СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА С ПОЛУЧЕНИЕМ ГОРЮЧЕГО ГАЗА И РЕАКТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PROCESSING SOLID FUEL WITH PRODUCTION OF COMBUSTIBLE GAS AND REACTOR FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области переработки конденсированных топлив с получением горючего газа и может быть использовано для переработки различных твердых топлив, преимущественно разного рода горючих отходов, в том числе канализационного ила или шламов, с одновременной 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 процессах из реактора выгружают ококсованный твердый материал (например, древесный уголь), являющийся целевым продуктом. Существенным ограничением возможности последующего использования получаемого горючего продукт-газа является наличие в нем пиролизных смол, которые образуют отложения, приводящие к закупорке газоходов подачи продукт-газа, делают невозможным использование продукт-газа в двигателях внутреннего сгорания (газопоршневых моторах или газовых турбинах). Так, в патенте США US 4100032 (МПК С10 В 49/00, опубл. 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 перегребателей с гребками, 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 его охлаждают за счет теплоотвода 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, наиболее близкий к заявляемому, описанный в патенте США US 5094177 (МПК F23G 5/0, опубл. 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 перегребателями с 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 горючего 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, следовательно, полноту разложения пиролизных смол.
Однако описанный способ не свободен от недостатков. При необходимости обеспечить полное выгорание углерода из золы (как, например, при сжигании илового осадка, описанном в US 5094177) требуется подавать в реактор дополнительное количество воздуха, что приводит к потере калорийности получаемого газа. При выгрузке из реактора горячего твердого остатка теряется его физическое тепло, с другой стороны, требуется организация специальных устройств для охлаждения твердого остатка (в US 5094177 описывается устройство гидрозатвора).
Из вышесказанного следует техническая задача, решаемая настоящим изобретением - получение при газификации и пиролизе твердого топлива горючего газа свободного от пиролизных смол, с высоким энергетическим выходом, т.е., при низком уровне теплопотерь и высокой калорийности получаемого горючего газа. Твердым топливом далее совокупно называются такие материалы как каменный и бурый уголь, биомасса, разного рода горючие отходы, в том числе отходы древесины и пластиков,, в том числе канализационный ил и шламы, их смеси и подобные им материалы. При переработке низкокалорийных и высокозольных топлив, таких как горючие отходы, в том числе канализационный ил и шламы, дополнительная задача, решаемая настоящим изобретением - обеспечение полноты выгорания коксового остатка пиролиза, чтобы использовать его топливный потенциал.
Поставленная задача решается в предлагаемом способе получения из твердого топлива горючего газа, включающем загрузку топлива в реактор, выполненный в виде многоподовой печи с числом подов не менее пяти. Твердое топливо загружают на верхний под через шлюзовой затвор. Организуют подачу в реактор кислородсодержащего газа (воздуха, кислорода или обогащенного кислородом воздуха), причем кислорода в составе кислородсодержащего газа подают в количестве, недостаточном для полного окисления топлива. В реакторе инициируют, например с использованием газовой горелки, горение топлива. Инициирующее устройство отключают после воспламенения топлива и выхода реактора на стационарный режим работы. Далее процесс проводят при подаче кислородсодержащего газа и обеспечивают в основном непрерывное перемещение топлива с вышележащих подов на нижележащие. Выгрузку твердого остатка производят с нижнего пода. Газообразные продукты в виде горючего газа выводят из реактора и направляют их потребителю, например для сжигания в энергопроизводящем устройстве. Новизна предлагаемого способа заключается в том, что кислородсодержащий газ подают на верхний под, инициируют горение на верхнем поде, при этом газовый поток с верхнего пода направляют на нижележащий под, и при этом, 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, и при этом газовый поток с нижнего пода направляют на вышележащий под, организуют газонепроницаемый затвор на одном из промежуточных подов не выше третьего сверху и не ниже третьего снизу; отбор направляемых потребителю газообразных продуктов в виде горючего газа производят с пода, расположенного выше газонепроницаемого затвора, а горячие газ с пода, расположенного непосредственно ниже газонепроницаемого затвора, направляют на верхний под.
