СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ СЫПУЧЕЙ ОРГАНИКИ В ВЕРТИКАЛЬНОМ РЕАКТОРЕ ГАЗИФИКАЦИИ
METHOD FOR THERMAL DECOMPOSITION OF LOOSE ORGANIC MATTER IN A VERTICAL GASIFICATION REACTOR

Изобретение относится к области переработки любых органических веществ и отходов (шелуха семян, опилки и проч.), методом термического воздействия без доступа кислорода. Способ реализуется при помощи вертикального реактора и вспомогательных систем, объединенных в единый комплекс.
Из уровня техники известны следующие технические решения.
Известен способ переработки отходов, включающий их газификацию при 350-1000°С и обработку газифицирующим агентом до содержания органических веществ в отходах ниже 100 г/т. Далее полученную газовую смесь подвергают расщеплению при 950-1050°С в течение 1 с на низкомолекулярные соединения или элементы, которые вводят в воду при 200-800°С для разделения на синтез-газ и низкомолекулярные соединения. Синтез-газ обрабатывают в присутствии катализатора с получением жидких углеводородов или спиртов, газообразных углеводородов и двуокиси углерода (патент RU №2014346, 04.04.1994).
Описанный способ требует больших энергетических затрат, к тому же для поддержания теплового баланса процесса газификации органических отходов в конвертер подают кислород и водород, полученные путем электролиза воды, который является весьма дорогим процессом.
Также известен способ деструкции органических отходов, включающий: нагревание материала до температуры, достаточной для получения сырого синтез-газа; сжигание сырого синтез-газа для получения горячих газов сжигания; теплообмен между указанными газами сжигания и теплоприемником для охлаждения отработавшего газа; охлаждение и мокрую очистку указанного отработавшего газа; контроль температуры отработавшего газа после указанного обмена, но до указанного охлаждения и мокрой очистки, и регулирование параметров способа для поддержания указанной температуры отработавшего газа выше уровня, при котором могут образовываться диоксины (патент РФ №2524909, опубликован 10.08.2014).
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является способ газификации по патенту РФ №2360949, 10.07.2009, использующий реактор газификации, содержащий котел с двумя концентрично расположенными один в другом внутренним и внешним кожухами, выполненными в виде кольцевых теплообменных рубашек, с газоходом между ними, с лопастным ворошителем сырья и усеченным конусом, зоны первичной газификации и регенерации газов, горелку, колосниковой решеткой фурмы для подачи пара в зону регенерации, крышкой и установленным на ней реверсивным приводом несвязанной с ним отсасывающей трубой с трубным разравнивателем, с закрепленным под ним лопастным ворошителем сырья и с установленными на свободном конце трубы фурмами для подачи паров воды из зоны скопления пара в зону первичной газификации сырья.
Известный способ обеспечивает двухстадийное получение газа теплотворной способностью не выше 1560 ккал, поскольку снижению калорийности газа способствует и горение излишне вырабатываемого синтез-газа в зоне горения первичной газификации, ввиду того, что в составе синтез-газа уже присутствует большое количество азота, а его горение в этой зоне обуславливает увеличение количества азота, сначала в первичной зоне газификации, а затем и в получаемом синтез-газе. К тому же, горение синтез-газа в первичной зоне поддерживает температуру горения 1500°С для того, чтобы в зоне регенерации поднять до максимально возможной температуры синтеза, в то же время, эта температура способствует началу образования NOx в синтезируемом газе, а при применении полученного газа в газопоршневых электростанциях либо в горелках отопительных систем, где температура горения превышает 1500°С, вырабатывается дополнительное NOx, что приводит к загрязнению окружающей среды.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в разработке технологии, обеспечивающей максимальную очистку сырья (син-газ и кокс), получаемого в результате термической переработки органических отходов.
Поставленная задача решается конструктивными компонентами комплекса, осуществляющего термическую переработку, позволяющими управлять временем нахождения исходного материала в реакторе и удалить все летучие компоненты из сырья, насытив этим газ и улучшив пористые свойства кокса, и упростить процесс дальнейшей очистки газа. Кроме того, в предлагаемом способе используется упрощенная по сравнению с известными комплексами конструкция с высокой производительностью.
Таким образом, технический результат, обеспечиваемый заявленным изобретением заключается в повышении степени очистки продуктов термической переработки органических отходов перед их дальнейшей обработкой, в том числе способ позволяет удалить все летучие компоненты из кокса перед его активацией и разрушить смолистые соединения из газа перед его дальнейшей очисткой.
