Плазмохимический газогенератор

Предлагаемое техническое решение относится к области газификации твердого топлива и водных суспензий с содержанием частиц топлива и может быть использовано в коммунальном хозяйстве, в топливной, химической и металлургической промышленности, автомобильном и железнодорожном транспорте.
Известны два способа термической переработки твердого топлива: с получением горючего газа с подводом тепла извне и с получением тепла в процессе газификации за счет сжигания части топлива. В последние годы разработаны проекты использования тепла атомных реакторов для газификации углей, в основном, за счет исполнения перегретого пара; имеются предложения по использованию различных твердых тел (шаров, гранул и т.д.), нагретых вне газогенератора, для газификации.
Так, в способе Lurgi-Ruhrgas, тепло в газогенератор вводится нагретыми шариками AI203, движущимися противотоками к угольной пыли. Гранулы AI203 выводятся снизу газогенератора. В способе Coalcon горячая зола из первого газогенератора является теплоносителем во втором газификаторе. В способе Cogas (США) теплоносителем является горячий осадок от сжигания кокса или керамика. Однако, при способе газификации твердого топлива, патент №2064003850оС, теплоноситель является
либо трудногенерируемым (в случае СаО), либо легко спекающимся с золой (AL2O3, керамика).
Известно устройства, для газификации твердого топлива, содержащее цилиндрический корпус, в котором происходит разложение топлива в расплаве солей или металлов нагретого автономно теплоносителем, а в качестве теплоносителя используют порошки или гранулы или расплавы меди, ее сплавов или оксидов металлов (см патент РФ 2064003, по кл. С10J 3/57 за 1993 г.
Также известно устройство для газификации твердых видов углеродного топлива включающий нагрев, пиролиз подаваемого в ванну с расплавленным шлаком герметичной электродной электропечи углеродного топлива при пропускании через шлаковый расплав газифицирующих агентов, а также пропускании электрического тока, удаление из рабочего пространства печи синтез-газа, шлака и металлического сплава, через шлаковый расплав пропускают трехфазный электрический ток, величина которого определяется в соответствии с расходом твердого топлива и с учетом необходимой мощности (см патент RU 2521638 по по кл. С10J 3/46 за 2012 г. )
Недостатком этих устройств, является то, что слишком много тепловой энергии тратится на газификацию, сложно управлять производительностью процесса, либо в смеси очень много углекислого газа, есть азот, мало водорода, и нет метана. Кроме того, недостатками технологии на основе автотермической плавки в жидкой ванне являются также: ограниченность устойчивых технологических режимов автогенного процесса; сложность пуска и остановки, а также громоздкость таких газификаторов.
Также известна плазменная энерготехнологическая установка для получения газа и электроэнергии из низкосортного твердого топлива содержащая плазмохимический реактор, компрессор, парогенератор и турбогенератор с введенным В него узел разделения, который имеет две последовательно установленные мембранные установки с компрессором между ними (см. патент RU 02055091 по кл. C10J- 3/18 за 1996 г.
Наиболее близким к предлагаемому плазменному реактору является аппарат для газификации углей, представляющий вертикальный водоохлаждаемый цилиндр, футерованный графитом. Через верхнюю крышку введены стержневые графитовые электроды. Снаружи камера реактора охвачена электромагнитной катушкой - соленоидом, питаемый постоянным током от независимого источника. В камере реактора между стенкой и стержневыми графитовыми электродами горит трехфазная электрическая дуга переменного тока в постоянном магнитном поле. Измельченный уголь и водяной пар, подаваемые в камеру реактора сплошной струей через крышку, подхватываются плазменными струями расширяющихся столбов и, интенсивно нагреваясь, отбрасываются на стенку камеры. При движении частиц угля в объеме камеры реактора происходит газификация топлива. Шлак стекает в шлакосборник, а образующийся синтез-газ удаляется на дальнейшую обработку. Известный аппарат обеспечивает степень газификации угля 91,1-93,5 степень перевода серы в газовую фазу 90,8-96,7 Получаемый газ состоит из СО и Н2 на 95,6-95,8 Применение водяного пара в качестве газифицирующего агента существенно ускоряет эрозию графитовой футеровки камеры и износ графитовых стержневых электродов, что сокращает ресурс реактора и повышает расход дорогостоящих графитовых электродов. Снижению ресурса аппарата также способствует наличие гладких стенок реактора, что приводит к беспрепятственному стеканию расплава по стенке и ее оголению (см. патент RU 2087525 C1, 20.08.1997).
