сферы.
Предпочтительно отверстие для загрузки углеродсодержащего материала выполнено в крышке реакционного сосуда или в стенке реакционного сосуда.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит шлюзовую камеру, установленную на отверстии для загрузки углеродсодержащего материала, сконфигурированную для непрерывной/периодической подачи углеродсодержащего материала в реакционный сосуд и исключения прохода реакционных газов из реакционного сосуда наружу, и снабженную средством, обеспечивающим автоматическую загрузку углеродсодержащего материала.
Предпочтительно устройство дополнительно содержит средство подачи окислителя в зоны высокотемпературного окисления через плазменные горелки, сконфигурированное таким образом, чтобы поддерживать соотношение между окислителем, подаваемым в основную и дополнительную зоны высокотемпературного окисления в соотношении (5-8):1, соответственно.
Предпочтительно в качестве плазменной горелки, установленной в стенке реакционного сосуда в основной и/или дополнительной зоне высокотемпературного окисления, использована плазменная горелка, выбранная из группы, состоящей из плазменной горелки переменного тока однофазной, плазменной горелки переменного тока трехфазной, плазменной горелки постоянного тока, плазменной горелки высокочастотной, плазменной горелки микроволновой.
Предпочтительно, чтобы плазменные горелки в основной и дополнительной зонах высокотемпературного окисления были равномерно распределены по периметру корпуса реакционного сосуда.
Предпочтительно, чтобы в качестве брикетированного/кускового углеродсодержащего материала использовались материалы из группы, состоящей из переработанных твердых коммунальных отходов, промышленных отходов, отходов сельского хозяйства, битумных песков, сланцев, торфа, лигнита, бурого угля, каменного угля.
Предпочтительно, чтобы корпус реакционного сосуда содержал футеровку.
Предпочтительно, чтобы в футеровке в основной и/или дополнительной зоне высокотемпературного окисления был выполнен кольцевой канал, сообщающийся с трубопроводом подачи окислителя через отверстие для ввода окислителя в стенке реакционного сосуда, и сконфигурированный для смешивания плазмы от плазменной горелки с окислителем и подачи в полость реакционного сосуда через множество радиальных отверстий, выполненных в футеровке и сообщающихся с кольцевым каналом.
Предпочтительно, чтобы форма и размер указанных радиальных отверстий выбраны так, что обеспечивается поступление разогретого плазмой окислителя в толщу углеродсодержащего материала.
Предпочтительно, чтобы футеровка содержала дополнительный кольцевой канал в зоне вывода газообразных продуктов реакции, сообщающийся с полостью реакционного сосуда посредством множества радиальных отверстий, выполненных в футеровке и предназначенных для вывода газообразных продуктов реакции из толщи углеродсодержащего твердого материала.
Предпочтительно, чтобы форма и размер радиальных отверстий были выбраны так, что обеспечивается минимизация уноса частиц перерабатываемого углеродсодержащего твердого материала из полости реакционного сосуда.
Предпочтительно, чтобы устройство плазменной газификации содержало систему управления, которая содержит контроллер, ко входам которого подключены: датчик уровня углеродсодержащего материала в реакционном сосуде, датчики давления в основной и дополнительной зонах высокотемпературного окисления и на выходе зоны вывода газообразных продуктов реакции, датчик состава газообразных продуктов реакции, датчики расхода плазмообразующего газа, подаваемого в плазменные горелки в основной и дополнительной зонах окисления, датчик расхода окислителя, датчики температуры в основной и дополнительной зонах восстановления и газообразных продуктов реакции, при этом выходы контроллера связаны с регуляторами расхода плазмообразующего газа, подаваемого в плазменные горелки в основной и дополнительной зонах окисления, с регулятором расхода окислителя, и с устройством автоматической загрузки углеродсодержащего материала.
