УСТАНОВКА ДЛЯ КОНВЕРСИИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к средствам переработки твердого топлива в горючий газ и может быть использована для конверсии (газификации) твердых горючих веществ таких, как уголь, кокс, сланец, резина, горючих материалов растительного и животного происхождения, твердых коммунальных отходов. Полученные при конверсии твердых горючих веществ целевые продукты могут быть использованы как горючее для двигателей внутреннего сгорания, для получения тепла и электроэнергии, жидких моторных топлив и полезных химических продуктов.
Известно устройство для газификации твердого топлива, например угля, с получением смеси различных газов, включающее сосуд высокого давления, с которым связаны источник подачи твердого топлива, трубопроводы газообразного топлива, подачи газифицирующих реагентов и выхода летучих газов, а также отверстие для выброса твердых фракций посредством установленной в сосуде вращающейся решетки (патент РФ, №2084493, кл. С10J 13/14 1997 г.). Внутри сосуда высокого давления установлен трубчатый пиролизатор, в котором осуществляют взаимодействие газообразного и твердого топлива. Данная установка весьма сложна конструктивно и в эксплуатации.
Известна установка для газификации твердого топлива, в которой камера газификации внутри дополнительно содержит кольцеобразный транспортный канал. Внутри канала находится подающий топливо шнек. Топливо перемещается по транспортному каналу, где предварительно высушивается, нагревается, а затем попадает в камеру газификации (патент РФ, №2307864, кл. С10J 3/20, С10J 3/30, 2007 г.). Данная установка малопроизводительна, ее эксплуатация связана с большим количеством отходов.
Известна установка для переработки горючих твердых бытовых отходов в горючий газ на основе сверхадибатического разогрева, включающая камеру для газификации сырья посредством его последовательного перемещения в рабочих зонах газификации, содержащую колосниковую решетку, расположенную внизу камеры, фурмы для подачи газифицирующего агента, содержащего кислород, выходное отверстие для выпуска продукт - газа, зольник для сбора остатка с выходным отверстием для его выпуска. Установка содержит также транспортные цепи, находящиеся вне камеры газификации по загрузке сырья в камеру сверху и выгрузке из зольника остатка (патент РФ, №2150045, кл. F23G 5/027. 1998 г.). Данная установка весьма сложна, малопроизводительна.
Известна установка бескислородной паровой газификации угля в газогенераторе с кипящим слоем («Теплоэнергетика» №4, 1997 г., с.51-53). В газогенераторе сверху имеется средство для подачи в камеру сгорания дробленого угля с фракциями размером до 5 мм, снизу устройство подачи водяного пара и средство подачи воздуха для обеспечения автотермичности процесса. По оси корпуса в газогенератор вертикально вставлена труба для отвода продуктов газификации, нижний конец которой входит в зону паровой газификации, а продукты сгорания угля выводятся из газогенератора через отвод в верхней части корпуса газогенератора. Зола выводится в нижней части газогенератора. Установка также содержит устройство регулирования давления в зонах сгорания и паровой газификации. Теплота, выделяющаяся при сгорании топлива, переносится в объем кипящего слоя циркуляцией частиц. При этом процессе циркуляция горящих частиц и газов в корпусе газогенератора происходит хаотично, и это приводит к большому уносу не догоревших частиц и продуктов газификации с выводимыми из газогенератора продуктами сгорания, значительному засорению генераторного газа продуктами сгорания. Эти факторы обуславливают низкий выход продуктов газификации и низкий коэффициент превращения энергии топлива в энергию генераторного газа, а также значительное засорение продуктов газификации балластными газами и зольными частицами от сгораемого топлива. Данная установка принята в качестве наиболее близкого аналога для вариантов установки.
Задачей настоящей полезной модели является разработка установок, рассматриваемых в качестве вариантов для газификации (конверсии) твердого топлива в горючий газ, конструкции которых позволят повысить относительный выход горючего газа, снизить засорение горючего газа продуктами сгорания, снизить потери горючего газа с продуктами сгорания, снизить потери в виде не догоревшего топлива с продуктами сгорания и в результате повысить коэффициент полезного превращения энергии топлива в энергию горючего газа.
Поставленная задача обеспечивается тем, что конвертер вариантов установок разделен на камеру горения находящуюся в верхней его части, куда подается топливо и окислитель (топливная смесь), и камеру конверсии, которая расположена в нижней части конвертера. Данные камеры сообщены друг с другом каналом для пропуска твердых продуктов горения из камеры горения в камеру конверсии.
