РЕАКТОР ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ КОНВЕРСИИ ТВЕРДЫХ ГОРЮЧИХ ИСКОПАЕМЫХ, БИОМАССЫ, БЫТОВЫХ ОТХОДОВ И РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ
REACTOR FOR THERMOCHEMICAL CONVERSION OF SOLID FOSSIL FUELS, BIOMASS, HOUSEHOLD WASTES AND RUBBER TECHNICAL GOODS

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано при энергообеспечении промышленных и коммунально-бытовых потребителей на базе получения из низкокалорийных твердых топлив, например сланцев, лигнитов, биомассы, резинотехнических изделий и бытовых отходов, высококалорийного жидкого и газообразного топлива, а также высокоценных химических продуктов.
Ограниченность традиционных легкодоступных ресурсов нефти и газа побуждает разрабатывать меры по повышению энергетической эффективности технологических процессов, а также вовлекать в топливно-энергетический баланс альтернативные виды энергоносителей (низкосортные горючие сланцы, тяжелые нефти, лигниты, торф, биомассы, твердые бытовые отходы, отработавшие ресурс резинотехнические изделия и пр.).
Известна схема установки для термической переработки твердых топлив (Патент РФ на изобретение №2117687. МПК С10B 53/06, C10B 49/16, C10J 3/20, C10J 3/86. Установка для термической переработки твердых топлив / Э.П. Волков, А.Ф. Гаврилов, О.П. Потапов – аналог), содержащая питатель топлива, связанный со смесителем топлива и золы-теплоносителя, подсоединенным также к зольному выходу циклона теплоносителя и реактору пиролиза, выполненному в виде вращающегося барабана и подключенному к осадительной камере, коксозольный выход которой соединен шнековым питателем коксозольного остатка для его дожигания в потоке воздуха с аэрофонтанной топкой, а другой – с отделением конденсации парогазовой смеси. При этом выход аэрофонтанной топки связан через делитель потоков с входом циклона теплоносителя и его газовым выходом, соединенным газоходом продуктов сгорания с оснащенным воздухоподогревателем котлом-утилизатором. Выход продуктов сгорания из котла-утилизатора подключен к золоуловителю с газоходом.
Установка снабжена смешивающим пылегазовые потоки устройством, вход которого подключен газоходом продуктов сгорания к выходу циклона теплоносителя, а выход – к входу котла-утилизатора, при этом два других входа устройства, смешивающего пылегазовые потоки, соответственно соединены газопроводом рециркуляции, снабженным дымососом, с газоходом за золоуловителем котла-утилизатора и через воздуховод нагретого воздуха – с коробом нагретого воздуха воздухоподогревателя.
Однако данная установка характеризуется недостаточно эффективным процессом пиролиза, проходящим в реакторе за счет наличия процесса остаточного газовыделения коксозольного остатка внутри реактора, в результате чего происходит разбавление парогазовой смеси. Кроме того, установка характеризуется повышенной металлоемкостью и относительно большим временем полукоксования – 20-30 мин.
Известна также и другая схема установки для термической переработки измельченного твердого топлива (Патент РФ на изобретение №2315910. МПК F23K 1/04. Установка для термической обработки измельченного твердого топлива / О.Ю. Косова, Ю.Я. Печенегов, Л.В. Печенегова, С.Ю. Печенегова – аналог), содержащая камеру с газораспределительной решеткой и засыпкой инертных твердых частиц, технологическую топку для сжигания коксового остатка, трубчатые реакторы, размещенные в засыпке, сепараторы и питатели топлива и коксового остатка, теплообменник для утилизации теплоты уходящих газообразных продуктов сгорания, дополнительно установленный трубчатый теплообменник контактного типа для закалки получаемого целевого газа и предварительного подогрева частиц топлива и теплообменник для передачи теплоты зольного остатка газу-носителю, подаваемому в трубчатые реакторы.