Поставленная задача решена путем создания способа плазменной газификации углеродсодержащего материала в устройстве плазменной газификации по п. 1, содержащего этапы, на которых
загружают углеродсодержащий материал в полость реакционного сосуда,
осуществляют подачу окислителя в основную и дополнительную зоны высокотемпературного окисления в соотношении (5-8):1,
осуществляют включение плазменных грелок в основной и дополнительной зонах окисления,
осуществляют обращенный процесс плазменной газификации в основной зоне окисления и основной зоне восстановления, при этом углеродсодержащий материал опускается в реакционном сосуде к донной части и подвергается постепенному нагреву при отсутствии свободного кислорода, сушке и пиролизу за счет тепла, поступающего от нижних слоев материала и от стенок реакционного сосуда, освобождаясь от летучих веществ и воды, и образовавшиеся газообразные продукты пиролиза также перемещаются к донной части, благодаря создаваемой разности давлений на выходе из зоны вывода газообразных продуктов реакции,
обеспечивают окисление газообразных продуктов пиролиза в зоне высокотемпературного окисления в атмосфере подаваемого окислителя,
обеспечивают разогрев до высоких температур и частичное окисление твердых продуктов пиролиза углеродсодержащего материала в атмосфере подаваемого окислителя,
при перемещении продуктов реакции в зону восстановления обеспечивают восстановление газообразных продуктов сгорания газообразных и твердых продуктов пиролиза углеродсодержащего материала, поступающих из основной зоны окисления, которые поступают в зону вывода газообразных продуктов реакции,
2
осуществляют вывод газообразных продуктов реакции, полученных в результате обращенного процесса газификации и представляющих собой горючий газ, содержащий оксид углерода CO и водород H,
на основе данных о составе газообразных продуктов газификации осуществляют регулирование подачи окислителя в основную и дополнительные зоны окисления и через плазменные горелки таким образом, чтобы обеспечить заданный состав газообразных продуктов газификации,
поддерживают разность давлений между зонами окисления и зоной вывода газообразных продуктов реакции, обеспечивающую выход газообразных продуктов из реакционного сосуда,
одновременно осуществляют процесс прямой газификации в дополнительной зоне высокотемпературного окисления и дополнительной зоне восстановления, при этом
обеспечивают окисление остатков твердых продуктов пиролиза в дополнительной зоне окисления в донной части реакционного сосуда в атмосфере подаваемого окислителя,
при перемещении газообразных продуктов сгорания от донной части к зоне вывода газообразных продуктов реакции, благодаря создаваемой разности давлений, обеспечивают восстановление газообразных продуктов сгорания, при взаимодействии с горячими твердыми продуктами пиролиза углеродсодержащего материала, поступающими сверху,
2.
осуществляют вывод дополнительных газообразных продуктов реакции, полученных в результате прямого процесса газификации и представляющих собой горючий газ, содержащий оксид углерода CO и водород H
Предпочтительно, чтобы дополнительно осуществляли плавление золы перерабатываемого материала с образованием жидкого текучего шлака за счет тепловой энергии от плазменных горелок, расположенных у основания донной части реакционного сосуда, и от экзотермических реакций горения твердых продуктов пиролиза,
собирали и выводили жидкий шлак через отверстие в донной части реакционного сосуда.
Предпочтительно, чтобы в качестве углеродсодержащего материала использовали брикетированный/кусковой углеродсодержащий материал.
Предпочтительно, чтобы в качестве окислителя использовали воздух или кислород.
Предпочтительно, чтобы в качестве плазмообразующего газа использовали газ, выбранный из группы, состоящей из воздуха, водяного пара, диоксида углерода, азота, аргона, гелия.
Предпочтительно, чтобы загрузку углеродсодержащего материала в полость реакционного сосуда осуществляли через отверстие в крышке или через отверстие в стенке реакционного сосуда.
Предпочтительно, чтобы поддерживали разрежение на выходе газообразных продуктов из реакционного сосуда в пределах -0,20 ± 0,10 кПа.
Предпочтительно, чтобы загрузку брикетов/кусков углеродсодержащего материала в реакционный сосуд осуществляли непрерывно или периодически.
Предпочтительно, чтобы в качестве брикетированного/кускового углеродсодержащего материала использовали материалы из группы, состоящей из переработанных твердых коммунальных отходов, промышленных отходов, отходов сельского хозяйства, битумных песков, сланцев, торфа, лигнита, бурого угля, каменного угля.
Предпочтительно, чтобы перед подачей в зону окисления осуществляли нагрев окислителя до температуры 60-400°С.
