УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ РЕАКТОР С ТОРОИДАЛЬНЫМ СЛОЕМ
ADVANCED REACTOR WITH TOROIDAL LAYER

Область техники
Настоящее изобретение относится к усовершенствованному реактору с тороидальным слоем. Более точно, настоящее изобретение относится к реактору с тороидальным слоем, оснащенному средством, которое позволяет ему непрерывно действовать независимо от обрабатываемого материала.
Уровень техники
Реакторы с тороидальным слоем хорошо известны и описаны, например, в патентах ЕР 1652576, GB 2418382, ЕР 0382769 и ЕР 0293103. Эти реакторы обеспечивают быстрое и эффективное средство обработки исходного сырья, в частности термически обрабатываемых материалов. Материал для обработки подают в реактор с тороидальным слоем и осуществляют его принудительную циркуляцию с помощью текучего обрабатывающего состава, который поступает в реактор через его основание или вблизи него. После обработки материала он может быть выгружен из реактора с тороидальным слоем множеством способов; материалы, размер которых значительно уменьшается после обработки, могут удаляться из реакционной камеры путем их захвата текучим обрабатывающим составом. Например, обработанный материал может выходить вместе с текучим обрабатывающим составом через выпускное отверстие. Для частиц, размер которых значительно не уменьшается и/или которые не становятся менее плотными после обработки, в наружной стенке может быть предусмотрено отверстие для выхода из камеры части циркулирующих частиц. С учетом циркуляционного движения материала отверстие в наружной стенке позволяет материалу выходить из камеры по касательной в радиальном направлении наружу. Высота этого отверстия может тщательно выбираться в расчете на удаление частиц заданного размера и, следовательно, с возможностью удаления только обработанного материала.
В камере может быть предусмотрено центральное отверстие, в результате чего после накопления на дне камеры достаточной массы материала, т.е. после переполнения и проседания камеры часть материала может падать в отверстие и выходить из камеры. Процесс может осуществляться в периодическом режиме, когда после обработки достаточного количества материала камера может быть открыта и материал удален. Когда материал полностью разлагается под действием условий обработки, не требуется удалять из реактора какой-либо твердый материал.
Авторами изобретения было обнаружено, что существующие способы удаления материала из реактора с тороидальным слоем являются неудовлетворительными. Соответственно, в основу настоящего изобретения положена задача преодоления по меньшей мере некоторых из недостатков, известных из техники решений, и создания их промышленно применимой альтернативы.
Описание изобретения
Согласно первой особенности настоящего изобретения предложено устройство 1 для обработки материала в виде частиц, содержащее:
рабочую камеру 5 с одним или несколькими впускными отверстиями 10 для впуска обрабатываемого материала в виде частиц и одним или несколькими выпускными отверстиями 15 для обработанного материала в виде частиц,
при этом рабочая камера 5 имеет кольцевую зону 20 обработки и множество впускных отверстий 25 для текучего обрабатывающего состава в основании 30 кольцевой зоны 20 обработки, сконфигурированных таким образом, что в процессе применения струи текучего обрабатывающего состава 35 поступают в кольцевую зону 20 обработки через множество впускных отверстий 25 для текучего обрабатывающего состава и образуют спиральный поток материала в виде частиц в кольцевой зоне обработки, в основании 30 кольцевой зоны 20 обработки выполнено одно или несколько выпускных отверстий 15 для обработанного материала в виде частиц, которые окружены множеством впускных отверстий 25 для текучего обрабатывающего состава, в результате чего спиральный поток материала в виде частиц циркулирует вокруг одного или нескольких выпускных отверстий 15,
рабочая камера 5 дополнительно имеет средство отклонения части спирального потока материала в виде частиц в кольцевой зоне 20 обработки в радиальном направлении внутрь от спирального потока, в результате чего материал в виде частиц выходит из рабочей камеры 5 через одно или несколько выпускных отверстий 15 для обработанного материала в виде частиц.
