РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПОЛУЧЕНИЕМ ГОРЮЧЕГО ГАЗА
REACTOR FOR PROCESSING SOLID FUEL TO PRODUCE COMBUSTIBLE GAS

Изобретение относится к области переработки конденсированных топлив с получением горючего газа и может быть использовано для переработки различных твердых топлив, преимущественно мелкодисперсных: канализационного ила, опилок или шламов, с выработкой энергии.
2
Известно достаточно большое число способов газификации различных твердых топлив в вертикальных многоподовых печах. Во всех этих способах топливо (уголь, сланец, биотопливо, изношенные шины и др.) загружают в реактор через шлюзовую камеру, подают в реактор кислородсодержащий газ (воздух, кислород, парокислородную смесь), а получаемый при неполном сгорании топлива горючий газ выводят из реактора. В некоторых из процессов из реактора выгружают ококсованный твердый материал (например, древесный уголь), являющийся целевым продуктом. Существенным ограничением возможности последующего использования получаемого генераторного газа является наличие в нем пиролизных смол, которые образуют отложения, приводящие к закупорке линий подачи генераторного газа, делают невозможным использование генераторного газа в двигателях внутреннего сгорания (газопоршневых моторах или газовых турбинах). Так, в патенте США US 4100032 (МПК С10 В 49/00, опуб. 1977-07-25) описан процесс получения ококсованного лигнита и горючего газа при проведении окислительного пиролиза в реакторе типа вертикальной многоподовой печи. Лигнит загружается на верхний под, откуда карбонизуемый материал последовательно пересыпается на нижележащие поды под действием гребков, закрепленных на центральном валу. Температура в печи после первоначального разогрева инициирующей горелкой поддерживается за счет подачи воздуха на горение на одном или нескольких подах. Поток горячих пиролизных газов направляют с нижележащих подов на вышележащие и выводят из печи с верхнего пода. Горячий ококсованный материал выгружают с нижнего пода в дополнительный охладитель, где остужают через стенку камеры охладителя с тем, чтобы исключить воспламенение ококсованного материала на воздухе. Для того, чтобы не допустить отложения пиролизных смол на верхних подах и в магистралях подают достаточно воздуха для полного их сгорания.
5
Известен способ сжигания/газификации твердого топлива, фильтрационного осадка канализационного ила описанный в патенте США US 5094177 (МПК F23G 5/0, опуб. 1992-03-10), где также предлагается проводить процесс в вертикальной многоподовой печи. Так же как и в US 4100032, твердое топливо загружается на верхний под, откуда последовательно пересыпается гребками на нижележащие поды. На верхнем поде устанавливается горелка, которая обеспечивает поддержание в печи высокой температуры. Температура в печи поддерживается также за счет подачи дополнительного воздуха на горение на одном или нескольких подах. Однако, в отличие от вышеупомянутого процесса, в процессе US 5094177 газовый поток в реакторе направляют спутно движению твердого материала и отбор пиролизного газа производится с нижнего пода. Твердый остаток горения выгружается горячим с нижнего пода. Спутная организация потоков обеспечивает длительное время пребывания пиролизных газов при высокой температуре и поэтому полноту разложения пиролизных смол.
Известен способ сжигания/газификации твердого топлива, предложенный в патенте РФ RU 2663433. Твердое топливо загружают на верхний под многоподовой печи через шлюзовой затвор. Организуют подачу в реактор кислородсодержащего газа в недостатке для полного окисления топлива. В реакторе инициируют горение при подаче кислородсодержащего газа, и обеспечивают непрерывное перемещение топлива с вышележащих подов на нижележащие. Выгрузку твердого остатка производят с нижнего пода. Горючий газ выводят из реактора и направляют их потребителю. При этом, кислородсодержащий газ подают на верхний под, инициируют горение на верхнем поде, газовый поток с верхнего пода направляют на нижележащий под, и одновременно на нижнем поде организуют зону охлаждения твердого остатка посредством подачи на нижний под кислородсодержащего газа, возможно с добавлением водяного пара и/или воды в жидкой фазе, а газовый поток с нижнего пода направляют на вышележащий под, организуют газонепроницаемый затвор на одном из промежуточных подов не выше третьего сверху и не ниже второго снизу, причем отбор направляемых потребителю газообразных продуктов производят с пода не выше третьего сверху и не ниже третьего снизу, расположенного выше газонепроницаемого затвора, а поток горячего газа с пода, расположенного непосредственно ниже газонепроницаемого затвора, направляют на верхний под.