Заявленный технический результат достигается за счет осуществления способа термической деструкции сыпучей органики, включающей этапы, на которых сырье размером фракции 1-30 мм подают шнековым транспортером, снабженным частотным приводом, в вертикальную камеру подачи сырья, включающей ротор с лопатками, размещенными с увеличивающимся шагом от нижних лопаток к верхним, посредством вращательного движения которых сырье перемещают снизу вверх, проходя через камеру , разогретую до 850-950°С, где сырье распадается на кокс и газовую составляющую, в верхней части камера подачи сырья соединена с накопителем, посредством которого кокс из верхней части камеры подачи сырья самотеком сверху вниз перемещается в шнековый спиральный транспортер, оборудованный водяной рубашкой, в котором снизу вверх под наклоном 28-32° к горизонтали перемещают одновременно охлаждая кокс, откуда охлажденный кокс выгружают в накопительный бункер, а газовую составляющую сырья выводят из верхней части камеры подачи сырья посредством патрубка вниз обратно в зону вторичного нагрева, где подвергают повторному воздействию температуры 930-980 °С в течение 1,5 секунд и выводят из нижней части патрубка в систему дальнейшей обработки газа перед использованием.
Частотный привод, входящий в состав шнекового транспортера позволяет управлять расходом сырья и производительностью установки, зависящей от времени нахождения сырья в реакторе, что обеспечивает удаление всех летучих компонентов из сырья и улучшение пористых свойств кокса, получающегося в результате термической переработки сырья. Лопатки, размещенные с переменным шагом, увеличивающимся от нижних лопаток к верхним, способствуют перемещению сырья вверх с одновременным ворошением. Увеличение шага между верхними лопатками по сравнению с нижними позволяет менять скорость перемешивания в области нагрева без снижения скорости вращения ротора и скорости перемещения сырья снизу-вверх, что также улучшает пористые свойства кокса и обеспечивает отделение летучих компонентов от кокса и передачи их в получаемый газ. Повторный нагрев выделившихся газов до 950 °С в течение 1,5 секунд позволяет разрушить смолянистые соединения (нафталиновые и парафиновые фракции) и существенно упростить процесс дальнейшей очистки газа.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг.1 - схема технологической установки, посредством которой осуществляется способ.
Фиг. 2 - на которой приведен вид в разрезе А-А с фиг.1.
Твердое вещество (шелуха семян, опилки и т.д.) размером не более 30 мм и влажностью не более 12% подается шнековым транспортером 1 в вертикальную камеру подачи сырья с лопатками 2. Шнек 1 снабжен частотным приводом и управляет расходом сырья и производительностью установки, которая составляет от 0,5 до 5,0 т/ч.
Далее сырье, с помощью направляющих лопаток с подпором сырья от шнека 1, попадает в камеру газификации 5. Камера 5 разогревается дымовыми газами горелки до 850-950°С. При температуре менее 850 °С помимо твердой и газовой составляющей образуется жидкость, обработка которой требует дополнительных трудозатрат, а также дополнительные действия необходимы для удаления жидких фракций из твердых и газовых продуктов термической деструкции. При температуре более 950°С образуются дополнительные азотные, сернистые и галогенизированные соединения, способные губительно воздействовать на материалы устройств систем, для использования в которых предназначен син-газ. Частота лопаток 4 на пустотелом роторе 3 изменяется в сторону уменьшения к верху. Увеличение расстояния между лопатками, например, на 1 см. по сравнению с соседними лопатками ниже (другими словами, постепенно увеличивающееся расстояние между верхними лопатками по сравнению с нижними) позволяет менять скорость перемешивания в области нагрева без снижения скорости вращения ротора и скорости перемещения сырья снизу-вверх.
При вращении ротора 3 происходит перемешивание сырья. Лопатки изготовлены таким образом, чтобы способствовать движению сырья вверх, а также ворошить его. Лимитирует скорость прохождения сырья по всей длине реактора шнек 1 с частотным приводом. В процессе движения вверх сырье быстро нагревается, и без доступа кислорода подвергается распаду (деструкции) на углеродный остаток (кокс), водород, угарный газ и простейшие органические газы (метан, этан и другие углеводороды с примесями).
В верхней части камеры газификации пиролизные газы отводятся патрубком 6 в зону вторичного нагрева, где подвергаются повторному воздействию температуры 950 °С в течение 1-2 (предпочтительно 1,5) секунд. Этого воздействия достаточно для разрушения структуры полиароматических углеводородов (в первую очередь нафталиновой группы) и очистки газов от паров смол. Далее газы подлежат охлаждению для использования в энергетических установках.
Углеродный остаток верхними лопатками выгружается в накопитель 7. Далее, углеродный остаток шнековым транспортером 8, отводится из системы. Кокс охлаждается до температуры <40 °C в шнековом транспортере 8, оборудованном водяной рубашкой 9. Направление поступления воды в патрубок водяной рубашки 9 и вывод воды показан стрелками. Охлажденный кокс может быть выгружен в бункер для хранения или подвержен дальнейшей паровой активации до активированного угля. Спиральная конструкция шнекового транспортера 8 и его наклон к горизонтали 28-32 ° позволяет исключить выход пиролизных газов из реактора.
Все процессы, протекающие в установке, оптимизированы для максимального удаления летучих углеводородов из сырья и получения качественного однородного кокса для его дальнейшей активации до активированного угля, а также получение сингаза. Сингаз может быть использован в качестве газового топлива в сторонних системах. Изобретение обладает большой гибкостью и позволяет широко управлять температурой, производительностью, скоростью перемешивания в зоне реакции.