Изобретение будет дополнительно описано далее. Ниже будут более подробно рассмотрены различные особенности изобретения. Каждая рассматриваемая особенность может сочетаться с любой другой особенностью или особенностями, если ясно не указано иное. В частности, любая особенность, указанная как предпочтительная или выгодная, может сочетаться с любой другой особенностью или особенностями, указанными как предпочтительные или выгодные. Рабочая камера 5 согласно настоящему изобретению предпочтительно представляет собой традиционный реактор с тороидальным слоем. Используемый в описании термин "реактор с тороидальным слоем" означает реактор, в котором обрабатываемый материал заключен и за счет центробежной силы удерживается внутри компактного, но турбулентного, циркулирующего по тороидальной траектории слоя частиц и текучего обрабатывающего состава, который циркулирует вокруг оси 55 рабочей камеры 5.
Реактор с тороидальным слоем имеет кольцевую зону 20 обработки. Эта зона обработки тороидальной формы обеспечивается спиральным потоком текучего обрабатывающего состава, поступающим через впускные отверстия 25 для текучего обрабатывающего состава. Следовательно, кольцевая зона 20 обработки ограничена снаружи стенкой 45 реактора. Кольцевая зона обработки ограничена изнутри границей между спиральным потоком и пространством над одним или несколькими выпускными отверстиям 15 в основании камеры, где отсутствуют струи текучего обрабатывающего состава. В одном из вариантов осуществления может быть предусмотрена внутренняя центральная стенка и/или крышка 50 над одним или несколькими выпускными отверстиями 15, которая ограничивает изнутри кольцевую зону 20 обработки. Предпочтительно из кольцевой зоны 20 обработки ведет только одно выпускное отверстие 15. Кольцевая зона 20 обработки предпочтительно имеет преимущественно круглое поперечное сечение. Поскольку для обеспечения циркуляции материала в виде частиц в основу процесса отчасти положена гравитационная сила, круглое поперечное сечение предпочтительно лежит преимущественно в горизонтальной плоскости. Реактор с тороидальным слоем дополнительно имеет одно или несколько выпускных отверстий 15 для обработанного материала, которые предпочтительно выполнены в его основании 30. Соответственно, спиральный поток материала в виде частиц и текучего обрабатывающего состава прецессирует вокруг выпускного отверстия, не переходя через выпускное отверстие. Используемый в описании термин "вокруг" означает, что материал циркулирует вокруг оси 55, проходящей через центр рабочей камеры 5. Эта ось 55 предпочтительно является центральной вертикальной осью 55 рабочей камеры 5 и кольцевой зоны 20 обработки. Поскольку струи текучего обрабатывающего состава 35 наклонены вверх и наружу от основания 30 кольцевой зоны 20 обработки, материал в виде частиц увлекается наружу и вокруг кольцевой зоны 20 обработки. Соответственно, материал в виде частиц движется в целом от центра зоны и не может во время циркуляции без отклонения достигать расположенного по центру выпускного отверстия(-й) 15 в процессе применения слоя, когда он правильно течет. Согласно известному уровню техники этот материал может достигать выпускного отверстия 15 только при переполнении и оседании слоя, когда материал больше не циркулирует.
Используемый в описании термин "спиральный поток" означает циркулирующий текучий обрабатывающий состав и увлекаемый им материал в виде частиц, который циркулирует вокруг кольцевой зоны обработки. Используемый в описании термин "слой" имеет сходное значение и относится к обработанному материалу, когда он циркулирует с преимущественно стабильной конфигурацией.