Такая организация процесса позволяет, во-первых, обеспечить полное протекание пиролиза твердого топлива, поскольку обеспечивается его длительное пребывание в контакте с потоком горячих продуктов горения. В то же время происходит полное разложение и частичное окисление смол, выделяемых топливом при пиролизе. Водяной пар, выделяемый из топлива при сушке и пиролизе и при частичном окислении пиролизных смол и газов, при высокой температуре реагирует с ококсованным топливом и образует водород, что повышает калорийность получаемого горючего газа. Эти достоинства, присущие процессу со спутными потоками пиролизуемого топлива и газа, удается совместить с достоинствами, присущими противоточным процессам - возможностью провести охлаждение твердого остатка непосредственно в реакторе, причем физическое тепло твердого остатка передается получаемому горючему газу. Также, что присуще противоточным процессам, обеспечивается достаточное время пребывания коксового остатка в потоке кислородсодержащего газа и, следовательно, полнота выгорания углерода. Подача горячего газа с пода, расположенного ниже газонепроницаемого затвора, на верхний под обеспечивает устойчивое инициирование пиролиза и горения топлива на верхнем поде.
Технический результат при осуществлении предлагаемого способа заключается в получении в едином процессе горючего газа, существенно свободного от пиролизных смол, с высокой энергетической эффективностью и, при необходимости, твердого остатка свободного от горючих составляющих.
Возможно также добиться улучшения в рамках предлагаемого метода, например, в тех случаях, когда требуется перерабатывать медленно прогревающийся материал. Для поддержания высокой температуры на подах ниже верхнего дополнительно подают кислородсодержащий газ на по крайней мере один под, расположенный ниже верхнего, но выше пода, с которого производят отбор горючего газа - газообразных продуктов, направляемых потребителю. При этом предпочтительно подачу кислородсодержащего газа регулируют таким образом, что температуру по крайней мере на одном из подов, расположенном выше пода, с которого производят отбор направляемых потребителю газообразных продуктов, поддерживают выше 800°С, поскольку при температуре ниже этого значения не обеспечивается реакция водяного пара с пиролизными смолами и коксовым остатком. При этом температуру в реакторе поддерживают ниже, чем максимальное значение температуры работоспособности конструкционных материалов реактора.
При реализации вышеописанного процесса предпочтительно температуру на нижнем поде поддерживают не выше 100°С посредством регулирования подачи на нижний под воздуха. При этом значении температуры осуществляется достаточно полная рекуперация тепла твердого остатка.
Для реализации предложенного способа можно использовать реакторы в виде многоподовых печей известной конструкции, однако для реализации предлагаемого процесса требуются определенные конструктивные изменения реактора по сравнению с известными конструкциями.
2
Известно устройство многоподовой печи, описанное в патенте US 4013023. (МПК F23G 5/12, опубл. 1977-03-22) - включающее выполненный из огнеупорного материала вертикальный цилиндрический реактор, 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 и устройством вывода газообразных продуктов 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, обеспечивающими пересыпание сыпучего материала с вышележащих подов на нижележащие, а также оснащена датчиками температуры в печи.
