УСТАНОВКА ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
PLANT FOR THERMOCHEMICAL PROCESSING OF CARBONACEOUS RAW MATERIAL

Изобретение относится к средствам переработки углеродсодержащего сырья и может быть использовано в коммунальном, сельском хозяйствах, в индустрии деревопереработки, в горнодобывающей и нефтехимической отраслях для термохимической переработки углеродсодержащих отходов этих отраслей с целью получения горючего газа, твердых и жидких топлив, сорбентов и пр.
Известна установка переработки органического сырья в топливные компоненты, содержащая средство дозированной загрузки сырья в реактор для его пиролиза, снабженный кольцевой топочной камерой, расположенной в нижней части реактора вокруг его реакционной камеры и оборудованной тангенциальными подводами топливных компонентов, воспламенительной горелкой для поджига вводимых топливных компонентов, и радиальными выходами, расположенными по периметру реакционной камеры термохимического реактора для пиролиза (далее - реактор).
Парогазовый выход реактора связан с системой разделения парогазовой смеси, выполненной в виде последовательно установленных и соединенных магистралями циклона, каталитической насадки, конденсатора, массообменной колонны, центробежного активного циклона, центробежного вентилятора и шиберного регулятора. Конденсатор соединен со сборником конденсата через холодильник, массообменная колонна соединена со сборником топливной жидкости также через холодильник, а центробежный активный циклон соединен со сборником топливной жидкости. Шиберный регулятор соединен с кольцевой топочной камерой и теплогенератором, который одним выходом соединен с сушилкой, а другим - через вентилятор с трубой выброса.
В качестве средства для выгрузки твердого остатка из реактора использован шлюзовый дозатор, имеющий коробчатый корпус, внутри которого размещены верхняя и нижняя плиты с двумя отверстиями и прямоугольный блок, имеющий цилиндрическую камеру в средней части и установленный с возможностью возвратно - поступательного перемещения между верхней и нижней плитами. Верхняя плита соединена через первое цилиндрическое отверстие с нижней частью реактора, а через второе цилиндрическое отверстие - с паровой камерой, снабженной разбрызгивателем и крышкой, к которой прикреплен патрубок для отвода пара, а нижняя плита через второе отверстие соединена с камерой гашения, (см. патент РФ №2182684, кл. F23G 5/027, 2002 г.).
В результате анализа выполнения известной установки, необходимо отметить, что при ее работе часть получаемого пиролизного газа используется для производства тепла для реактора, что снижает выход полезной продукции, кроме того, полученные на данной установке топливные компоненты: топливная жидкость, углистый остаток и пиролизный газ - имеют невысокое качество. Полученная топливная жидкость одной фракции представляет собой вязкую массу с высоким содержанием соединений кислорода (фенолов, кислот, спиртов), по своим характеристикам значительно отличающуюся от традиционно используемых углеводородных топлив. Твердый углистый остаток имеет включения непереработанного органического сырья, а пиролизный газ представляет собой низкокалорийный газ с невысоким содержанием горючих компонентов и требует дополнительной очистки для его дальнейшего использования.