Как упоминалось выше и описано в патенте ЕР 1652576, материал выгружают из тороидального слоя со стороны внутренней границы, в результате чего материал в виде частиц падает в зону разгрузки за счет отсутствия текучей среды в этой области. В реакторе с тороидальным слоем согласно ЕР 1652576 слой твердых частиц нарастает в сторону центра с увеличением массы слоя за счет твердых частиц. Впоследствии масса слоя достигает такой величины, что кинетической энергии потока технологического газа, проходящего через лопасти, становится недостаточно для обеспечения циркуляции всей массы описанным путем. Когда это происходит, слой оседает в виде 'груды' 60, частицы уносятся за нижнюю границу (потоком технологического газа, проходящим через лопасти), распространяясь вокруг кольцевого пространства и осаждаясь с обратной стороны груды. Это показано на фиг.1А. Груда 60, которая образуется по мере увеличения массы слоя, фактически перемещается в обратном направлении вокруг камеры, т.е. в направлении, противоположном нормальному движению. По мере прохождения груды 60 через выпускное отверстие 42 на фиг.2 к ЕР 1652576 (которая воспроизведена в настоящей заявке как фиг.2), материал скользит по внутренней границе груды в выпускное отверстие для выгрузки. Соответственно, слой по необходимости находится в неустойчивом состоянии до того, как он может быть выгружен.
Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что до выгрузки материала в виде частиц в тороидальный слой из центрального выпускного отверстия слой должен застопориться и осесть в виде груды 60 в непосредственной близости от выпускного отверстия 15. Кроме того, только после этого материал в виде частиц выйдет из осевшего слоя, как если бы он являлся не псевдоожиженным, с естественным углом скольжения. Смотри фиг.1А.
Авторами настоящего изобретения было обнаружено, что этот недостаток может быть преодолен за счет использования средства отклонения частиц от спирального потока материала в виде частиц. Иными словами, часть частиц, циркулирующих в кольцевой зоне 20 обработки, может быть отведена от потока и удалена из рабочей камеры 5 до того, как слой достигнет критической массы и осядет.
Было обнаружено, что механизм выгрузки, описанный выше со ссылкой на ЕР 1652576, в частности, неприменим для обработки преимущественно несферических твердых частиц, иными словами, частиц, которые образуют груду с углом скольжения 80 градусов или более, в частности 90 градусов или более. Соответственно, предложенное в изобретении устройство особо применимо для обработки исходного сырья, которое имеет тенденцию не скользить, когда оно образует груду. Это, в особенности, справедливо в случае биомассы, которая обычно измельчена, раздроблена или раскрошена и имеет низкую текучесть в виде груды.
Снова возвращаясь к тороидальному реактору согласно ЕР 1652576, с учетом больших объемных расходов материала, протекающего через реактор, этот механизм выгрузки с "оседанием" является неприемлемым. Поскольку этот способ обеспечивает выгрузку только в единственной точке кольцевого пространства слоя, ее скорость может достигать нескольких тонн в час в этой единственной точке, и, чтобы обеспечить такую скорость выгрузки, может быть необходима очень высокая груда. Когда материал образует груду, его обработка является неравномерной из-за отсутствия перемешивания, при этом не регулируется нагрев технологическим газом и массообмен. Было обнаружено, что за счет применения средства для отклонения части спирального потока материала в виде частиц обеспечиваются следующие преимущества.
1. Множество точек выгрузки из камеры реактора с тороидальным слоем, что позволяет повысить пропускную способность, сократить время нахождения чувствительных материалов и сделать более предсказуемой/постоянной продолжительность обработки. Все эти преимущества обеспечивают получение более высококачественного, более равномерно обработанного материала.
2. Равномерно смешанный слой, циркулирующий с возможностью регулирования. Было обнаружено, что особо выгодным является применение одного или нескольких средств отклонения, поскольку при этом:
1. используется поступательная скорость/кинетическая энергия слоя для направления материал в выпускное отверстие для выгрузки, и
2. средство отклонения может размещаться вокруг внутренней стенки камеры и образовывать множество выпускных отверстий.
Так, например, в случае выпаривания биомассы, когда требуется сушка и выпаривание измельченной и раздробленной биомассы, этот усовершенствованный способ выгрузки необходим для обеспечения точной обработки (т.е. предотвращения нестабильности и агрегирования/комкования материала в камере) в больших объемах (необходимых для обработки тон биомассы). Устройство и способ согласно изобретению, в особенности, выгодны в случае чувствительного материала, который не способен выдерживать длительную и переменную продолжительность пребывания, как в случае переполнения слоя с целью удаления обработанного материала из реактора.