При функционировании установки может осуществляться раздельный вывод из конвертера газообразных продуктов горения и конверсии каждого по своему каналу через выводные устройства, автоматически регулируемые по величине давления в выводных каналах.
Выпуск зольных продуктов конверсии осуществляется через герметизирующее устройство, которое примыкает к выпускному каналу в нижней части конвертера.
Выполнение камеры горения предусматривает подачу в нее топливной смеси под давлением и придания этой смеси вихревого движения в камере горения. При этом газообразные продукты горения концентрируются в центральной части вихря, поднимаются вверх и выводятся из корпуса конвертера через канал и заслонку в верхней части камеры горения, а твердые продукты горения концентрируются в периферийной части вихря, опускаются и отводятся вниз в камеру конверсии, в которую снизу верх подается окислитель. В качестве окислителя может быть использован пар, кислород, воздух и др. В камере конверсии осуществляется газификация твердого топлива с получением в качестве продукта горючего генераторного газа.
Во втором варианте в процессе пропуска твердых продуктов из камеры горения в камеру конверсии осуществляется сепарация продуктов горения на твердые и газообразные и при этом газообразные продукты выводятся из корпуса конвертера по каналу через затворное устройство, автоматически регулируемое по давлению в канале.
Дополнительным техническим результатом является организация повышения теплоотдачи газовых продуктов горения в камеру газификации за счет пропуска отсепарированных газовых продуктов горения через пространство между корпусом конвертера и кожухом, который ограничивает камеру конверсии по боковой поверхности и передает тепло от газовых продуктов горения среде камеры конверсии, а также возможность производства пара в пароперегревателе, расположенном в пространстве между конвертером и кожухом. В этом случае в пароперегреватель снаружи подается вода и он может иметь выходы пара в камеру конверсии, что позволяет осуществлять в камере конверсии паровую газификацию разогретого в камере горения топлива.
Нетрудно заметить, что в заявленной установке конверсии твердого топлива разделены процессы производства тепла за счет горения в вихревом потоке топлива с окислителем в камере горения и конверсии не сгоревших продуктов, например, с паром в камере конверсии и при этом может быть организовано раздельное движение потока газовых продуктов горения за пределы корпуса конвертера от движения потока твердых продуктов горения, которое организовано в камеру конверсии. Кроме того, организован отдельный поток горючего газа из камеры конверсии за пределы конвертера. При этом автоматически поддерживается оптимальное соотношение объемов и давления выпуска газовых продуктов горения из камеры горения и газовых продуктов конверсии из камеры конверсии за счет автоматического изменения сопротивления затворных элементов на выпусках газовых
продуктов из конвертера. Подача топливной смеси в камеру горения осуществляется под давлением в пределах от 0.11 до 16 МПа и этому потоку в камере горения придается вихревое движение. При этом твердые частицы топлива в потоке могут иметь размеры в пределах до 10 мм. В камере конверсии не догоревшие и раскаленные частицы топлива, либо газифицируются за счет контакта с окислителем, либо пиролизуются без контакта с окислителем. При этом подается в камеру конверсии окислитель под давлением в пределах от 0,11 до 16 МПА и с температурой в пределах от 10°С до 560°С. Вихревое движение потока в камере горения обеспечивает возможность сепарации твердых и газовых продуктов горения в самой камере горения с раздельным их выпуском - твердых продуктов в камеру конверсии, газовых продуктов через затворное устройство за пределы камеры горения. Возможность использования мелкого топлива и более интенсивный процесс горения. позволяет уменьшить массогабариты конвертера и более полно использовать углерод топлива.
Во втором варианте установки используется сепарация твердых и газовых продуктов горения в процессе пропуска твердых продуктов из камеры горения в камеру конверсии и при этом газообразные продукты горения выводятся из корпуса конвертера по каналу через затворное устройство, автоматически регулируемое по давлению в канале.
Целесообразно, чтобы окислитель, подаваемый в камеру горения, предварительно подогревался за счет тепла газовых продуктов горения, и/или тепла конверсионного горючего газа, и/или тепла зольных остатков выводимых из конвертера, также целесообразно, чтобы генерация пара осуществлялась за счет тепла получаемого горючего газа, и/или тепла газовых продуктов горения, и/или тепла зольных остатков, выводимых из конвертера.