Недостатком этих устройств, является то, что слишком много тепловой энергии тратится на газификацию, сложно управлять производительностью процесса, либо в смеси очень много углекислого газа, есть азот, мало водорода, и нет метана. Кроме того, недостатками технологии на основе автотермической плавки в жидкой ванне являются также: ограниченность устойчивых технологических режимов автогенного процесса; сложность пуска и остановки, а также громоздкость таких газификаторов.
Техническим результатом заявляемого изобретения является устранение указанных выше недостатков, создания высокопроизводительного, экологически чистого способа газификации твердого топлива, в малогабаритной установке, с широкими пределами регулирования производительности, легкостью пуска и остановки, производством высококалорийного газа, с высоким содержанием водорода.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в плазмохимическом газогенераторе, содержащем вертикально расположенную цилиндрическую камеру газификации, внутренняя поверхность армирована керамикой, каналы подвода горючей смеси и отвода газа, катод, расположенный по длине камера и закрепленный в центре, и анод, расположенный в камере параллельно катоду, и закреплен со смещением относительно катода в радиальном направлении, причем катод и анод закреплены в верхней части камеры на фарфоровых изоляторах, внутри камеры, между анодом и катодом закреплен сепаратор, катод снабжен тугоплавким выступом, а на дне камеры установлена индукционная катушка, сепаратор установлен с зазором относительно дна емкости, а его тело выполнено газонепроницаемым, анод выполнен из графита или шунгита, а тугоплавкий выступ катода выполнен из вольфрама катушка закрыта сверху теплоизоляционным слоем например стеклом, анод может выполнен в виде нескольких отдельных стержней или в виде кольцевой плоскости, полость между анодом и сепаратором дополнительно снабжена отдельным каналом не соединенный с отводящим каналом.
Предлагаемое устройство поясняется графической частью, на которых изображено:
На фиг. 1 - продольный разрез предлагаемой газогенератора.
На фиг. 2 - Сечение по А-А фиг. 1.
Предлагаемый генератор содержит корпус 1 с цилиндрической камерой 2, боковая поверхность 3 которой покрыта керамическим покрытием 4. Снизу камера 2 снабжена каналом 5 для подвода, а вверху выполнена полость 6 для вывода рабочей газа. В центре камеры 2 установлен катод 7 и анод 8, причем анод может быть выполнен в виде кольца, отдельных стержней или пластин. Катод 7 и анод 8 закреплены в корпуса 1 на изоляторах 9, выполненных из фарфора. Камера 1 снабжена сепаратором 10, установленным между анодом 8 и катодом 7. Катод 7 снабжен тугоплавким выступом 11. Со стороны дна камера 2 установлена индукционная катушка 12 с теплоизоляционным слоем 13. В верхней части камеры 1 между сепаратором 10 и анодом 8 дополнительно выполнен канал 15., а сепаратор 10 установлен с зазором 16 относительно дна камеры 2. Сверху корпус 1 закрыт крышкой 17. В крышке 17 выполнена магистраль 18, расположенная между анодом 8 и сепаратором 10. Крышка 17 закреплена на корпусе 1 например болтами 19.
Сборка предлагаемого газогенератора осуществляется следующим образом. Корпус 1 с керамическим покрытием 4 и установленной внутри камеры 2 индукционной катушкой 12 наружными выступами устанавливается в необходимом месте. Затем сверху на корпус 1 устанавливается крышка 17, в которой закреплены катод 7, анод 8 и сепаратор 10. Затем Канал 5 соединяется с подающей магистралью, а полость 6 и магистраль 18 соединяются с резервуарами (не показано). Анод 8 и катод 7 соединяется с источником питания электроэнергией, а индукционная катушка 12 соединяется с дополнительным источником питания. Крышка 17 гермитезируется относительно корпуса 1 и закрепляется например болтами 19. На этом сборка генератора заканчивается и он готов к работе.