При этом данная установка имеет ряд недостатков, приводящих к снижению эффективности термической конверсии твердого топлива, а именно: при подачи псевдоожижающего агента через инертную засыпку возникает интенсивный ее контакт со стенкой трубчатого реактора, что приводит к истиранию металла и снижению надежности работы установки; происходит разбавление продуктов термического разложения газом-носителем; повышается металлоемкость установки.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является реактор для термического разложения твердых горючих ископаемых (Патент РФ на изобретение №2342421. МПК С10B 53/06, C10B 49/00. Реактор для термического разложения твердых горючих ископаемых / В.Н. Илясов – прототип), содержащий загрузочный бункер, топку, корпус реактора, снабженный дымоходом, реакторный шнек для перемешивания и перемещения твердого горючего ископаемого по длине корпуса, на входе связанный с загрузочным бункером, а на выходе – с отводящим каналом для парогазовой смеси, герметизирующую камеру, расположенную на выходе реакторного шнека, связанную со входом топки, воздуходувку, соединенную со входом топки. Топка расположена с возможностью нагрева корпуса реактора с его внешней стороны, при этом корпус выполнен из теплопроводного материала (жаропрочная сталь), а загрузочный бункер по технологическому циклу расположен между корпусом и топкой.
Однако в известной установке для генерации газового теплоносителя применяется аэрофонтанная топка, обладающая рядом недостатков: сложность регулирования, неравномерность температурного поля, большие габариты камер при малых размерах частиц горящего топлива и пр. Кроме того, в данном реакторе утилизатор теплоты установлен до корпуса реактора, что ведет к снижению температуры омывающего газового теплоносителя и ухудшению условий конвективного и лучистого теплообмена.
Задачей изобретения является создание устройства термохимической конверсии углеводородных материалов, обеспечивающего наиболее полное использование их химического потенциала.
Технический результат заключается в получении обогащенной парогазовой смеси при снижении энергозатрат за счет полезного использования отходящих газов, а также в уменьшении необходимого времени пребывания частиц перерабатываемого материала в реакторе. Кроме того, за счет применения циклонной топки с щелевым воздухораспределителем уменьшается металлоемкость установки, улучшаются условия генерации теплоносителя и полноты выгорания углерода полукокса.
Поставленная задача решается тем, что в реакторе термохимической конверсии твердых горючих ископаемых, биомассы, бытовых отходов и резинотехнических изделий, включающем загрузочный бункер, топку, корпус реактора, снабженный дымоходом для отвода отработавшего теплоносителя, реакторный шнек, снабженный отводящим каналом для парогазовой смеси, связанные со входом топки воздуходувку подогретого воздуха и герметизирующую камеру, расположенную на выходе реакторного шнека, согласно предлагаемому техническому решению топка выполнена циклонного типа, а реактор содержит дозирующий питатель с расходным бункером, пылеосадительную камеру, ограниченную стенками корпуса реактора и связанную с выходом циклонной топки, шнек для удаления зольного остатка, выпадающего из потока газового теплоносителя в пылеосадительной камере, расположенный в корпусе реактора, щелевой воздухораспределитель, расположенный на входе циклонной топки, при этом вход реакторного шнека связан с выходом расходного бункера, вход которого связан через дозирующий питатель с выходом загрузочного бункера, вход циклонной топки соединен через герметизирующую камеру с выходом реакторного шнека и через щелевой воздухораспределитель – с выходом воздуходувки подогретого воздуха, выход циклонной топки последовательно соединен с пылеосадительной камерой, реакторным шнеком и дымоходом для отвода отработавшего теплоносителя, а реакторный шнек и шнек для удаления зольного остатка связаны посредством цепного привода.
Реактор также содержит опорные конструкции, закрепленные на основании корпуса реактора для восприятия веса всего реактора и передачи нагрузки на фундамент, а также реактор может содержать систему утилизации теплоты, выполненную в виде котла-утилизатора и/или воздухоподогревателя, расположенную на выходе из дымохода.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен реактор термохимической конверсии твердых горючих ископаемых, биомассы, бытовых отходов и резинотехнических изделий на базе шнекового пиролизера. Позициями на чертеже обозначены: 1 – расходный бункер; 2 – дозирующий питатель; 3 – загрузочный бункер; 4 – реакторный шнек, выполненный из жаропрочной стали; 5 – дымоход для отвода газового теплоносителя; 6 – отводящий канал для парогазовой смеси (газоход для отвода продуктов конверсии в систему конденсации и разделения); 7 – воздуходувка; 8 – циклонная топка для дожигания полукокса; 9 – корпус реактора, футерованный огнеупорным и теплоизоляционным покрытием; 10 – шнек для золоудаления; 11 – цепной привод шнеков от редуктора; 12 – опорные конструкции; 13 – пылеосадительная камера; 14 – герметизирующая камера; 15 – щелевой воздухораспределитель; 16 – нижнее газоотборное отверстие циклонной топки.