Целесообразно вводить топливную смесь совместно с плазмой в камеру горения в нескольких точках, для лучшего распределения и завихрения топливовоздушной смеси в камере горения.
При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленным, а следовательно, заявленная группа соответствует условию охраноспособности «новизна».
Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления группы заявленных решений.
Сущность заявленной группы решений поясняется графическими материалами, на которых:
на фиг.1 - установка для конверсии твердого топлива, первый вариант;
на фиг.2 - установка для конверсии твердого топлива, второй вариант;
на фиг.3 - установка с пароперегревателем.
Установка для конверсии твердого топлива (фиг.1) содержит конвертер 1 с футерованной его внутренней поверхностью, в верхней части конвертера образована камера вихревого горения 2, в которой размещен завихритель 3. На конвертере 1 смонтировано устройство 4 подачи топливной смеси (смеси топлива с окислителем) в камеру 2 и устройство 5 розжига подаваемой в камеру 2 топливной смеси. Устройство 5 может быть выполнено в виде жидко-топливной или газо-топливной горелки. Для розжига также может быть использовано плазменное устройство. Данные устройства известны и нет необходимости в их подробном описании.
В нижней части конвертера 1 имеется камера 6 конверсии, на которой установлено устройство 7 подачи в конвертер окислителя (например, пара или воздуха).
Камеры конвертера сообщены между собой посредством канала 8.
На конвертере, например, в верхней его части на камере 2 установлено устройство 9 отвода продуктов горения с регулируемым затворным элементом (заслонкой) 10.
На конвертере, например, в верхней части камеры конверсии установлено устройство 11 отвода газовых продуктов конверсии с регулируемым затворным элементом (заслонкой) 12.
В нижней части камеры конверсии имеется устройство отвода твердого остатка (золы), которое может быть выполнено в виде шнека 13 с приводом его вращения 14.
Затворные элементы 10 и 12 снабжены механизмами их перемещения (соответственно 15 и 16), управление которыми осуществляется блоком управления 17.
Установка для конверсии твердого топлива по второму варианту (фиг.2) отличается тем, что она оснащена сепаратором 18 для разделения твердых и газовых продуктов горения, размещенным на выходе из камеры 2 в канале 8. Устройство выхода продуктов горения размещено в данном варианте на конвертере, например, в верхней части камеры конверсии.
Каждый из вариантов установки может быть оснащен кожухом 19, размещенным в камере конверсии (фиг.3). Между кожухом и стенкой камеры размещен пароперегреватель 20, вход которого через патрубок 21 связан с магистралью подвода воды, а выход 22 - с полостью камеры конверсии. Получаемый в пароперегревателе пар используется в качестве окислителя, подаваемого в камеру газификации. Нагрев воды осуществляется передачей тепла газовыми продуктами горения, проходящими между кожухом и стенкой камеры конверсии.
На конвертере, в области камеры конверсии по ее контуру установлены плазмотроны 23, для подачи плазмы в камеру конверсии.
В каналах устройств 9 и 11 установлены датчики давления 24, связанные с блоком управления 17.
Выполнение блока управления, узлов и агрегатов установки, конструкция которых не раскрыта в настоящей заявке является известным и не составляет предмета патентной охраны.
Функционирование установки осуществляется следующим образом.