Известна установка термохимической переработки органического сырья в топливные компоненты, содержащая реактор, оснащенный устройствами загрузки в него сырья и выгрузки твердого компонента его термохимической переработки, установленными соответственно, в верхней и нижней части реактора, расположенный в верхней части реактора выход для отвода парогазовой составляющей переработки сырья (парогазов), причем реактор оснащен как минимум двумя кольцевыми коллекторами для ввода в его рабочее пространство газообразного теплоносителя, производимого расположенным вне реактора устройством (газогенератором). Парогазовый выход реактора связан с системой разделения парогазов, которая выполнена в виде ряда последовательно соединенных разделительных аппаратов для получения из парогазов фракций жидких углеводородов, каждый из разделительных аппаратов соединен одним из выходов с накопительной емкостью, причем крайний из установленных последовательно разделительных аппаратов через теплообменник соединен с сепаратором, обеспечивающим разделение жидкой и газообразной фаз остатка парогазов, первую из которых используют в качестве топлива, а вторую подают на вход коллекторов реактора (см. патент РФ №2275416 кл. C10L 5/48, 2006 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известной установки следует отметить, что необходимость порционного прогрева топлива и удаления из него кислорода обуславливает периодическую загрузку топлива в реактор, что снижает производительность установки по сравнению с непрерывной загрузкой, а обусловленный этим циклический режим работы реактора ухудшает качество продукции. Разделение полученной в реакторе парогазовой фазы с присутствующей в ней твердой фазой, также снижает качество получаемых продуктов. Кроме того, использование в газогенераторе в качестве топлива получаемой жидкой фракции и топливного газа снижает выход готовой продукции.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание установки, которая при сохранении высокой производительности переработки сырья обеспечивает выход продукции высокого качества за счет обеспечения оптимальных условий термохимической обработки сырья в реакторе и очистки полученной в реакторе парогазовой фазы от твердых включений перед подачей ее на разделение на компоненты, а также за счет формы реактора.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в установке термохимической переработки углеродсодержащего сырья, содержащей термохимический реактор для пиролиза сырья, средства загрузки сырья и технологических добавок в верхнюю часть реактора, устройство для получения газообразного теплоносителя, подсоединенное к нижней части реактора, и устройство отвода твердой фазы переработанного сырья - пироугля, размещенное у нижней части реактора, а также устройство очистки полученных в реакторе парогазов от твердой фазы и аппарат разделения парогазов на компоненты, новым является то, что устройство для получения газообразного теплоносителя представляет собой вихревой газогенератор, оснащенный коллектором для подачи в полость генератора воздуха воздуходувкой по воздушному каналу, в корпусе реактора по его высоте наклонно размещены выполненные из сетчатого материала полки с наклоном вниз от стенок реактора к его центру, верхняя часть реактора, по отношению к другим его частям, имеет увеличенное поперечное сечение, устройство выгрузки пироугля из реактора выполнено в виде шнека, вдоль которого проложены теплосъемные пластины, шнек и пластины помещены в кожух, полость которого встроена в воздушный канал, соединяющий воздуходувку и коллектор газогенератора, при этом устройство очистки полученных в реакторе парогазов от твердой фазы включено между реактором и аппаратом разделения парогазов на компоненты и выполнено в виде сепаратора.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых:
на фиг. 1 - схема установки термохимической переработки углеродсодержащего сырья;
- на фиг. 2 - схема блока подготовки газообразного носителя;
- на фиг. 3 - схема блока пиролиза установки.
Установка термохимической переработки углеродсодержащего сырья содержит соединенные транспортирующими средствами (трубопроводами, транспортерами и пр.) следующие основные блоки: блок подготовки газообразного носителя, блок пиролиза сырья, блок очистки полученных в результате переработки сырья парогазов, блок разделения парогазов на компоненты.
Блок подготовки газообразного носителя включает вихревой газогенератор 1 с устройствами загрузки сырья и выдачи золы, а также соединенную с ним воздушным каналом воздуходувку 2 для подачи воздуха в полость газогенератора.
Блок пиролиза сырья включает реактор 3, имеющий входы для приема газообразного носителя (горячего генераторного газа) из газогенератора 1, углеродсодержащего сырья и технологических добавок, и выходы для выдачи пироугля и парогазов.
Блок очистки парогазов включает устройство очистки 4 парогазов от твердой фазы.
Блок разделения парогазов включает аппарат 5 для разделения очищенных от твердых частиц парогазов, выполненный, например, в виде ректификационной колонны с отводами разделенных компонентов парогазов, например, двух жидких фракций топлива, воды и неконденсируемого пиролизного газа, удаляемого из аппарата дымососом 6.
Вихревой газогенератор 1 (фиг. 2) выполнен в виде корпуса 7, смонтированного на корпусе трубного коллектора 8 горячего воздуха с распределительными трубками 9, подведенными к верхней и нижней зонам рабочей полости газогенератора. В коллекторе установлены регулирующие задвижки 10. К нижней части корпуса подведено устройство 11 для отвода из полости генератора золы (например, шнековое). К входу газогенератора подведено устройство 12 загрузки (например, шнековое) в газогенератор углеродсодержащего сырья шлюзовым загрузчиком 13 из сырьевого бункера 14.