4
Работа предлагаемого газогенератора осуществляется следующим образом. Через канал 5 во внутреннюю полость 2 корпуса 1 подается водоугольная суспензия (ВУС) и заполняется ей. После заполнения полости 2 на катод 7 и анод 8 подается элетрический ток. Под воздействием напряжения между анодом 8 и катодом 7 происходит разряд. Под воздействием электрического разряда в зоне катода 7 образуется плазменное ядро. ВУС в плазменном ядре разлагается и превращается в смесь газов, преимущественно кислород, водород, углекислый газ, азот и др. После этого происходит химическая реакция соединения водорода с азота до образования NH. Образующийся газ удаляется из камеры 2 через полость 6. Одновременно в зоне анода 8 под воздействие электрического напряжения образуется кислород, который задерживается сепаратором 10 и не дает ему смешиваться с другими газами. Образующийся кислород удаляется из реактора через магистраль 18 После образования плазмы включается индукционная катушка, которая образует индукционное поле, с помощью которого улучшается условие поддерживания плазменного ядра и возможность его регулировки в процессе работы.
ПРИМЕР
Предлагаемый плазмохимический газогенератор работает при создании следующих условий. ВУС готовится при следующем соотношении: калевая или натиривая щелочь 33% остальное угольная пыль смесь с размером частиц от 30 до 100 микрон. Внутри полости 2 Напряженность электрического поля составляет до 50 В/см, плотность тока в зоне катода 7 равна3200-3500 тыс.ампер на квадратный метр площади. Напряженность в 50 В/см поддерживается индукционным полем и снижает нагрузку на тугоплавкий выступ 11 катода 7 наконечник. При этих условиях возникает кистевой факельный разряд, образующий плазму в области катода,анод, обладая большой площадью, остается холодным. Скорость прокачки раствора регулируется естественной конвекцией раствора, вызванной нагревом и поднятием пузырей с парогазовой смесью. Автоматика следит за уровнем в расширительном баке, за давлением, составом раствора и другими показателями.
Предлагаемый генератор позволяет регулировать амплитудные значения тока и напряжения превосходят среднюю величину тока и напряжения в 10 раз. Управление осуществляется широтно-импульсной модуляцией. Это позволяет ускорить выход на рабочий режим, управлять мощностью в широких пределах, и добиваться наилучшего режима работы реактора. Благодаря тому, что реакция происходит в растворе, не позволяет шлаку спекаться, образовавшаяся зола распределяется равномерно, мелкими частицами в растворе. Пока раствор горячий образование крупных кристаллов не произойдет. Кроме того, мелкие гидроудары, образующиеся в области горения, разбивают крупные частицы. Таким образом, получается 15% щелочь с небольшим содержанием примесей, которая идет на приготовление угольной суспензии. Готовая суспензия вводится в реактор и горит определенное время, раствор с продуктами горения удаляется из реактора раздельно, исключая аварийную ситуацию. Использование водного раствора как среды для прохождения реакции позволяет снизить количество пылевых частиц в газе, связать вредные примеси, в том числе смолы, спирты, альдегиды, хлор, фтор, мышьяк, сернистый газ. Вода также позволяет локально повысить давление в зоне реакции, многократно, что положительно влияет на процесс газификации и охлаждает верхнюю не вольфрамовую часть катода от перегрева. В растворе щелочи хорошо индуцируются токи, поэтому индукционная катушка, расположенная под катодом, интенсифицирует разогрев плазменного факела и вытягивает плазменное облако в ширину и длину, в сторону катушки, расширяя область протекания реакций. Подключение индукционной катушки позволяет снизить ток на катоде, что повышает его долговечность, и вести процесс с помощью индукционных токов.