УСТАНОВКА ПИРОЛИЗНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ
PYROLYSIS HIGH-TEMPERATURE PROCESSING PLANT FOR ORGANIC RAW MATERIALS

о
Изобретение относится к перерабатывающей отрасли и может быть использовано для быстрой переработки органосодержащего сырья, в частности помета, в диапазоне высоких температур (800-950С) для извлечения газообразного топлива и твердого остатка.
Известна установка для переработки органического сырья методом пиролиза (см. заявку WO 2017007361 по кл. МПК C10B47/44, опуб. 12.01.2017), содержащая реактор, загрузочный бункер для твердого сырья, загрузочный шнековый механизм, загрузочную емкость для жидкого сырья, загрузочный насос, дымосос, дымовую трубу, промежуточный шнековый механизм, накопительную емкость для зольного остатка, разгрузочный шнековый механизм, фильтр парогазовой смеси, теплообменное устройство, устройство охлаждения, циркуляционный насос охлаждающей жидкости, газожидкостный разделитель, газоосушительную колонну, гидравлический затвор, накопительный бак, сепаратор остаточной воды, бак для воды, при этом реактор представляет собой агрегат для термической деструкции и содержит по существу цилиндрическую пиролизную камеру, в нижней части которой расположен шнековый механизм, обеспечивающий подачу сырья в пиролизную камеру, перемещение сырья вдоль пиролизной камеры в процессе обработки и выведение из пиролизной камеры зольного остатка.
Однако данное устройство имеет сложную конструкцию.
Известна также установка пиролизной переработки органического и/или минерального сырья в жидкое и газообразное топливо (см. патент РФ на изобретение № 2349624 по кл. МПК С10В53/00, опуб. 20.03.2009), содержащая бункер приема перерабатываемого сырья, дозатор, камеру переработки, емкость для твердого остатка и устройство конденсации топлива, причем камера переработки представляет собой герметический реактор, в котором установлен конвейер для перемещения сырья из бункера в емкость для твердого остатка с производительностью 0,1-10 тонн сырья в час, над конвейером установлен плазмотрон, совмещающий функции устройства получения плазмы высокочастотного разряда и устройства высокоскоростного нагрева сырья до температуры 500-1500°С электрической мощностью 180-600 кВт на одну тонну перерабатываемого сырья в час.
Процессы пиролитического разложения органического сырья практически всегда осуществляются в так называемом, абляционном режиме, то есть передача импульса тепла происходит от разогретой поверхности к органической частице при обязательном контакте. Только при таких условиях возможно эффективное проведение  реакции температурного разложения. В противном случае, как в данном примере, сырье нагревается дистанционно на конвейере инфракрасным излучением. В результате верхний слой нагревается, а нижние слои материала остаются холодными. Это происходит вследствие того что, тепловое излучение нагревает наружную поверхность, а все что находится внутри закрыто от теплового излучения. Верхние слои в данном случае служат изолятором. Время реакции многократно увеличивается, расходы энергии многократно увеличиваются. В принципе для разложения 1000 кг органики требуется в классическом варианте не более 80квт. электроэнергии в случае использования плазмы расход в несколько раз выше.
Наиболее близким к заявляемому является установка для пиролиза сельскохозяйственных отходов (см. патент РФ на полезную модель №116970 по кл. МПК F23G5/02, опуб. 10.06.2012), содержащая расположенные в технологической последовательности и сообщенные между собой сушильную камеру с загрузочным бункером, сушильный реактор, тепловой генератор и пиролизный реактор, последний из которых выполнен в виде полого объемного корпуса со ступенчато расположенными в нем цилиндрическими горизонтально расположенными рабочими камерами с установленными внутри них шнековыми механизмами подачи, выполненными с противоположным направлением вращения относительно друг друга, причем первая и вторая ступенчато расположенные цилиндрические рабочие камеры заключены в общий обогреваемый газами кожух, расположенный внутри корпуса пиролизного реактора в верхней его части, а третья рабочая камера установлена в корпусе пиролизного реактора в зоне естественного охлаждения, при этом разгрузочное окно первой камеры сообщено с загрузочным окном второй камеры, а разгрузочное второй - с загрузочным окном третьей, последняя из которых сообщена с выходным окном корпуса пиролизного реактора.
о
Недостатком конструкции является то, что нагрев первой и второй ступени осуществляется в общем пространстве, ограниченном теплоизоляционным кожухом, при этом сложно достичь и удержать заданную температуру. Температура поддерживается постоянной подачей дымовых газов и должна составлять 700С внутри кожуха. Вследствие большого объема камеры будет происходить большое рассеивание тепла, что приведет к неравномерному нагреву поверхностей шнеков. Кроме того при этой температуре пиролиз относится к низкотемпературному при котором образуются в большом количестве пиролизные жидкости, которые будут конденсироваться во всем газовом тракте, в третьей камере, что приводит к постоянным остановкам оборудования, а получаемый газ из за высокого содержания в нем жидких аэрозолей, нельзя использовать в двигателях внутреннего сгорания. Работу установки придется останавливать для постоянной очистке газовых трактов и системы охлаждения газов. Несортированные бытовые отходы потребуют большого времени для проведения разложения органических материалов исчисляемых в часах, что в свою очередь ведет к перерасходу тепловой и электрической энергии.