Поставленная задача решена путем создания установки для генерирования тепловой/электрической энергии, в которой используется устройство плазменной газификации углеродсодержащего материала по п. 1, содержащей
узел подготовки топлива для последующей газификации, сконфигурированный для сушки, брикетирования/измельчения углеродсодержащего материала,
устройство плазменной газификации по п. 1, связанное с узлом подготовки топлива и сконфигурированное для получения горючего газа из углеродсодержащего материала путем обращенного и прямого процесса газификации,
узел охлаждения, очистки и сбора горючего газа, полученного в устройстве плазменной газификации,
узел сжигания горючего газа, полученного из узла охлаждения, и выработки тепловой энергии,
узел преобразования полученной тепловой энергии в электрическую энергию.
Предпочтительно, чтобы узел подготовки топлива для последующей газификации содержал измельчитель, барабанную сушилку и шредер-гранулятор для формирования брикетов цилиндрической формы из подготовленных твердых коммунальных отходов, промышленных отходов, отходов сельского хозяйства, торфа, лигнита.
Предпочтительно, чтобы узел сжигания горючего газа для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию содержал камеру сгорания, котел-утилизатор и паровую турбину с электрогенератором.
Предпочтительно, чтобы для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию использовалась газовая турбина.
Предпочтительно, чтобы для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию использовались газовая турбина, котел-утилизатор и паровая турбина.
Технический эффект, достигаемый заявленным изобретением, состоит в создании устройства и наиболее полного и экологически чистого способа переработки твердых коммунальных и промышленных отходов, а также установки для наиболее полного и эффективного преобразования энергии, заключенной в отходах, в полезные виды энергии: электричество и тепло.
Заявленная конструкция устройства плазменной газификации углеродсодержащего материала позволяет реализовать способ плазменной газификации, который обеспечивает
- использование различных видов углеродсодержащего материала;
2
- реализацию экологически чистого способа переработки твердых коммунальных и промышленных отходов с получением газа с заданными характеристиками, т.е. с заданным соотношением СО/Н;
- повышение производительности устройства по сравнению с устройствами, имеющими аналогичный размер внутренней емкости;
- повышение КПД установки в целом за счет полной утилизации физического тепла генераторного газа.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схематично устройство плазменной газификации углеродсодержащего материала в разрезе с указанием реакционных зон, отверстие для загрузки расположено в крышке, согласно изобретению;
фиг. 2 изображает схематично устройство плазменной газификации углеродсодержащего материала в разрезе, отверстие для загрузки расположено в стенке реакционного сосуда, согласно изобретению;
фиг. 3 изображает схематично устройство плазменной газификации углеродсодержащего материала в разрезе, шлюзовая камера для подачи углеродсодержащего материала установлена над отверстием, выполненным в крышке, согласно изобретению;
фиг. 4 изображает схематично разрез по линии IV-IV на фиг. 1, согласно изобретению;
фиг. 5 изображает схему подключения датчиков системы управления работой устройства плазменной газификации, согласно изобретению;
фиг. 6 изображает схему установки для генерирования тепловой/электрической энергии, в которой для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию используется паровая турбина;
фиг. 7 изображает схему установки для генерирования тепловой/электрической энергии, в которой для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию используется газовая турбина, соединенная с электрогенератором, или дополнительно используется паровая турбина;
фиг. 8 изображает схему установки для генерирования тепловой/электрической энергии, в которой для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию используется когенерационная газопоршневая установка.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Устройство плазменной газификации углеродсодержащего материала, согласно изобретению, содержит реакционный сосуд 1 (фиг. 1), имеющий корпус 2, крышку 3 и донную часть 4.
Внутренняя полость реакционного сосуда 1 содержит последовательно расположенные, начиная со стороны крышки: зону 5 ввода углеродсодержащего материала, его сушки и пиролиза; основную зону 6 высокотемпературного окисления; основную зону 7 восстановления газообразных продуктов окисления из основной зоны высокотемпературного окисления; зону 8 вывода газообразных продуктов реакции; дополнительную зону 9 восстановления; дополнительную зону 10 высокотемпературного окисления и зону 11 вывода расплавленных твердых продуктов реакции.