В процессе работы установки в камеру вихревого горения 2 устройством 4 на завихритель 3 подается топливная смесь, которая поджигается устройством 5 розжига. Соотношение окислителя и твердого топлива подбирается таким, чтобы в камере вихревого горения создавалась и поддерживалась температура в пределах 800-1400°С и в тоже время в твердых продуктах горения оставалось максимально возможное количество углерода. Это оптимальное соотношение твердого топлива и окислителя зависит от свойств и температуры топлива, свойств и температуры окислителя и рассчитывается исходя из конкретных параметров топлива и окислителя. Например, при наличии Кузнецкого каменного угля с теплотой сгорания в 26 Мдж/кг, выходе летучих веществ в 38% (мас), влажности 12% (мас), зольности 10% (мас), гранулометрическом составе угля до 5 мм, температуре воздуха 20°С, который используется в качестве окислителя, оптимальное соотношение топлива и воздуха находится в пределах от 1:1,4 до 1:2. После создания в камере горения устойчивого процесса вихревого горения и необходимой температуры, устройство 5 розжига отключается, и включается подача окислителя, например, пара из устройства 7 в камеру конверсии. Окислитель подается через распределительную решетку (не показана) снизу вверх с целью создания в камере восходящего потока пара, что при нисходящем потоке твердых частиц из камеры 2 увеличивает время нахождения твердых частиц в камере конверсии и интенсивность конверсии (газификации). Раскаленные твердые частицы из камеры 2 по каналу 8 под собственным весом поступают в камеру конверсии, где при их встрече с паром происходит газификация не догоревшего углерода, содержащегося в твердых частицах. При поступлении потока продуктов горения в виде твердых частиц из камеры 2 в канал 8, газовая часть продуктов горения из центральной части вихря направляется вверх, далее в канал газовых продуктов горения устройства 9, и далее через затворное устройство 10 газы направляются на очистку, дожигание и дальнейшее использование, например, на подогрев воздуха, подаваемого в составе топливовоздушной смеси. Попадание газовых продуктов горения в камеру конверсии исключается не только за счет пониженного давления в центре
вихря, но и за счет противодавления горючих газовых продуктов конверсии из камеры конверсии. Твердые продукты горения преодолевают указанное противодавление за счет собственного веса и повышенного давления на периферии вихря и по каналу 8 поступают в камеру 6 конверсии. Получаемые в камере 6 горючие газы из-за противодавления продуктов горения поступают в газовый канал 11 и далее через запорное устройство 12 проходят на дальнейшее использование. Твердый остаток газификации (зола) поступает под действием собственного веса на шнековое устройство 13 по выдаче золы из конвертера с приводом 14, в котором герметизация осуществляется за счет пробок золы. Учитывая, что давление в камерах 2 и 6 определяет необходимое направление движения газовых потоков продуктов горения и конверсии, его необходимо постоянно отслеживать датчиками 24, информация с которых выдается на блок управления. Блок управления в случае необходимости включает приводы 15 и 16 затворных элементов 10 и 12. Для повышения интенсивности и качества процессов в камерах горения и конверсии, в них могут подаваться совместно с топливом и/или окислителем соответствующие катализаторы. Кроме того, в камеру конверсии для повышения интенсивности и полноты конверсии плазмотронами 23 подается плазма на основе газа-окислителя, например, пара (пароплазма).
При работе установки по второму варианту газовые продукты горения из камеры 2 через сепаратор 18 поступают в канал 8 и далее через затворное устройство на дальнейшее использование, например, очистку, дожигание, производство пара и т.д., газовые продукты горения направляются в сепаратор 18 под действием противодавления газовых продуктов конверсии, а твердые продукты горения преодолевают противодавление газовых продуктов конверсии за счет собственного веса и поступают по каналу 8 в камеру конверсии 6. В камеру 6 через подающее устройство 7 подается окислитель для конверсии разогретого твердого топлива поступающего из камеры 2. Аналогично изложенному выше подается и плазма. Зола от конверсии и горения твердого топлива под действием собственного веса поступает на шнековое устройство 13 по выдаче золы из конвертера с приводом 14, в котором герметизируется за счет пробок золы.
При наличии в конструкции установки (для двух вариантов) (фиг.3) кожуха 19 и пароперегревателя 20, установленных в камере 6, газы, проходящие по зазору между кожухом и стенкой камеры нагревают воду до состояния пара, который подается в камеру 6 в качестве окислителя и дополнительно подогревают камеру 6.
Пример
В камеру 2 конвертера подавалась топливовоздушная смесь каменного угля с гранулометрическим составом до 5 мм, теплотой сгорания 26 МДж/кг, влажностью 12 мас.%,
3
3
зольностью 10 мас.%, выходом летучих веществ 35 мас.%. Соотношение в смеси угля и воздуха составляло 1:1,45. Температура воздуха в смеси составляла 180°С. Смесь угля и воздуха подавалась под давлением 16 МПа. Температура в камере горения поддерживалась 1400°С. В камеру 6 подавался пар при давлении 16 МПа и температуре 560°С и плазма. При этом был получен из камеры 6 горючий газ с теплотой сгорания 11,4 МДж/м с весьма низким содержанием балластных компонентов в газе. В газовых продуктах выводимых из камер 2 и 6 практически отсутствовали не сгоревшие частицы топлива. Расчеты показали, что на получение 1000 м горючего газа по данному способу расходуется 560 кг данного вида угля, что на 12% меньше чем по известному из наиболее близкого аналога решению.