Известно также устройство многоподовой печи, описанное в патенте US 2117487 (J.R. Lewers, 17.05.1937). В частности, в этом патенте описано устройство для сжигания канализационного ила, в виде многоподовой печи, подразделенной на верхнюю и нижнюю половину газоплотным затвором, и представляющей из себя по существу два реактора, выполненных с общим валом вращения гребков. Канализационный ил загружается на верхний под многоподовой печи (в верхний реактор), где проводится сушка ила на подах, выполненных полыми. Высушенный ил из верхнего реактора поступает в нижний реактор через газоплотный затвор, причем последний выполнен в виде доменного конуса, снабженного дополнительным приводом, позволяющим выгружать высушенный ил из верхней половины многоподовой печи в нижнюю по мере его накопления. Газы, выделяющиеся в верхней половине многоподовой печи при сушке и нагревании ила поступают по специальному газоходу вместе с предварительно подогретым в теплообменнике воздухом на нижний под. В нижней половине многоподовой печи (в нижнем реакторе) производится сжигание высушенного осадка в противотоке воздуха, причем горячий дымовой газ частично направляется в полые поды верхнего реактора для его обогрева, а частично - в теплообменник для подогрева воздуха.
Известно также устройство многоподовой печи, описанное в патенте US 2128472 (W. Raisch, 30.08.1938). В частности, в этом патенте описано устройство для сжигания канализационного ила, включающее два реактора, выполненных каждый в виде многоподовой печи, с общим валом вращения перегребателей с гребками, причем канализационный ил загружается в верхний реактор, где проводится сушка ила на подах, выполненных полыми. Высушенный ил из верхнего реактора поступает в нижний реактор через газоплотный затвор, выполненный в виде шлюзовой камеры с верхней и нижней створками. Газы, выделяющиеся в верхнем реакторе при сушке и нагревании ила поступают по специальному газоходу вместе с предварительно подогретым в теплообменнике воздухом на нижний под нижнего реактора. В нижнем реакторе производится сжигание высушенного осадка в противотоке воздуха, причем дымовой газ направляется в полые поды верхнего реактора для его обогрева.
Для реализации предлагаемого способа пиролиза и газификации конденсированного топлива 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 перегребатели с гребками, 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.
Новизна конструкции печи, заключается в том, что многоподовая печь снабжена расположенными на верхнем поде устройством подачи кислородсодержащего газа и воспламенительным устройством, 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.
Можно достичь дальнейшего усовершенствования предложенной выше многоподовой печи, если выполнить пространство пода, на котором расположено устройство вывода газообразных продуктов (т.е. расстояние до вышележащего пода), с высотой, не менее чем двукратно превышающей высоту подового пространства остальных подов. Это увеличение высоты подового пространства способствует уменьшению скорости газового потока и как следствие - уменьшению запыленности получаемого горючего газа.
Дополнительного усовершенствования предложенной выше многоподовой печи можно достичь, если выполнить ее с дополнительными вводами кислородсодержащего газа на одном или нескольких подах, расположенных ниже верхнего, но выше пода, где расположено устройство вывода газообразных продуктов. Такое устройство печи позволяет обеспечить регулирование температуры по подам и, таким образом, обеспечить высокую эффективность процесса.
7
Газонепроницаемый затвор - газоплотное устройство, позволяющее перемещать сыпучий материал на нижележащий под - предпочтительно выполняется в виде вертикального секторного затвора типа затвора, описанного в патенте ЕР 0794915 В1 (A. Wormser; 03.05.2000; МПК: B65G 53/46, B65G 53/16): Вертикальный секторный затвор выполнен в виде устройства, включающего верхнюю крышку, в которой имеется загрузочное отверстие, нижнюю крышку, в которой имеется разгрузочное отверстие, наружный корпус и перегородки числом N не менее трех, закрепленные на валу вращения перегребателей с гребками. При этом загрузочное отверстие и разгрузочное отверстие расположены по окружности смещенными на угол ϕ≥2π/N от края одного до ближайшего края другого. Такое взаимное расположение отверстий обеспечивает то, что при вращении вала 14 ококсованное топливо, провалившееся в загрузочное отверстие 18, перемещается перегородками 20 к разгрузочному отверстию 19, откуда попадает на под 8; при этом перегородки 20 препятствуют перетеканию газов между верхней и нижней половинами реактора - с пода 8 на под 7.