Реакционный сосуд 1 содержит по меньшей мере одно отверстие для загрузки углеродсодержащего материала, которое расположено в зоне 5 ввода углеродсодержащего материала. На фиг. 1 показан вариант, когда одно отверстие 12 для загрузки углеродсодержащего материала в реакционный сосуд расположено в крышке 3, на фиг. 2 показан вариант, когда одно отверстие 13 для загрузки углеродсодержащего материала в реакционный сосуд 1 расположено в боковой стенке 14 реакционного сосуда 1.
Устройство содержит по меньшей мере одну плазменную горелку 15, установленную в отверстии 16 в боковой стенке 14 реакционного сосуда в основной зоне 6 высокотемпературного окисления. По меньшей мере одно отверстие 17 для ввода окислителя расположено в стенке реакционного сосуда в основной зоне 6 высокотемпературного окисления.
В стенке 14 реакционного сосуда в зоне 8 вывода газообразных продуктов реакции выполнено по меньшей мере одно отверстие 18 для вывода газообразных продуктов реакции.
Устройство содержит средство 19 обеспечения разности давлений между зонами 6, 10 высокотемпературного окисления и зоной 8 вывода газообразных продуктов реакции, установленное на выходе из зоны 8 вывода газообразных продуктов реакции и/или на входе в зоны 6, 10 высокотемпературного окисления.
Донная часть 4 имеет форму, сопрягающуюся с формой дополнительной зоны 9 восстановления, и содержит по меньшей мере одно отверстие 20 для выгрузки расплавленных остаточных твердых продуктов реакции, и по меньшей мере одну плазменную горелку 21, установленную в отверстии 22 у основания 23 донной части 4 реакционного сосуда в дополнительной зоне 10 окисления в непосредственной близости от отверстия 20 для выгрузки расплавленных остаточных твердых продуктов реакции.
Устройство сконфигурировано для плазменной газификации брикетированного/кускового углеродсодержащего материала 24.
Согласно изобретению, корпус 2 реакционного сосуда может иметь форму, выбранную из группы, состоящей из цилиндра, конуса, параллелепипеда, призмы, пирамиды, эллипсоида или сферы (не показаны).
На фиг. 1 показаны также дополнительные отверстия 25 для ввода окислителя, расположенные в стенке 14 реакционного сосуда в основной зоне 6 высокотемпературного окисления.
Устройство дополнительно содержит шлюзовую камеру 26 (фиг. 2), установленную на отверстии 13 для загрузки углеродсодержащего материала, сконфигурированную для непрерывной/периодической подачи углеродсодержащего материала 24 в реакционный сосуд 1 и исключения прохода реакционных газов из реакционного сосуда наружу. На фиг. 2 показан вариант, когда шлюзовая камера установлена в отверстии 13 на стенке 14 реакционного сосуда 1. Шлюзовая камера 26 снабжена средством 27, обеспечивающим автоматическую загрузку углеродсодержащего материала 24.
На фиг. 3 показан вариант, когда шлюзовая камера 26 для подачи углеродсодержащего материала установлена в канале над отверстием 12, выполненным в крышке 3, и снабжена автоматическими заслонками 27 для периодической подачи углеродсодержащего материала 24 в реакционный сосуд 1 и исключения прохода реакционных газов из реакционного сосуда 1 наружу.
Устройство дополнительно содержит средство 28 подачи окислителя в зоны высокотемпературного окисления через плазменные горелки, сконфигурированное таким образом, чтобы поддерживать соотношение между окислителем, подаваемым в основную 6 и дополнительную 10 зоны высокотемпературного окисления в соотношении (5-8):1, соответственно.
В качестве плазменных горелок 15, 21, установленных в стенке 14 реакционного сосуда в основной 6 и дополнительной зоне 10 высокотемпературного окисления использована плазменная горелка, выбранная из группы, состоящей из плазменной горелки переменного тока однофазной, плазменной горелки переменного тока трехфазной, плазменной горелки постоянного тока, плазменной горелки высокочастотной, плазменной горелки микроволновой.