Техническая проблема заключается в разработке двухступенчатой шнековой установки быстрого высокотемпературного пиролиза при эффективном расходовании энергии нагрева и получении газа высокой калорийности.
Технический результат заключается в увеличении КПД установки за счет повышения экономичности расхода теплоносителя.
Технический результат достигается тем, что в установке пиролизной переработки органического сырья, содержащей технологически последовательно соединенные патрубками загрузочный бункер, пиролизный реактор, имеющий ступенчато и горизонтально расположенные две цилиндрические рабочие камеры с установленным внутри корпуса каждой из них шнековым механизмом, имеющим вал с винтовой поверхностью, бункер сбора переработанного сырья со шнековым механизмом, и блок нагрева, согласно решению, валы выполнены полыми с возможностью транспортировки по ним продуктов горения газа, каждая рабочая камера имеет теплоизоляционный кожух, а блок нагрева выполнен с возможностью независимого нагрева внешней стенки корпуса рабочей камеры и внутренней стенки вала.
Установка дополнительно содержит камеру сгорания между корпусом и кожухом, блок нагрева содержит газовые горелки, установленные со стороны одной из торцевых поверхностей каждого из валов шнековых механизмов рабочих камер, и горелочные устройства для нагрева внешней стенки корпуса рабочих камер.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена общая схема установки.
На чертеже позициями обозначено:
1 – загрузочный бункер;
2 – рабочая камера пиролизного реактора;
3 – бункер сбора переработанного сырья;
4 – корпус рабочей камеры;
5 – кожух рабочей камеры;
6 – шнековый механизм пиролизного реактора;
7 – вал шнекового механизма
8 – газовая горелка,
9 – горелочное устройство;
10 – камера сгорания;
11 – сменная тара;
12, 13, 14, 15 – разгрузочно-загрузочные патрубки;
16 – дымовая труба;
17 – шнековый механизм для выгрузки зольного остатка.
Заявляемое устройство содержит технологически последовательно  расположенные и соединенные друг с другом загрузочный бункер 1, две рабочие камеры 2, и бункер сбора твёрдого (зольного) остатка 3.
Две рабочие камеры 2, расположенные ступенчато и горизонтально, образуют двухступенчатый пиролизный реактор. Каждая рабочая камера содержит цилиндрический корпус 4, помещенный в теплоизоляционный кожух 5 таким образом, что между корпусом и кожухом остается пространство. Внутри каждого корпуса установлен шнековый механизм 6, выполненный в виде полого вала 7 с винтовой поверхностью.
Вал 7 шнекового механизма выполнен из полой жаропрочной трубы и закреплен в корпусе 4 с помощью фланцевых соединений таким образом, что концы вала выходят за пределы корпуса. Вращение валов шнековых механизмов осуществляется посредством цепной передачи через звездочку, закрепленную на валу.
Нагрев реакторной зоны (полость между корпусом и винтовой поверхностью шнекового механизма) осуществляется от внутренней стенки вала и от наружной стенки корпуса. Внутренняя стенка вала шнекового механизма, так как он полый, нагревается с помощью расположенной напротив торцевой поверхности вала газовой горелки 8, продукты горения которой проходят по полости вала. Для разогрева внешней стенки корпуса 4 в пространство образованное корпусом 4 и кожухом 5 подают горючие газы от работы горелочного устройства 9, соединенного с камерой сгорания 10, выполненной в кожухе 5. Двухконтурный разогрев реакционной зоны позволяет удерживать заданную температуру и резко увеличить КПД установки, как по конверсии материала, так и по производительности установки по исходному сырью, а также избежать образования пиролизной жидкости и нагара на стенках реактора. После окончания реакции пиролиза образовавшийся зольный остаток попадает с помощью шнековых механизмов первой и второй ступени реактора в бункер сбора продуктов переработки 3 и из него по мере необходимости разгружается в сменную тару 11. Образующие газы эвакуируются из установки с помощью принудительного разряжения, проходя последовательно из первой ступени во вторую ступень реактора, затем попадают в бункер сбора 3. Из него газы попадают через патрубок 12 в скруббер мокрой очистки и с помощью компрессора складируются в специальные емкости ( на фиг. не показано).
Устройство работает следующим образом.