Газовый выход газогенератора, расположенный в верхней части корпуса и обеспечивающий выход горячего генераторного газа для подачи его в реактор, обозначен позицией 15. Использование в качестве устройства для получения теплоносителя именно вихревого генератора позволяет снизить количество золы с поступающим генераторным газом в реактор, так как в вихревом процессе происходит достаточно эффективное разделение золы и газа, при этом зола, отбрасываемая к стенкам рабочей камеры газогенератора, опускается в бункер газогенератора, а газ поднимается к выходному патрубку газового выхода 15 и далее поступает в реактор 3. Кроме того, вихревой процесс газогенерации происходит под регулируемым давлением, создаваемым воздуходувкой и поэтому генераторный газ в реакторе создает нужный вектор движения всего газа в реакторе (снизу-вверх) и определенное сопротивление движению сырья в реакторе (сверху-вниз), тем самым увеличивая время нахождения сырья в зоне реакции и, соответственно, содействует более полной деструкции сырья.
Блок пиролиза (фиг. 3) содержит термохимический реактор пиролиза (реактор) с вертикально расположенным корпусом 16, имеющим вход 17 для подачи в реактор через распределительное устройство 18 газообразного носителя - горячего генераторного газа с выхода 15 газогенератора 1.
Необходимо отметить, и это весьма важно для достижения указанного технического результата, что верхняя часть реактора выполнена большего поперечного сечения, чем нижние его части. Это обеспечивает снижение скорости движения получаемых в реакторе парогазов к выходу из реактора и, тем самым, уменьшает вынос мелких твердых частиц сырья с парогазами из реактора.
В корпусе 16 реактора по его высоте установлены полки 19, выполненные, предпочтительно из сетки, каждая из полок наклонена вниз от стенки реактора, к которой она прикреплена, к его центру. При этом угол наклона полки выбирают такой, чтобы обеспечивалось движение (сползание) сырья по полке вниз под собственным весом. Угол наклона полок зависит, в основном, от вида сырья и подбирается, как правило, экспериментально, по результатам опытной эксплуатации установки. Размеры полок подобраны таким образом, что сползающее по верхней полке сырье попадает на начальный участок нижерасположенной полки, которая также наклонена от противоположной стенки реактора к его центру. Таких полок в зависимости от высоты корпуса реактора устанавливают от 2 до 5.
К нижней части корпуса 16 пристыкован бункер 20 для сбора получаемого пироугля.
Под бункером размещено шнековое устройство выгрузки пироугля, в котором вдоль шнека 21, проложены теплосъемные пластины 22, а шнек и пластины снаружи закрыты кожухом 23. На выходе шнекового устройства установлен шлюзовой питатель 24, предназначенный для выдачи потребителям пироугля.
В устройство выгрузки пироугля встроен воздушный канал, связывающий воздуходувку 2 с коллектором 8 газогенератора 1. В процессе выдачи пироугля холодный воздух газодувкой 2 пропускается в зазор между пластинами 22 и кожухом 23, в результате чего он, охлаждая пироуголь, разогревается и в нагретом состоянии от устройства выгрузки сырья подается в коллектор 8 газогенератора 1, обеспечивая оптимальные условия работы газогенератора.
Реактор оснащен устройством загрузки в него углеродсодержащего сырья и технологических добавок. Данное устройство содержит шнек 25, расположенный под бункером (позицией не обозначен) для технологических добавок. Выход шнека 25 находится над бункером 26 для углеродсодержащего сырья (сырьевой бункер). Сырьевой бункер 26 посредством шлюзового питателя 27 и шнека 28 связан с сырьевым входом реактора.
В верхней части реактора имеется выход 29 для отвода парогазов, связанный с входом устройства 4 очистки полученных в реакторе парогазов от твердых частиц. Устройство 4 имеет два выхода, один из которых, предназначенный для отвода отсепарированной твердой фазы, связан с сырьевым входом газогенератора 1. Второй выход устройства 4 связан с входом аппарата 5 разделения на компоненты очищенных от твердых частиц парогазов,
Установка работает следующим образом.
При работе установки первоначально осуществляют подготовку газообразного носителя. Для этого устройством 12 загрузки из сырьевого бункера 14 посредством шлюзового загрузчика 13 в рабочую камеру вихревого газогенератора 1 загружают сырье. Как правило, газогенератор 1 работает на том же сырье, что и реактор 3. Для получения газообразного носителя используют стандартный вихревой газогенератор заданной производительности по генераторному газу, используемому в качестве теплоносителя с тем, чтобы вырабатывать генераторный газ в требуемом количестве.