Плазменные горелки 15, 21 в основной 6 и дополнительной 10 зонах высокотемпературного окисления равномерно распределены по периметру корпуса 14 реакционного сосуда. На фиг. 4 показан разрез по линии IV-IV на фиг. 1, где три плазменные горелки установлены под углом 120 град. по отношению друг к другу.
В качестве брикетированного/кускового углеродсодержащего материала 24 может быть использован материал, представляющий собой переработанные твердые коммунальные отходы, промышленные отходы, отходы сельского хозяйства, битумные пески, сланцы, торф, лигнит, бурый уголь и каменный уголь.
Корпус 2 реакционного сосуда содержит футеровку 29.
В футеровке 29 в основной 6 зоне высокотемпературного окисления выполнен кольцевой канал 30 (фиг. 4), сообщающийся с трубопроводом подачи окислителя через отверстия 17 для ввода окислителя в стенке 14 реакционного сосуда. Кольцевой канал 30 сконфигурирован для смешивания плазмы от плазменной горелки 15 с окислителем и подачи в полость реакционного сосуда через множество радиальных отверстий 25, выполненных в футеровке 29 и сообщающихся с кольцевым каналом 30.
Форма и размер указанных радиальных отверстий 25 выбраны так, что обеспечивается поступление разогретого плазмой окислителя в толщу углеродсодержащего материала 24.
В футеровке 29 выполнен дополнительный кольцевой канал 33 в зоне 8 вывода газообразных продуктов реакции, сообщающийся с полостью реакционного сосуда посредством множества радиальных отверстий 34, выполненных в футеровке 29 и предназначенных для вывода газообразных продуктов реакции из толщи углеродсодержащего твердого материала.
Форма и размер радиальных отверстий 34 выбраны так, что обеспечивается минимизация уноса частиц перерабатываемого углеродсодержащего твердого материала из полости реакционного сосуда.
Система управления работой устройства плазменной газификации содержит контроллер 35 (фиг.5), ко входам которого подключены датчик 36 уровня углеродсодержащего материала в реакционном сосуде, датчики 37 и 38 давления в основной 6 и дополнительной 10 зонах высокотемпературного окисления и датчик давления 39 на выходе зоны 8 вывода газообразных продуктов реакции, датчик 40 состава газообразных продуктов реакции, датчики 41, 42 расхода плазмообразующего газа, подаваемого в плазменные горелки в основной 6 и дополнительной 10 зонах окисления, датчик 43 расхода окислителя, датчики 44, 45 температуры в основной 7 и дополнительной 9 зонах восстановления и датчик 46 температуры газообразных продуктов реакции.
При этом выходы контроллера 35 связаны с регуляторами 47, 48 расхода плазмообразующего газа, подаваемого в плазменные горелки в основной 6 и дополнительной 10 зонах высокотемпературного окисления, с регулятором 49 расхода окислителя, и с устройством 50 автоматической загрузки углеродсодержащего материала.
Способ плазменной газификации углеродсодержащего материала в устройстве плазменной газификации осуществляется следующим образом.
Перед началом процесса загружают углеродсодержащий материал 24 в полость реакционного сосуда 1. Осуществляют подачу окислителя в основную 6 и дополнительную 10 зоны высокотемпературного окисления в соотношении (5-8):1 и осуществляют включение плазменных грелок 15, 21 в основной 6 и дополнительной 10 зонах окисления.
В основной зоне 6 высокотемпературного окисления и основной зоне 7 восстановления осуществляют обращенный процесс плазменной газификации, при этом углеродсодержащий материал 24 опускается в реакционном сосуде к донной части 4 и подвергается постепенному нагреву при отсутствии свободного кислорода, сушке и пиролизу за счет тепла, поступающего от нижних слоев материала и от стенок реакционного сосуда, освобождаясь от летучих веществ и воды, а образовавшиеся газообразные продукты пиролиза также перемещаются к донной части, благодаря создаваемой разности давлений на выходе из зоны 8 вывода газообразных продуктов реакции. Углеродсодержащий материал не загорается, т.к. в этой зоне отсутствует свободный кислород.
В зоне 6 высокотемпературного окисления в атмосфере подаваемого окислителя происходит окисление газообразных продуктов пиролиза. Одновременно происходит разогрев до высоких температур и частичное окисление твердых продуктов пиролиза углеродсодержащего материала в атмосфере подаваемого окислителя.