о
Заявляемое устройство предназначено для конверсии природных органических веществ посредством их нагрева в бескислородной среде до температуры - 850-1000С. В результате твердые природные  органические вещества конверсируются в газ. Так как процесс нагрева осуществляется в течение 2-5 секунд и проходит при столь высокой температуре этот тип пиролиза относится к категории «быстрого и высокотемпературного» - конверсии подвергается практически весь углерод, присутствующий в исходном сырье. Для такого вида пиролиза подходят практически все виды органических остатков при переработки зерновых культур  в том числе: солома, подсолнечная шелуха, куриный и свиной навоз, рисовая шелуха, навоз КРС, органические ила и т. д. Для успешной работы пиролизного реактора любое сырье требует определенной подготовки – дробление, измельчение до крупности – 2 мм и доведение содержания влаги - до 8%.
о
Подготовка сырья обеспечивает получение устойчивых технологических показателей работы установки. При предварительной подготовке сырья удаляются все неорганические примеси, которые могут привести  к аварии  установки. Так же неорганические примеси, если они попадают в реактор, не только несут аварийность, но и поглощают тепло, которое необходимо подавать для проведения реакции разложения.  Измельчая продукт, мы ускоряем реакции конверсии в 50-100 крат. Это тоже способствует экономичному расходу теплоносителя и позволяет получить газ высокой калорийности. Избыточная влага может загасить текущую реакцию пиролиза. Недостаток влаги не дает возможности провести газификацию всего углерода находящегося в сырье. При доведении процента влаги в сырье до оптимальной концентрации, влага, которая остается в сырье в режиме теплового воздействия в 900С, диссоциирует на (Н) и (ОН) и вступает во взаимодействие с углеродом образуя легкие углеводороды. За счет температурного воздействия обогащает получаемый газ водородом.
о
Из загрузочного бункера 1 исходное сырье попадает через патрубок 13 в первую ступень реактора. Попадающее в реактор сырье продвигается в направлении разгрузки посредством шнекового механизма 6. Вал 7 шнекового механизма нагревается за счет продувки через его полость продуктов горения газа от газовой горелки 8 до температуры 900-1000С. В пространство, образованное корпусом 4 и кожухом 5 , через камеру сгорания 10, подают продукты горения от горелочного устройства 9, которые проходят по образованной полости и разогревают внешнею стенку корпуса 4, поддерживая температуру внутри реакторной зоны в заданных пределах. Отработанные  дымовые газы отводят с помощью дымовой трубы 16. Таким образом, органическое сырье, попадающее в реакционную зону, подвергается интенсивному нагреву с двух сторон – от стенки полого вала и от наружной стенки корпуса. Образующийся за счет температурного разложения сырья газ проходит реакционной зоне и попадает через соединительный патрубок 14 во вторую ступень реактора. Через этот же  патрубок пересыпается во вторую ступень и не прореагировавшее сырье, которое во второй ступени реактора окончательно конверсируется в газ.
Попадая во вторую ступень реактора углеродный остаток продвигается с помощью шнекового механизма 17, расположенного в бункере сбора переработанного сырья 3 наклонно по отношению к горизонтально расположенным рабочим камерам реактора и выполненным выступающим за торцевые стенки, при этом выступающие части шнекового механизма помещены в цилиндрический корпус, снабженным патрубком для выгрузки продукта.
Реакционная зона второй ступени, как и на первой ступени, прогревается с двух сторон путем прогрева внутренней стенки вала горючими газами, отходящими от газовой горелки 8 и наружной стенки корпуса горючими газами, которые подаются в пространство, образованное корпусом 4 и кожухом 5, через камеру сгорания 10 посредством горелочного устройства 9. При этом углеродный остаток подвергается такому же интенсивному нагреву, как и на первой ступени реактора. Организация  двухступенчатого цикла необходима для полной деструкции и дегазации углеродного остатка, так как процесс высокотемпературного пиролиза в реальных условиях требует значительно большего времени, чем теоретический. После прохода сырья через вторую ступень пиролизного реактора оставшийся твердый зольный остаток попадает в бункер сбора 3, из которого он периодически с помощью шнека 17 выгружается в сменную тару (емкость) 11.  Все образовавшиеся газы попадают через разгрузочный патрубок 16 в бункер сбора 3, из которого через патрубок 12 откачивают в систему очистки газов от угольной пыли и закачиваются в газгольдер (на фиг. не показан).
В результате конверсии получаются два продукта – синтез газ и зольный остаток. Так как процесс проходит без разбавления получаемого газа воздухом, то образовавшиеся газы имеют высокую калорийность. Получаемый второй продукт представляет минеральную смесь аналогичную минеральному составу, присутствующему в растениях. Фактически зольный остаток представляет собой минеральные удобрения, которые, несмотря на высокую температуру процесса, не подвергались окислению и представляют собой природный минеральный комплекс. Это результат термической переработки органического природного сырья без доступа кислорода.
Выход продуктов конверсии:
синтез газ
85-90%
зольный остаток
10-12%
технологические потери
2-3%.