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема возможной реализации процесса в реакторе типа многоподовой печи и показаны основные элементы соответствующего реактора. Фиг. 2 схематически показывает устройство вертикального секторного затвора, обеспечивающего пересыпание сыпучего материала при сохранении газоплотности.
Данный ниже пример возможной реализации процесса подтверждает, но не исчерпывает предлагаемый способ переработки конденсированного топлива с получением горючего газа, свободного от пиролизных смол. Фиг. 1 и 2, иллюстрируют, но не ограничивают возможные реализации процесса, и схематически представляют предпочтительный конструктивный вариант предлагаемого реактора.
Процесс протекает следующим образом.
Твердое топливо, загружают в реактор 1, выполненный в виде многоподовой печи с числом подов, равным десяти, через затвор 2 на верхний под 3. Загруженные материалы в реакторе перемещаются с вышележащего пода 3 на нижележащий 4 и далее 5, 6, … по 12, с помощью перегребателей с гребками 13, закрепленных на непрерывно вращающемся валу 14. На верхнем поде 3 инициируют горение и затем поддерживают горение в верхней части реактора при подаче воздуха, нагнетаемого вентилятором 15. 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 15, и тем самым поддерживают высокую температуру. Несгоревшие пиролизные смолы под действием высокой температуры разлагаются и частично реагируют с водяным паром, образуя водород и окись углерода. Газовый поток в верхней части реактора направлен спутно движению твердого топлива - последовательно с пода 3 на 4, 5, 6, 7. Горючий газ - газообразные продукты, содержащие водород и окись углерода и практически свободные от пиролизных смол, выводят с пода 7 по газоходу 16. Кокс, образующийся при пиролизе топлива, частично расходуется при окислении воздухом и при реагировании с водяным паром.
С пода 7 ококсованное топливо попадает в газонепроницаемый затвор 17, выполненный в виде секторного затвора, включающего загрузочное отверстие 18, разгрузочное отверстие 19, и не менее трех перегородок 20, закрепленных на валу 14. При вращении вала 14 ококсованное топливо, провалившееся в загрузочное отверстие 18, перемещается перегородками 20 к разгрузочному отверстию 19, откуда попадает на под 8. При этом перегородки 20 препятствуют перетеканию газов между верхней и нижней половинами реактора.
Для обеспечения дожигания остаточного углерода из ококсованного топлива и охлаждения золы на подах с 8 по 12 организуют зону охлаждения твердого материала, для чего с помощью вентилятора 21 подают на под 12 воздух. Дутье вентилятора 21 регулируют таким образом, чтобы обеспечить сгорание кокса и остывание зольного остатка на поде 12. При этом на вышележащих подах 8-11 продукты горения частично реагируют с нагретым ококсованным топливом, образуя водород и окись углерода. В нижней части реактора газовый поток направлен противотоком к движению твердого топлива - последовательно с пода 12 на 11, 10, 9, 8. Охлажденный твердый остаток по мере накопления выгружают с пода 12 через шлюзовой затвор 22.
Газообразные продукты из нижней части реактора в зависимости от соотношения скорости подачи топлива и расхода воздуха содержат водород и окись углерода и/или кислород и при этом имеют высокую температуру. Имеющие высокую температуру газы с пода 8 выводятся по газоходу 23 на под 3. Переток газа, имеющего сравнительно высокую температуру (ок. 800°С), с пода 8 на под 3 обеспечивают за счет давления, создаваемого вентилятором 21. Подача горячего газа на под 3 обеспечивает устойчивое протекание пиролиза и горения в верхней части реактора.
При необходимости ограничить температуру горения ококсованного топлива воздух в реактор подают совместно с водяным паром, при этом количество подаваемого водяного пара регулируют таким образом, чтобы углерод ококсованного топлива возможно полно прореагировал с воздухом, но при этом температура горения кокса не превышала опасной для конструкции реактора (ок. 1000°С). 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 с пода 7 по газоходу 16, свободен от пиролизных смол и может быть эффективно использован как топливо.