Предпочтительно материалом в виде частиц является углеродистое исходное сырье. Используемый в описании термин "углеродистое исходное сырье" означает исходное сырье, которое содержит углерод. Примерами углеродистого исходного сырья являются уголь, нефть, биомасса и биотопливо.
Углеродистым исходным сырьем предпочтительно является "исходное сырье на основе биомассы". Используемый в описании термин "исходное сырье на основе биомассы" означает биологическое исходное сырье, полученное из живых или в недавнем прошлом живых организмов, такое как растительное сырье, отходы, газы из органических отходов и алкогольное топливо. Биомасса основана на углероде и состоит из смеси молекул органического вещества, содержащих водород, обычно атомы кислорода, часто азот, а также небольшие количества других атомов, включая щелочные, щелочноземельные и тяжелые металлы. Биомасса не включает такие органические материалы, как ископаемые виды топлива, преобразованные вследствие геологических процессов, такие как уголь или нефть.
Применимое исходное сырье на основе биомассы включает древесину, растительное сырье и отходы (включая осадок сточных вод и сельскохозяйственные отходы). Древесина включает лесосечные отходы, такие как сухостой, ветки и пни деревьев, обрезки пиломатериалов, древесную щепу и отходы обработки. Растительное сырье включает биомассу, выращенную, например, из мискантуса, проса, конопли, кукурузы, тополя, ивы, сорго или сахарного тростника, и включает солому и шелуху. Обработанная биомасса предпочтительно находится в твердой форме и имеет применимую теплотворность. Если теплотворность является слишком высокой или слишком низкой, биомасса может быть сначала гомогенизирована с целью получения исходного сырья с преимущественно равномерной теплотворностью. Способ согласно настоящему изобретению осуществляется в реакторе с тороидальным слоем. Реактор с тороидальным слоем (TORBED(RTM)) и способ описаны, например, в патентах ЕР 0068853, US 4479920 и ЕР 1791632, содержание которых в порядке ссылки включено в настоящую заявку. При осуществлении способа обрабатываемый материал предпочтительно заключают и за счет центробежной силы удерживают внутри компактного, но турбулентного, циркулирующего по тороидальной траектории слоя частиц и текучего обрабатывающего состава, который циркулирует вокруг оси 55 рабочей камеры 5. В частности, материал образует внутри слоя частицы, которые могут циркулировать над множеством впускных отверстий для текучей среды, расположенных вокруг основания рабочей камеры 5. Впускные отверстия для текучей среды предпочтительно перекрывают друг друга, а частицы циркулируют вокруг слоя под действием текучего обрабатывающего состава, например газа, нагнетаемого в рабочую камеру 5 снизу и через впускные отверстия для текучей среды. Впускные отверстия для текучей среды могут представлять собой, например, множество проходящих по радиусу наружу наклонных направляющих устройств, расположенных вокруг основания рабочей камеры 5.
Реактор с тороидальным слоем для применения в настоящем изобретении предпочтительно имеет реакционную камеру, в которой генерируется направленный преимущественно по окружности поток текучей среды, заставляющий исходное сырье на основе биомассы быстро циркулировать вокруг оси 55 реакционной камеры в тороидальном слое и нагревающий исходное сырье на основе биомассы, при этом текучая среда представляет собой газ или газы, подаваемые в реакционную камеру. Поток текучей среды внутри реакционной камеры предпочтительно содержит горизонтальную и вертикальную составляющие скорости. В камере предпочтительно имеется множество проходящих по радиусу наружу наклонных впускных отверстий для текучей среды, выполненных в основании 30 или вблизи него, при этом текучая среда поступает через впускные отверстия в основании камеры и генерирует направленный по окружности поток текучей среды внутри камеры. Текучей среде, поступающей через впускные отверстия для текучей среды, предпочтительно придается как горизонтальная, так и вертикальная составляющие скорости.