Установка содержит основной корпус реактора 9, опорные конструкции 12, цепной привод шнеков 11, пылеосадительную камеру 13, шнек золоудаления 10, дымоход 5 для отвода отработавшего газового теплоносителя, например в систему утилизации, расходный бункер 1, загрузочный бункер подготовленного (размолотого и высушенного) твердого углеводородного материала 3, дозирующий питатель 2, реакторный шнек 4 для перемешивания и перемещения твердого горючего ископаемого по длине корпуса, выполненный из жаропрочной стали, отводящий канал 6 для отвода образующихся продуктов конверсии, которые поступают затем в систему конденсации и разделения, циклонную топку 8, снабженную герметизирующей камерой 14, щелевым воздухораспределителем 15, воздуходувкой 7.
В установке реализовано последовательное соединение (по технологическому циклу) загрузочного бункера 3, дозирующего питателя 2, расходного бункера 1, реакторного шнека 4, в котором образуется парогазовая смесь (ПГС), отбираемая через отводящий канал (газоход) 6 герметизирующей камеры 14, препятствующей проскоку газов термической деструкции в циклонную топку 8, циклонной топки 8, пылеосадительной камеры 13 и дымохода 5. При этом вход циклонной топки 8 также связан с воздуходувкой 7 через щелевой воздухораспределитель 15, обеспечивающий интенсивную крутку коксовых частиц и их полное сгорание в объеме топки 8. Корпус реактора 9 связан через шнек для золоудаления 10 с опорными конструкциями 12. Шнек для золоудаления 10 через цепной привод 11 соединен с реакторным шнеком 4. Циклонная топка 8 для сжигания полукокса через нижнее газоотборное отверстие 16 соединена с пылеосадительной камерой 13 и выполнена с ней в едином корпусе 9.
Герметизирующая камера 14 расположена в циклонной топке 8 и может быть выполнена в виде металлического отвода для создания коксозольной пробки на выходе из реакторного шнека 4. Герметизирующая камера может быть изготовлена, например, из стали марок 10Х11Н20Т3Р, 12Х18Н9, 20Х23Н18, и выполнена диаметром, соответствующим диаметру реакторного шнека 4. Корпус реакторного шнека 4 имеет длину и диаметр, обеспечивающие процесс полукоксования за проход по длине реактора. Выход дымохода может быть соединен с системой утилизации, снабженной котлом-утилизатором и/или воздухоподогревателем для повышения эффективности использования газового теплоносителя. Шнек для золоудаления 10 соединен с редуктором с электродвигателем (на Фиг. не показан).
Заявляемый реактор работает следующим образом. Подготовленный твердый углеводородный материал (горючий сланец, торф, бурые угли, резинотехнические изделия, бытовые отходы и пр.) из загрузочного бункера 3 дозирующим питателем 2 подается в расходный бункер 1, откуда попадает в реакторный шнек 4. Для вращения шнека 10 его соединяют с редуктором, приводимым в действие электродвигателем (на Фиг. не показано). При вращении шнека для золоудаления 10 происходит передача крутящего момента через цепной привод 11 валу реакторного шнека 4. Таким образом, происходит перемешивание и перемещение частиц перерабатываемого (конвертируемого) материала.
Степень заполнения материалом живого сечения реакторного пространства должна составлять 50-60% для нормального протекания процесса выгазовывания. Материал, соприкасаясь с разогретой стенкой реакторного шнека, получает теплоту, необходимую для протекания реакций термодеструкции его органической части. Газообразные продукты разложения выводятся ближе к концу реактора через газоход 6, линейная скорость перемещения материала по реакторному шнеку 4 выбирается с учетом конечного целевого назначения получаемых продуктов (смещения пропорции между жидкими и газообразными продуктами) поскольку конечной температурой нагрева можно управлять количественным и качественным соотношением продуктов термохимической конверсии твердых углеводородов.