Пример.
В реакторе, представленном на Фиг. 1, проводится переработка предварительно высушенного до остаточной влажности 10% осадка сточных вод (канализационного ила) с получением горючего газа. Осадок загружают через затвор 2 на верхний под 3 реактора 1 в количестве 500 кг/час. На верхнем поде 3 с помощью газовой горелки (на рисунке не показана) инициируют горение осадка, затем, после прогрева реактора, горелку отключают и вентилятором 15 подают на верхние поды 600 кг в час воздуха для поддержания горения на подах 3-5. Для обеспечения устойчивого воспламенения и горения свежезагруженного осадка на поде 3, на под 3 подают по газоходу 23 горячий газ с нижележащего пода 8. Переток газа, имеющего температуру около 800°С, с пода 8 на под 3 обеспечивают за счет более высокого давления в нижней половине реактора, создаваемого воздухом, который подают на под 12 вентилятором 21 с расходом 300 кг в час. Частично пиролизованный осадок с помощью перегребателей с гребками 13, закрепленных на валу 14, пересыпается с пода 3 на нижележащий под 4, и далее 5, 6, 7. Пиролизные смолы и горючие газы, выделяемые при пиролизе, частично окисляются в токе воздуха, подаваемого на поды 3-5 (сопло ввода воздуха на рисунке показано лишь на поде 4), и тем самым поддерживают высокую температуру, 800-900°С. Несгоревшие пиролизные смолы под действием высокой температуры разлагаются и частично реагируют с водяным паром, образуя водород и окись углерода. Газовый поток в верхней части реактора направлен спутно движению твердого топлива - последовательно с пода 3 на 4, 5, 6, 7. Газообразные продукты, содержащие водород и окись углерода и практически свободные от пиролизных смол, выводят с пода 7 по газоходу 16. Для того, чтобы обеспечить пиролиз и конверсию пиролизных смол с паром, на подах 4-7 поддерживают необходимую высокую температуру 850-900°С. Выход пиролизного газа составляет 1290 кг/час. Горючий газ выводится при температуре 700-800°С. Он практически свободен от пиролизных смол и содержит водород, окись углерода и небольшое количество метана.
Ококсованный осадок, содержащий около 10% углерода в количестве 130 кг в час по мере вращения вала 14 через затвор 17 поступает на под 8.
На подах с 8 по 12 организуют зону догорания кокса и охлаждения твердого остатка, для чего с помощью вентилятора 21 подают на под 12 до 300 кг в час воздуха и на тот же под подают до 10 кг в час воды в жидкой фазе (форсунки ввода воды на рисунке не показаны).
Испарение воды, подаваемой на поде 12, обеспечивает, наряду с подачей воздуха, остывание зольного остатка. При этом водяной пар и кислород воздуха на вышележащих подах 8-11 частично реагируют с нагретым ококсованным топливом, образуя водород и окись углерода. В нижней части реактора газовый поток направлен противотоком к движению твердого топлива - последовательно с пода 12 на 11, 10, 9, 8. Газообразные продукты из нижней части реактора также содержат водород и окись углерода и выводятся с пода 8 по газоходу 23 на под 3 в верхней части реактора.
Охлажденный зольный остаток выгружают по мере накопления с пода 12 через шлюзовой затвор 22. Выход золы-шлака составляет 115 кг/час. Получаемый горючий газ выводится из реактора с пода 7 по газоходу 16 при температуре около 800°С; газ свободен от пиролизных смол, имеет калорийность около 4 МДж/кг и может быть эффективно использован как топливо. При сжигании горючего газа в паровом котле физическое тепло горючего газа также используется для генерации энергии.
Настоящее изобретение предлагает решение технической задачи - получения из твердого топлива в непрерывном процессе и с высокой энергетической эффективностью свободного от пиролизных смол горючего газа и, при необходимости, остатка свободного от горючих составляющих.