МУЛЬТИЗОННЫЙ ГАЗИФИКАТОР КИПЯЩЕГО СЛОЯ

Полезная модель относится к химической технологии и теплоэнергетике на основе переработки низкосортного углеродсодержащего сырья, в том числе битуминозного (древесины, торфа, бурых углей, различных отходов), путем газификации с получением горючего газа, содержащего оксид углерода и водород, для последующего использования в качестве силового газа в транспортных и энергетических установках.
Известно устройство газификации твердого топлива и отходов (патент РФ №112195, опубл. 10.01.2012), содержащее реактор вращающегося типа, угол наклона которого к горизонту предусматривает продольное перемещение засыпки сырья, устройство подачи измельченной горючей массы в реактор, устройство ввода окислителя, устройство подвода пара в реактор и вывод продукта - газа, причем вводы газифицирующих сред – окислителя пара подключены к реактору со стороны подачи сырья в реактор на газификацию, а вывод продукта - газа находится на противоположной стороне реактора, и дополнительно на стороне тракта вывода продукта - газа подключена линия отбора части горючего газа на регенерацию к паровому эжектору, из которого эжектируемые газы в смеси с эжектирующим паром направляются на вход в реактор, притом реактор выполнен с пережимами сечения винтовой или кольцевой геометрии.
Недостатком данного устройства является наличие одного реактора сгорания, что приводит к неполной конверсии исходного материала.
Известно устройство для газификации топливной биомассы в виде твердого измельченного биотоплива в плотном слое (патент РФ №2631811, опубл. 26.09.2017), включающее загрузочное устройство, установленный под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° цилиндрический реактор, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси таким образом, что положение активной зоны окисления/восстановления остается постоянным, разгрузочное устройство, устройство подачи газифицирующего агента - воздуха в нижнюю часть реактора, привод вращения реактора, уплотнения, обеспечивающие герметичность реактора при вращении, датчики температуры в реакторе, причем реактор оснащен поясом пароводяной завесы, встроенным в пространство внутри двойной боковой стенки реактора, состоящей из внешней стенки - кожуха и внутренней стенки рабочей камеры. Пояс пароводяной завесы включает в себя кольцевой резервуар для воды, подающейся извне под давлением через обратный клапан, и соединенные с ним через напорно-переливные клапаны испарительные полости, образующие ячеистую, в частности, сотовую структуру на внутренней стенке рабочей камеры, которая перфорирована либо имеет пористую структуру по длине активной зоны окисления/восстановления реактора для обеспечения прохождения пара из испарительных полостей в пристеночную область рабочей камеры реактора.
Недостатком устройства является наличие одного реактора с противоточной подачей исходного материала и воздуха что приводит к высокому потреблению кислорода и водяного пара.
Известно устройство для получения синтез-газа и полукокса пиролизом биомассы (патент РФ №62926, опубл. 10.05.2007), включающее пиролизную камеру, бункер для входного сырья, камеру сушки с коллектором для сбора пара, шнек для сушки исходного сырья, бункер для приема сухого сырья, шнек подачи топлива в пиролизную камеру, шнековый пиролизер, коллектор для сбора пиролизного газа, камеру приема газа и полукокса, снабженную водоохлаждаемым шнеком, и дымоход, при этом все шнековые устройства снабжены приводами, а шнек пиролизера, шнек подачи топлива и шнек отвода полукокса, с целью предотвращения обратного прорыва газов, снабжены разрывами витка (газовыми пробками).
Недостатком данного устройства является сложность конструкции, содержащей шнек сушки сырья, шнек подачи топлива в пиролизную камеру и шнековый пиролизер, что приводит к существенному снижению производительности установки.
Известно устройство для переработки конденсированного топлива (патент РФ №2322641, опубл. 20.04.2008), включающее вращающийся цилиндрический реактор, установленный под углом к горизонту в пределах от 22 до 65°, привод вращения реактора, загрузочное устройство и вывод продукт-газа в верхней части реактора, разгрузочное устройство и устройство подачи газифицирующего агента - в нижней части реактора, уплотнения, обеспечивающие газоплотность реактора при вращении.
Недостатком данного устройства является наличие одного реактора сгорания, что приводит к неполной конверсии исходного материала.