Исходное сырье может вводиться в реактор(-ы) через одно или несколько впускных отверстий 10 под действием сжатого газа, такого как сжатый воздух, и/или инертного газа, такого как азот. В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения впускное отверстие расположено над впускными отверстиями для текучей среды в основании камеры, а углеродистое исходное сырье вводят в камеру в помощью гравитационного подающего устройства, например, с использованием воздушного шлюза, такого как поворотный клапан. Гравитационное подающее устройство может быть установлено в вертикальной стенке камеры или проходить через крышу.
Следует учесть, что поток текучей среды может генерироваться до или после того, как исходное сырье вводят в камеру. В качестве альтернативы, поток текучей среды может генерироваться одновременно с тем, как исходное сырье вводят в камеру. Поток текучей среды через камеру может генерироваться, как описано в ЕР-В-03 82769 и ЕР-В-0068853, т.е. путем подачи потока текучей среды в рабочую камеру 5 и через нее его направления с помощью множества проходящих в радиальном направлении наружу и предпочтительно перекрывающих друг друга впускных отверстий для текучей среды в виде диска, которые расположены в основании рабочей камеры 5 или вблизи него. Впускные отверстия для текучей среды наклонены относительно основания камеры, чтобы сообщать вращательное движение нагревающей текучей среде, поступающей в камеру, и тем самым заставлять нагревающую текучую среду по мере ее подъема циркулировать вокруг преимущественно вертикальной оси 55 камеры. Впускные отверстия для текучей среды могут представлять собой, например, множество проходящих в радиальном направлении наружу направляющих устройств в основании камеры или вблизи него. Направляющие устройства (или лопасти) обычно наклонены относительно основания и предпочтительно перекрывают друг друга. Устройство 1 предпочтительно дополнительно имеет крышку 50, расположенную над одним или несколькими выпускными отверстиями 15 для обработанного материала в виде частиц и предотвращающую выход из камеры через выпускное отверстие(-я) 15 материала в виде частиц, который не был отклонен средством отклонения части спирального потока материала в виде частиц. Тем самым предотвращается случайная выгрузка необработанного материала. Под выпускными отверстиями предпочтительно подразумевается выход из камеры, который лежит в той же плоскости, что и основание 30.
Средство отклонения предпочтительно является регулируемым между первым положением, в котором оно в процессе применения отклоняет часть спирального потока материала в виде частиц в кольцевой зоне обработки в радиальном направлении внутрь от спирального потока, и вторым положением, в котором оно не делает этого. Соответственно, может гарантироваться, что материал не удаляется из камеры до того, как слой достигнет определенной температуры, или до того, как истечет соответствующее время пребывания, и материал будет полностью обработан. Средством отклонения части спирального потока материала в виде частиц может являться любое средство, способное отклонять частицы в радиальном направлении внутрь от спирального потока. В одном из вариантов осуществления средство отклонения представляет собой препятствующее средство, проникающее в спиральный поток материала в виде частиц. Препятствующее средство предпочтительно представляет собой совок 40 или лопасть, проникающую в спиральный поток. Препятствующее средство предпочтительно имеет преимущественно плоскую поверхность для отвода по меньшей мере части материала в виде частиц от спирального потока.
В одном из вариантов осуществления препятствующим средством является стальной совок 40, проникающий через внутреннюю границу спирального потока. Высота и длина совка 40 определяют долю массы проходящего слоя, которая перехватывается и отклоняется для выгрузки, и он может быть легко сконфигурирован и смонтирован. В другом варианте осуществления средство отклонения части спирального потока материала в виде частиц представляет собой одну или несколько струй текучей среды. Иными словами, струю, которая по меньшей мере частично наклонена относительно струй текучего обрабатывающего состава и отклоняет часть материала в виде частиц от спирального потока. Для простоты струя предпочтительно именуется текучим обрабатывающим составом.