При перемещении продуктов реакции в зону 7 восстановления обеспечивают восстановление газообразных продуктов сгорания газообразных и твердых продуктов пиролиза углеродсодержащего материала, поступающих из основной зоны 6 высокотемпературного окисления, которые поступают в зону 8 вывода газообразных продуктов реакции.
2.
Осуществляют вывод газообразных продуктов реакции, полученных в результате обращенного процесса газификации и представляющих собой горючий газ, содержащий оксид углерода CO и водород H
По мере сгорания углеродсодержащего материала верхняя граница засыпки смещается вниз. В определенный момент срабатывает датчик, контролирующий положение верхнего уровня засыпки, и поступает сигнал на загрузку очередной порции углеродсодержащего материала. Таким образом обеспечивается квазинепрерывная загрузка.
Осуществляют регулирование подачи окислителя в основную и дополнительные зоны 6 и 10 высокотемпературного окисления и через плазменные горелки таким образом, чтобы обеспечить заданный состав газообразных продуктов газификации, например, обеспечивающий постоянную теплоту сгорания получаемого газа.
Поддерживают разность давлений между зонами 6, 10 высокотемпературного окисления и зоной 8 вывода газообразных продуктов реакции, обеспечивающую выход газообразных продуктов из реакционного сосуда 2.
Одновременно осуществляют процесс прямой газификации в дополнительной зоне 10 высокотемпературного окисления и дополнительной зоне восстановления 9, при этом происходит окисление остатков твердых продуктов пиролиза в дополнительной зоне 10 высокотемпературного окисления в донной части 4 реакционного сосуда в атмосфере подаваемого окислителя.
При перемещении газообразных продуктов сгорания от донной части к зоне 8 вывода газообразных продуктов реакции, благодаря создаваемой разности давлений, обеспечивают восстановление газообразных продуктов сгорания, при взаимодействии с горячими твердыми продуктами пиролиза углеродсодержащего материала, поступающими сверху.
2.
Выводят дополнительные газообразные продукты реакции, полученные в результате прямого процесса газификации и представляющие собой горючий газ, содержащий оксид углерода CO и водород H
Дополнительно осуществляют плавление золы перерабатываемого материала с образованием жидкого текучего шлака за счет тепловой энергии от плазменных горелок 21, расположенных у основания донной части 4 реакционного сосуда, и от экзотермических реакций горения твердых продуктов пиролиза. Собирают и выводят жидкий шлак через отверстие 20 в донной части реакционного сосуда.
Как указано выше, в качестве углеродсодержащего материала 24 используют брикетированный/кусковой углеродсодержащий материал. В качестве окислителя используют воздух или кислород.
В качестве плазмообразующего газа используют газ, выбранный из группы, состоящей из воздуха, водяного пара, диоксида углерода, азота, аргона, гелия.
Загрузку углеродсодержащего материала 24 в полость реакционного сосуда осуществляют через отверстие 12 в крышке 3 или через отверстие 13 в стенке 14 реакционного сосуда.
При осуществлении способа поддерживают разрежение на выходе 18 газообразных продуктов из реакционного сосуда 1 в пределах -0,20 ± 0,10 кПа. Загрузку брикетов/кусков углеродсодержащего материала 24 в реакционный сосуд осуществляют непрерывно или периодически.
Как указано выше, в качестве брикетированного/кускового углеродсодержащего материала используют материалы из группы, состоящей из переработанных твердых коммунальных отходов, промышленных отходов, отходов сельского хозяйства, битумных песков, сланцев, торфа, лигнита, бурого угля, каменного угля.
Перед подачей в зону окисления предпочтительно окислитель нагревают до температуры 60-400°С и выше.
Таким образом в верхней части реакционного сосуда 1 реализован обращенный процесс газификации - углеродсодержащий материал и газ двигаются прямотоком. На выходе из основной зоны восстановления получается два потока: быстрый поток газообразных продуктов реакций и медленный поток раскаленных твердых компонентов, содержащих кокс и минеральную составляющую углеродсодержащего материала.