В указанном патенте, выбранном в качестве прототипа, предложен наиболее близкий к предлагаемому реактор для реализации описанного процесса, выполненный в виде вертикальной многоподовой печи с числом подов не менее пяти. Реактор включает выполненный из огнеупорного материала вертикальный цилиндрический корпус, подразделяемый горизонтальными подами на ряд подовых пространств, последовательно сообщающихся между собой посредством отверстий в подах, обеспечивающими поступление газов с пода на под, а также пересыпание сыпучих материалов с вышележащего пода на нижележащий. Реактор снабжен загрузочным устройством на верхнем поде, устройством подачи кислородсодержащего газа и устройством выгрузки твердого остатка горения в нижней части - на нижнем поде, приводом вращения и вертикальным валом, к которому прикреплены перегребатели с гребками, осуществляющие перемещение сыпучего материала на подах и, пересыпание сыпучего материала с вышележащих подов на нижележащие, а также датчиками температуры на подах. Многоподовая печь снабжена устройством подачи кислородсодержащего газа и воспламенительным устройством расположенными на верхнем поде, дополнительно многоподовая печь снабжена на поде не выше третьего сверху и не ниже третьего снизу газонепроницаемым затвором - устройством, позволяющим перемещать сыпучий материал на нижележащий под, но при этом существенно газоплотным, и при этом устройство вывода газообразных продуктов расположено на поде непосредственно над газонепроницаемым затвором, причем многоподовая печь снабжена газоходом, соединяющим подовое пространство пода непосредственно под газонепроницаемым затвором с подовым пространством верхнего пода. В качестве газонепроницаемого затвора, позволяющего перемещать сыпучий материал на нижележащий под предлагается вертикальный секторный затвор, включающий верхнюю крышку, в которой имеется загрузочное отверстие, нижнюю крышку, в которой имеется разгрузочное отверстие, наружный корпус и закрепленные на валу вращения гребков перегородки числом N не менее трех. При этом загрузочное отверстие и разгрузочное отверстие расположены по окружности смещенными друг относительно друга на угол ϕ>2π/N от края одного до ближайшего края другого. Такое взаимное расположение отверстий обеспечивает перемещение сыпучего материала в вышележащего пода на нижележащий под и при этом препятствуют перетеканию газов между верхней и нижней половинами реактора.
Предложенный в патенте РФ RU 2663433 реактор не свободен от недостатков. Вертикальный секторный затвор работает при высокой температуре, что предъявляет высокие требования к материалам, из которых он изготовлен; это делает стоимость затвора высокой. Вместе с тем, требуется высокая точность прилегания перегородок затвора к корпусу, что повышает вероятность заклинивания. При этом, при переработке таких абразивных материалов, как канализационный ил, происходит интенсивный износ затвора.
Из вышесказанного следует техническая задача, решаемая настоящим изобретением - создание реактора, где реализуется газонепроницаемый затвор между подами, пропускающий сыпучий материал при высокой температуре, не требующий высокой точности изготовления и не подверженный износу абразивным материалом.