Известно устройство для газификации твердого топлива в виде предварительно подготовленного - измельченного, уплотненного - твердого биотоплива и/или твердого низкосортного ископаемого углеродсодержащего сырья (торф, бурые угли) в плотном слое (патент РФ 2663144, опубл. 01.08.2018), включающее загрузочное устройство, установленный под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° цилиндрический реактор, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси и оснащенный пароводяной рубашкой, встроенной в пространство внутри двойной боковой стенки реактора, разгрузочное устройство, устройство подачи газифицирующего агента - воздуха - в нижнюю часть реактора, привод вращения реактора, уплотнения, обеспечивающие герметичность реактора при вращении, причем устройство - газификатор - состоит из двух одинаковых реакторов, работающих совместно в двухтактном рабочем цикле газификатора, один реактор - в фазе/режиме обращенного процесса газификации, другой реактор - в фазе/режиме прямого процесса газификации, с возможностью синхронной смены фаз работы реакторов на каждом очередном такте работы газификатора посредством поворота реактора в вертикальной плоскости с обеспечением реверсивного движения газифицируемого твердого топлива внутри реактора.
Недостатком устройства является наличие двух реакторов, работающих в плотном слое, что значительно затрудняет использование высокозольных углей, а так же приводит к высокому потреблению кислорода и водяного пара.
Известен газификатор углеродсодержащего сырья (Патент РФ                         № 187978, опубл. 26.03.2019), принятый за прототип, содержащий вертикальный футерованный корпус, по всей высоте которого равномерно расположены тангенциальные сопла, установленные в несколько ярусов, каждый из которых содержит по две диаметрально-противоположных тангенциальных амбразуры для подачи топливно-кислородной смеси с одинаковым направлением крутки, причем оси амбразур направлены между стыками лопастей лопаточных завихрителей с полой вставкой, установленных внутри корпуса и выполненных из перфорированных полуколец, причем полые вставки выполнены снизу-вверх с нарастающими диаметрами и заведены одна в другую с образованием кольцевых зазоров.
Недостатком известного технического решения является не эффективная утилизация тепла и не высокая степень конверсии углерода из-за использования в реакторе только зоны кипящего слоя.
Техническим результатом является оптимальная утилизация тепла внутри реактора, а также высокая степень конверсии углерода и как следствие повышение удельного выхода синтез-газа.
Технический результат достигается тем, что реактор кипящего слоя установлен над реактором неподвижного слоя, при этом они и объединены в единый футерованный корпус, который выполнен снизу-вверх с нарастающими диаметром, верхняя часть реактора неподвижного слоя и нижняя часть реактора кипящего слоя выполнена в виде разделительной конусообразной перегородки, снаружи в нижней части реактора с неподвижным слоем установлен зольный шлюз для отвода золы, в нижней боковой части выполнено отверстие, в которое установлено сопло подачи вторичных компонентов газификации, которое соединено с вращающейся решеткой закреплённой на дне ректора, в верхней части реактора кипящего слоя установлено сопло для подачи воды, а в центре закреплен выходной патрубок в форме трубы круглого сечения, который подключен к циклону, соединенному с дымососом через теплообменник.
Мультизонный газификатор кипящего слоя поясняется следующей фигурой:
фиг.1 – общий вид устройства;
1 – футерованный корпус;
2 – реактор неподвижного слоя;
3 – сопло подачи вторичных компонентов газификации;
4 – зольный шлюз для отвода золы;
5 – вращающаяся решетка
6 – разделительная конусообразная перегородка
7 – реактор кипящего слоя
8 – сопло для подачи топливно-кислородной смеси;
9 – сопло для подачи материала;
10 – выходной патрубок
11 – сопло для подачи воды
12 – циклон;
13 – теплообменник.
14 – дымосос
Мультизонный газификатор кипящего слоя состоит из реактора неподвижного слоя 2 и установленного на него реактора кипящего слоя 7, объединённых в один футерованный корпус 1, выполненный снизу-вверх с нарастающими диаметром. Верхняя часть реактора неподвижного слоя 2 выполнена в виде разделительной конусообразной перегородки 6, которая так же является нижней частью реактора кипящего слоя 7. Снаружи в нижней части реактора с неподвижным слоем 2 установлен зольный шлюз для отвода золы 4. В отверстие, которое выполнено в нижней боковой части реактора с неподвижным слоем 2 установлено сопло подачи вторичных компонентов газификации 3 соединённое с вращающейся решеткой 5. Вращающейся решетка 5 закреплена  на дне внутри ректора неподвижного слоя 2. В нижней части реактора кипящего слоя 7 установлены диаметрально-противоположные тангенциальные сопла для подачи топливно-кислородной смеси 8 и для подачи материала 9. В верхней части реактора кипящего слоя 7 установлено сопло для подачи воды 11, в центре закреплен выходной патрубок 10 в форме трубы круглого сечения, который подключен к циклону 12, соединенному с дымососом 13 через теплообменник 14.