В одном из дополнительных вариантов осуществления средство отклонения части спирального потока материала в виде частиц представляет собой всасывающий патрубок для отвода части материала в виде частиц от спирального потока. Иными словами, на выпускном отверстии, обращенном к внутренней границе спирального потока, создают активный вакуум для отвода материала в виде частиц от спирального потока. Особо предпочтительно, чтобы средство отклонения отклоняло от спирального потока часть материала в виде частиц на желаемой высоте относительно основания кольцевой зоны 20 обработки. Это особо выгодно, поскольку может использоваться для получения выходного материала с заданными свойствами. Например, при расположении выпускного отверстия над основанием 30 кольцевой зоны 20 обработки более тяжелый необработанный и недавно добавленный материал в виде частиц не поступает в выпускное отверстие до того, как он будет обработан в достаточной степени, чтобы его масса уменьшилась, и он циркулировал выше в слое.
В одном из вариантов осуществления средством отклонения части спирального потока материала в виде частиц является часть основания кольцевой зоны 20 обработки без впускного отверстия для текучего обрабатывающего состава. Соответственно, когда материал в виде частиц проходит над этой частью основания 30, он теряет свою движущую силу и опускается в слой. Таким образом, материал в виде частиц может падать на заданную часть основания, а затем выходить через выпускное отверстие, необязательно после образования небольшой регулируемой и статической возвышенности из материала в виде частиц. В одном из вариантов осуществления часть основания без впускных отверстий для текучего обрабатывающего состава наклонена, чтобы способствовать продвижению материала в виде частиц в сторону выпускного отверстия(-й).
Текучим обрабатывающим составом предпочтительно является газ. Поскольку конечный продукт предпочтительно находится в виде частиц, за счет применения технологического газа вместо жидкости устраняется необходимость осуществлять стадию сложной сепарации или сушки.
Технологическим газом может являться обедненный кислородом газ. Используемый в описании термин "обедненный кислородом газ" означает газ с более низким содержанием кислорода, чем в атмосферном воздухе. Обедненный кислородом газ предпочтительно содержит менее 20% кислорода, более предпочтительно 1-15%, наиболее предпочтительно 5-10% по объему. Помимо более низкого содержания кислорода обедненный кислородом газ может содержать пар.
Множество впускных отверстий 25 для текучего обрабатывающего состава предпочтительно расположено таким образом, что струи текучего обрабатывающего состава 35 направляются в кольцевую зону 20 обработки под углом подъема 5-45 градусов к плоскости кольцевой зоны 20 обработки. Множество впускных отверстий 25 для текучего обрабатывающего состава предпочтительно расположены таким образом, что струи текучего обрабатывающего состава 35 направляются в кольцевую зону 20 обработки от ее центра под углом 10-75 градусов к касательной внешней периферии поперечного сечения в плоскости кольцевой зоны 20 обработки.
Согласно второй особенности настоящего изобретения предложен способ обработки материала в виде частиц, в котором:
вводят в кольцевую зону 20 обработки рабочей камеры 5 через множество впускных отверстий 25 для текучего обрабатывающего состава в основании 30 кольцевой зоны 20 обработки текучий обрабатывающий состав, чтобы создать спиральный поток текучего обрабатывающего состава в кольцевой зоне 20 обработки,
вводят в кольцевую зону 20 обработки обрабатываемый материал в виде частиц, который захватывается спиральным потоком текучего обрабатывающего состава и обрабатывается им,
отклоняют часть захваченного материала в виде частиц в радиальном направлении внутрь от спирального потока,
выпускают отклоненную часть материала в виде частиц через одно или несколько выпускных отверстий 15 в средней части основания кольцевой зоны 20 обработки. На чертежах следующими позициями дополнительно обозначено:
100 направление движения слоя
105 наружная стенка
110 естественный угол скольжения материала
115 выгрузка твердых частиц 120 лопасти
125 поток технологического газа.
Способ согласно настоящему изобретению предпочтительно осуществляется с использованием описанного в изобретении устройства 1.
Хотя были подробно описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники ясно, что в них могут быть внесены изменения, не выходящие за пределы объема изобретения и прилагаемой формулы изобретения.