Для решения поставленной задачи предлагается реактор, выполненный в виде вертикальной многоподовой печи с числом подов не менее пяти, например, типа описанного в патенте US 4013023. Реактор (многоподовая печь) включает выполненный из огнеупорного материала вертикальный цилиндрический корпус, подразделяемый горизонтальными подами на ряд подовых пространств, последовательно сообщающихся между собой посредством отверстий в подах, обеспечивающими поступление газов с пода на под, а также пересыпание сыпучих материалов с вышележащего пода на нижележащий. Многоподовая печь снабжена загрузочным устройством на верхнем поде, устройством подачи кислородсодержащего газа и устройством выгрузки твердого остатка горения в нижней части газогенератора - на нижнем поде, приводом вращения и вертикальным валом, к которому прикреплены гребки, осуществляющие при вращении оси перемещение сыпучего материала на подах и, таким образом, обеспечивающие пересыпание сыпучего материала с вышележащих подов на нижележащие, а также датчиками температуры в печи. Реактор снабжен устройством подачи кислородсодержащего газа на нижнем поде и воспламенительным устройством расположенными на верхнем поде, дополнительно реактор снабжен на поде не выше третьего сверху и не ниже третьего снизу газонепроницаемым затвором - устройством, позволяющим перемещать сыпучий материал на нижележащий под, но при этом существенно газоплотным, и при этом устройство вывода газообразных продуктов расположено на поде непосредственно над газонепроницаемым затвором, причем многоподовая печь снабжена газоходом, соединяющим подовое пространство пода непосредственно под газонепроницаемым затвором с подовым пространством верхнего пода.
Новизна предлагаемого реактора состоит в том, что газонепроницаемый затвор выполнен в виде расположенной на периферии пода вертикальной шахты верхний уровень которой находится на уровне вышележащего пода, а нижний уровень сообщается с пространством нижележащего пода. Верхний уровень шахты затвора выполнен открытым для ссыпания в нее сыпучего материала. Сообщающийся с пространством нижележащего пода выход вертикальной шахты при этом расположен таким образом, что перерабатываемый материал из шахты не высыпается в пространство нижележащего пода под действием гребков, вращающихся на этом поде. То есть, верх отверстия, связывающего вертикальную шахту с пространством нижележащего пода, находится ниже чем на высоте Н=D*tgα от пода, где α - угол естественного склона сыпучего материала, который для большинства сыпучих мелкодисперсных материалов (песок, зола канализационного ила, ококсованные опилки) близок к 45°, a D - расстояние по горизонтали от наиболее удаленного от оси вращения гребка до отверстия, связывающего вертикальную шахту с пространством нижележащего пода. Для принудительного высыпания перерабатываемого сыпучего мелкодисперсного материала из нижней части вертикальной шахты в пространство нижележащего пода в нижней части вертикальной шахты установлен подающий механизм известной конструкции, например, толкатель, вибратор или шнек.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции, заключается в том, что при работе реактора реализуется описанный выше процесс, при этом возможно по крайней мере частичное заполнение вертикальной шахты перерабатываемым мелкодисперсным материалом, слой которого служит газонепроницаемым затвором, а подача твердого материала происходит контролируемо по мере срабатывания подающего механизма.
Предпочтительно вертикальная шахта снабжена в своей верхней части датчиком уровня заполнения известной конструкции, например, механическим щупом, радиочастотным датчиком уровня или механическим вибрационным датчиком. Наличие датчика уровня заполнения вертикальной шахты позволяет контролировать скорость работы подающего механизма таким образом, чтобы поддерживать постоянный уровень заполнения шахты и таким образом обеспечить газонепроницаемость, но при этом не допускать переполнения вышележащего пода.
При использовании в качестве датчика уровня заполнения механического щупа, последний предпочтительно выполняют в виде шибера, который способен полностью перекрыть сечение шахты. Таким образом появляется возможность перекрыть возможность перетекания горячего газа между подами при недостатке сыпучего материала, заполняющего вертикальную шахту. Это требуется в период запуска и остановки реактора.
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема возможной реализации процесса в предлагаемом реакторе типа многоподовой печи и показаны основные элементы соответствующего реактора. Фиг. 2 схематически показывает устройство вертикальной шахты, снабженной подающим механизмом в виде толкателя и датчиком уровня заполнения в виде механического щупа - шибера.
Данный ниже пример и Фиг. 1 и Фиг. 2 иллюстрируют, но не ограничивают возможные реализации реактора и схематически представляют возможный конструктивный вариант предлагаемого реактора.
Пример.