Для исключения попадания в полости реакторного шнека 4 газов из циклонной топки 8 на выходе шнека 4 установлена специальная герметизирующая камера 14, с которой полукокс подхватывается нагретым воздухом, подаваемым воздуходувкой 7 через щелевой воздухораспределитель 15. Продукты сгорания полукокса, покидая вертикальную циклонную топку 9, через нижнее газоотборное отверстие 16 попадают в пылеосадительную камеру 13, в которой за счет увеличения живого сечения снижается скорость газового теплоносителя (продуктов сгорания полукокса), что приводит к уменьшению несущей способности потока и выпадению зольных частиц в нижнюю часть камеры, откуда шнеком для золоудаления 10 они выводятся из пылеосадительной камеры 13.
Подготовленный таким образом теплоноситель поднимается вверх и омывает стенку реакторного шнека 4, выполненную из жаропрочной стали. В процессе контакта теплоносителя и стенки реакторного шнека 4 происходит интенсивный теплообмен и отработавший теплоноситель с пониженной температурой через дымоход 5 поступает, например, в систему утилизации, где доохлаждается в котле-утилизаторе и воздухоподогревателе. Весь реактор через опорные конструкции 12 связан с фундаментом площадки термохимической конверсии твердых углеводородных материалов для восприятия веса всего реактора и передачи нагрузки на фундамент.
2
к
Работоспособность установки была проверена экспериментально. Разложению подвергался горючий сланец первого пласта Коцебинского месторождения с показателями: влага общая (рабочая) - 35%; зола на сухое топливо - 50%; (СО) - 13%; сера общая - 5%; низшая теплота сгорания рабочего топлива - 6,3 МДж/кг. Выход продуктов полукоксования составил, %: смола - 20,0; пирогенетическая вода разложения - 4,8; полукокс - 66,6; газ и потери - 8,6.
При вращении звездочки цепной передачи 11 с частотой 8-10 об/мин крутящий момент передавался на шнек 4, при этом подсушенный горючий сланец с фракцией 0-1,4 мм перемещался и подвергался нагреву до 400-450 °С, что приводило к термическому разложению (полукоксованию) частиц с образованием парогазовой смеси (ПГС), состоящей из смоляных продуктов и горючего газа. ПГС удалялась через газоход 6, а полукокс в виде науглероженной минеральной матрицы через герметизирующую камеру 14 поступал в циклонную топку 8, туда же через щелевой воздухораспределитель 15 подавался воздух от воздуходувки 7 с температурой 300-400 °С. Образовавшиеся продукты сгорания полукокса в пылеосадительной камере 13 очищались от механических примесей и направлялись на обогрев реакторного шнека 4 с температурой 750-850 °С. Корпус реакторного шнека 4 выполнялся с длиной 2,0-3,5 м и диаметром 0,25-0,50 м, для обеспечения пиролиза горючего сланца. Время пребывания частиц перерабатываемого сланца в экспериментальном реакторе составляло 3,5-6 мин.
В экспериментальной установке для отвода теплоты теплоносителя для интенсификации процессов теплопередачи в реакторном шнеке был осуществлен перенос утилизатора теплоты в дымоход, что позволило получать теплоноситель (горячую или перегретую воду) и подогретый воздух для циклонной топки 8.
Таким образом, заявляемая установка позволяет получать обогащенную парогазовую смесь (горючий газ и жидкие углеводороды в виде паров смолы) при снижении энергозатрат за счет увеличения полноты использования отходящих газов, а также уменьшить необходимое время пребывания частиц перерабатываемого материала в реакторе по сравнению с известными аналогами, что позволяет снизить металлоемкость установки. Кроме того, за счет применения циклонной топки уменьшается металлоемкость установки, улучшаются условия генерации теплоносителя и полноты выгорания углерода полукокса. Также, за счет комбинированной выработки энергоносителей и материалов снижается их удельная себестоимость и повышается эффективность производства. Использование установки обеспечивает снижение вредных выбросов в окружающую среду.