В дополнительной зоне высокотемпературного окисления этот материал сталкивается с газообразным потоком, поступающим снизу от нижних генераторов плазмы. Этот газообразный поток представляет собой продукты окончательного сгорания кокса и следов органики углеродсодержащего материала, которые добрались до дополнительной зоны окисления. Эти продукты - горячий кокс и продукты сгорания попадают в дополнительную зону восстановления.
Таким образом в нижней части газификатора реализуется прямой процесс газификации - углеродсодержащий материал и газ двигаются противотоком.
В дополнительной зоне высокотемпературного окисления, за счет энергии поступающей от плазменных горелок и энергии сгорания остатков кокса, происходит нагрев минеральной составляющей до температур плавления. Полученный таким образом жидкий шлак вытекает через специальные отверстия.
Согласно изобретению, предложена также установка 51 (фиг. 6) для генерирования тепловой/электрической энергии, в которой используется устройство 1 плазменной газификации углеродсодержащего материала. Установка содержит узел 52 подготовки топлива для последующей газификации, сконфигурированный для сушки, брикетирования/измельчения углеродсодержащего материала, и устройство 1 плазменной газификации, связанное с узлом 52 подготовки топлива и сконфигурированное для получения горючего газа из углеродсодержащего материала путем обращенного и прямого процесса газификации.
Установка содержит также узел 53 охлаждения, очистки и сбора горючего газа, полученного в устройстве 1 плазменной газификации, узел 54 сжигания полученного из узла 53 охлаждения горючего газа и выработки тепловой и электрической энергии.
Узел 52 подготовки топлива для последующей газификации содержит измельчитель 55, барабанную сушилку 56 и шредер-гранулятор 57 для формирования брикетов цилиндрической формы из подготовленных твердых коммунальных отходов, промышленных отходов, отходов сельского хозяйства, торфа, лигнита.
Узел 53 охлаждения, очистки и сбора горючего газа содержит скоростной теплообменник 58, горячий циклон 59 и аппарат 60 для отделения пыли, кислых газов и прочих примесей.
Узел 54 сжигания горючего газа для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию содержит камеру 61 сгорания, котел-утилизатор 62 и паровую турбину 63 с электрогенератором 64.
Возможен вариант выполнения (фиг. 7), в котором в установке 65 для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию используется газовая турбина, соединенная с электрогенератором.
Установка 65 содержит узел 52 подготовки топлива для последующей газификации, сконфигурированный для сушки, брикетирования/измельчения углеродсодержащего материала, устройство 1 плазменной газификации, узел 53 охлаждения, очистки и сбора горючего газа и узел 67 сжигания горючего газа и выработки тепловой энергии.
Узел 52 подготовки топлива для последующей газификации содержит измельчитель 55, барабанную сушилку 56 и шредер-гранулятор 57 для формирования брикетов цилиндрической формы из подготовленных твердых коммунальных отходов, промышленных отходов, отходов сельского хозяйства, торфа, лигнита.
Узел 53 охлаждения, очистки и сбора горючего газа содержит скоростной теплообменник 58, горячий циклон 59 и аппарат 60, для отделения пыли, кислых газов и прочих примесей.
Узел 67 сжигания горючего газа для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию содержит компрессор 70, газгольдер 71 и газовую турбину 72, соединенную с электрогенератором 73.
Возможен вариант выполнения, в котором в установке 65 для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию дополнительно используется паровая турбина.
В этом варианте выполнения установки 65 (фиг. 7) выход газовой турбины 72 соединен через котел-утилизатор 74 с паровой турбиной 75, соединенной с электрогенератором 76.
Возможен вариант выполнения (фиг. 8), в котором в установке 77 для преобразования энергии сгорания полученного горючего газа в тепловую и электрическую энергию используется когенерационная газопоршневая установка 78. Установка 77 содержит узел 52 подготовки топлива для последующей газификации, узел 53 охлаждения, очистки и сбора горючего газа и когенерационную газопоршневую установку 78, указанные узлы 52 и 53 установки 77 аналогичны узлам 52, 53 установки 51.
Промышленная применимость
Изобретение может использоваться для утилизации твердых коммунальных и промышленных отходов для производства горючего газа и водорода, а также на предприятиях энергетической отрасли для получения тепловой и/или электрической энергии.