Процесс в реакторе, представленном на Фиг. 1 протекает следующим образом:
В реактор 1, выполненный в виде многоподовой печи с числом подов 3 равным девяти через затвор 2, загружают на верхний под твердое топливо F. Загруженный в реактор сыпучий материал перемещаются с вышележащего пода 3 на нижележащие с помощью гребков 6, закрепленных на валу 4, непрерывно вращающемся под действием привода 5. На верхнем поде 3 инициируют горение и затем поддерживают горение в верхней части реактора при подаче воздуха, нагнетаемого вентиляторами 7 и 8. Воздух подают в количестве недостаточном для полного окисления топлива. Топливо под действием высокой температуры нагревается и пиролизуется с выделением горючих газов и пиролизных смол и образованием ококсованного остатка, причем пиролизные смолы и горючие газы частично окисляются в токе воздуха, нагнетаемого вентилятором 8, и тем самым поддерживают высокую температуру на верхних подах. Несгоревшие пиролизные смолы под действием высокой температуры разлагаются и частично реагируют с водяным паром, образуя водород и окись углерода. Кокс, образующийся при пиролизе топлива, также частично расходуется при окислении воздухом и при реагировании с водяным паром. Газовый поток в верхней части реактора направлен спутно движению твердого топлива - последовательно с вышележащего пода на нижележащие. Газообразные продукты G, содержащие водород и окись углерода и практически свободные от пиролизных смол, выводят с четвертого пода 3 по газоходу 14.
С четвертого сверху пода 3 ококсованное топливо попадает в газонепроницаемый затвор 10, выполненный в виде вертикальной шахты 10, снабженной в нижней части толкателем 11, совершающим возвратно-поступательное движение, при котором сыпучий материал выталкивается из шахты затвора на пятый под. Кроме того, шахта затвора снабжена в своей верхней части шибером 12, способным полностью перекрыть сечение шахты. При этом слой сыпучего материала, заполняющего шахту 10, препятствуют перетеканию газов между верхней и нижней половинами реактора (с пятого на четвертый под). В ходе работы реактора периодически происходит срабатывание шибера 12, и в тех случаях, когда шибер встречает препятствие (слой сыпучего материала, заполняющего шахту 10), производят выгрузку порции сыпучего материала из нижней части шахты 10 посредством толкателя 11. Таким образом поддерживается постоянное заполнение шахты 10 сыпучим материалом, обеспечивающим газоплотность затвора 10.
Для обеспечения дожигания остаточного углерода из ококсованного топлива и охлаждения золы на подах с пятого по девятый организуют зону охлаждения твердого материала, для чего с помощью вентилятора 7 подают на нижний (девятый) под 3 воздух. Дутье вентилятора 7 регулируют таким образом, чтобы обеспечить сгорание кокса и остывание зольного остатка на нижнем поде. На подах с пятого по девятый ококсованное твердое топливо пересыпается вышележащих подов 3 на нижележащие с помощью гребков 6, закрепленных на валу 4. В нижней части реактора газовый поток направлен противотоком к движению твердого топлива - последовательно с нижележащего пода на вышележащий. Охлажденный твердый остаток по мере накопления выгружают с нижнего пода через шлюзовой затвор 13.
Газообразные продукты из нижней части реактора в зависимости от соотношения скорости подачи топлива и расхода воздуха содержат водород и окись углерода и/или кислород. Имеющие высокую температуру газы с пятого пода, находящегося ниже газового затвора 10, выводятся по газоходу 9 на верхний. Переток газа, имеющего сравнительно высокую температуру (ок. 800°С), с пода пятого на первый под 3 обеспечивают за счет давления, создаваемого вентилятором 7. Подача горячего газа на верхний под 3 обеспечивает устойчивое протекание пиролиза и горения в верхней части реактора.
Твердый остаток при этом не содержит кокса, выгружается из реактора при низкой температуре (что облегчает обращение с ним), а калорийность коксового остатка преобразуется в калорийность газообразных продуктов и их физическое тепло. Направляемый потребителю горючий газ, выводимый по газоходу 14 с четвертого пода, находящегося непосредственно над газовым затвором 10, свободен от пиролизных смол и может быть эффективно использован как топливо.
Настоящее изобретение предлагает эффективный реактор для получения в непрерывном процессе и с высокой энергетической эффективностью свободного от пиролизных смол пиролизного газа и свободного от горючих зольного остатка. В конструкции реактора реализован газонепроницаемый затвор между подами, пропускающий сыпучий материал при высокой температуре, не требующий высокой точности изготовления и не подверженный износу абразивным материалом.