Мультизонный газификатор кипящего слоя работает следующим образом.
Смесь кислорода и пара, представляющая собой окислитель, подводится в реактор неподвижного слоя 2 через сопло 3 и вращающуюся решетку 5. Сухая зола выводится через вращающуюся решетку 5  и попадает в отводной шлюз золы 4. Над подвижным слоем расположена конусообразная разделительная зона где происходит разделение частиц по массе. Более большие куски (агломераты, куски исходного угля) движутся вниз и падают на поверхность неподвижного слоя. Более мелкие частицы направляются вверх, в реактор кипящего слоя 7. Лишь небольшая часть остается более длительное время в этой зоне, с образованием кипящего слоя. Процесс сепарации частиц зависит от диаметра реактора, который увеличивается к его верхней части. Над разделительной зоной расположен реактор кипящего слоя 7. В этой зоне газогенератора через диаметрально-противоположные тангенциальные сопла в качестве первичного окислителя подводится кислород 8, и свежие порции угля 9, которые вступают в контакт с окислителем. Ввиду экзотермической реакции окисления угля, струйный кипящий слой отличается наиболее высокой температурой внутри реактора. В горячей зоне пламени температура лежит выше 2000 °С. После достижения определенного уровня конверсии углерода, зола смягчается и подвергается парциальному переходу в жидкое состояние. Ввиду этого поверхность частиц золы становится липкой, что приводит к образованию агломератов. Частицы золы, ставшие слишком тяжелыми, выпадают из кипящего слоя и опускаются на дно реактора в подвижный слой. В ректоре кипящего слоя 7 происходит осушка кусков угля и выход летучих веществ из угля. Часть летучих веществ, прежде всего высшие углеводороды, подвергаются реакциям крекинга, ввиду относительно высокой температуры реактора. По этой причине качество полученного синтез-газа значительно увеличивается. В верхней части реактора кипящего слоя скорость потока газа наиболее высокая, так как конверсия угля сопровождается выделением газообразных продуктов. Образуется зона кипящего слоя с высокоскоростным псевдоожижением, характеристики которого лежат между циркулирующим кипящим слоем и поточной газификацией. В этой зоне больше нет остаточного кислорода, протекают лишь эндотермические реакции газификации. Температура газа опускается до 1000-1200 °С. При необходимости, температура газа на выходе из реактора может быть дополнительно понижена до 900-950 °С посредством вбрызгивания воды через сопло 11 (водного квенча) в головной части реактора. Газы, выделяющиеся в результате процесса засасываются на выходном патрубке 10 в циклон 12, подключенный к дымососу 13 через теплообменник 14, который используется для нагрева кислорода, подаваемого в газификатор.
Оптимальная утилизация тепла внутри реактора достигается за счет использования реактора неподвижного слоя совместно кипящем слоем. В нижней части реактора устанавливается зона окисления, в которой происходит полная конверсия кислорода. Над ней находится зона газификации, где проходят эндотермические процессы конверсии кокса. Полученный синтез-газ направляется в верхнюю часть газогенератора и нагревает на своем пути куски угля, находящиеся в зоне осушки и подачи свежих порций угля, который в свою очередь вступает в контакт с окислителем и осуществляется экзотермическая реакция окисления угля.  Далее в зоне с высокоскоростным псевдоожидением при отсутствии кислорода протекают лишь эндотермические реакции газификации, и температура процесса понижается. Таким образом, происходит равномерная утилизация тепла, выделенного при парциальном окислении угля.
Оптимальная утилизация тепла в свою очередь обеспечивает высокую степень конверсии углерода и как следствие повышение удельного выхода синтез-газа. Этот результат достигается за счет экзотермических реакций крекинга в зоне с относительно высокой температурой реактора кипящего слоя. Кроме того, вследствие относительно низкой температуры газа на выходе из реактора, так же будет наблюдаться повышенный выход синтез-газа.