Полученный в газогенераторе 1 теплоноситель - горячий генераторный газ - через выход 15 подают на вход 17 реактора 3. В полость реактора генераторный газ поступает через распределительное устройство 18, распределяясь равномерно по сечению корпуса реактора.
Параллельно, необходимые для работы реактора технологические добавки шнеком 25 подают в сырьевой бункер 26, куда также подают углеродсодержащее сырье. Из бункера 26 через шлюзовой питатель 27 и шнек 28 смешанное сырье и технологические добавки подают в корпус реактора для проведения его термохимической обработки. Для повышения эффективности переработки сырья его рекомендуется перед загрузкой в реактор измельчить и подсушить. В качестве технологических добавок обычно используют катализаторы, а также вещества, предотвращающие вредные выбросы, например известь, доломит, алюмосиликаты.
Поступая в реактор, сырье попадает на верхнюю полку 19 и постепенно, под действием собственного веса, перемещается по полке и сползает с вышележащей полки вниз на нижележащую полку, не препятствуя движению теплоносителя снизу вверх к выходу 29 парогазов из реактора. Такое движение сырья и теплоносителя разрыхляет сырье и увеличивает время нахождения сырья в реакционной зоне, тем самым, обеспечивая полноту термохимической деструкции сырья и повышение качества получаемой продукции, чему также в немалой степени способствует то, что полки выполнены из сетчатого материала. При этом в противотоке сырья и генераторного газа происходит термохимическая деструкция сырья, в результате которой образуются пироуголь и парогазы. Парогазы отводятся из реактора через выход 29. Увеличенное сечение верхней части реактора обеспечивает снижение скорости движения парогазов в этой части и, соответственно, снижение выноса мелких частиц сырья с парогазами.
Полученный в реакторе пироуголь под действием собственного веса поступает в бункер 20, пристыкованный к нижней части корпуса 16.
Из бункера 20 разогретый пироуголь выдается шнековым устройством, в котором вдоль шнека 21, проложены теплосъемные пластины 22, а шнек и пластины снаружи закрыты кожухом 23. Пироуголь из шнека выдается потребителям или на складирование через шлюзовый питатель 24. Сам процесс термохимической переработки является известным и нет необходимости приводить его в данной заявке.
В процессе выдачи пироугля холодный воздух газодувкой 2 пропускается в зазор между пластинами 22 и кожухом 23, в результате чего он разогревается, охлаждая пироуголь, и в нагретом состоянии подается в коллектор 8 и через распределительные трубки 9, поступает к верхней и/или нижней (в зависимости от положения задвижек 10) зонам рабочей полости газогенератора 1, обеспечивая оптимальные условия его работы.
Полученные в результате переработки сырья парогазы из корпуса реактора пиролиза через выход 29 поступают в устройство очистки 4. Выделенные из парогаза в устройстве очистки 4 твердые частицы подаются в сырьевой бункер газогенератора 1. В качестве устройства очистки может быть использован стандартный инерционный сепаратор.
Очищенные от твердой фазы парогазы поступают на аппарат 5 их разделения. В качестве такого аппарата может быть использована ректификационная колонна, на которой из парогазов выделяются вода, неконденсируемый пиролизный газ, удаляемый дымососом 6 и несколько (например, две) фракций жидкого топлива. В качестве аппарата 5 может быть использована широкая гамма оборудования. Применение того или иного аппарата диктуется видами перерабатываемого сырья и технологическими особенностями его переработки, или необходимостью получения конкретной гаммы продуктов. В любом случае для разделения парогазов на компоненты используется известное оборудование, которое не является предметом патентной охраны.
Так, например, при использовании в качестве аппарата 5 ректификационной колонны, из парозазов получают неконденсируемый газ, который может быть использован для получения тепла и электроэнергии, воду - для технических целей, легкую фракцию жидкого топлива, близкую по свойствам к дизельному топливу, которая может использоваться для транспортных двигателей или турбин, более тяжелую фракцию жидкого топлива, близкую по свойствам к печному топливу, которая может использоваться в топках котельных. Пироуголь может быть использован как топливо, сорбент или углеродный восстановитель.
Использование установки позволяет получить из углеродсодержащего сырья широкую гамму продуктов высокого качества за счет обеспечения оптимальных условий его переработки в реакторе, формы реактора, а также за счет удаления из парогазов твердой фазы перед их разделением на компоненты.