УСТРОЙСТВО КОНВЕРСИИ ГРАНУЛИРОВАННЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО

Предлагаемая полезная модель относится к использованию органических веществ, в частности низкосортных углей, торфа, органогенных отходов, в т.ч. древесных, в энергетике для получения экологически чистого газообразного моторного и печного топлива.
Известно устройство термической переработки материалов растительного происхождения, включающее герметичную металлическую камеру, расположенную внутри теплоизоляционного слоя с зазором между ними, в котором движется теплоноситель для нагрева пиролизуемого материала через стенку камеры. Устройство включает также отверстие с примыкающим к нему газоходом для подачи в реторту нагретого в теплообменнике выше 150°С природного газа и участок разделения природного газа от пирогазов, выделяющихся при пиролизе (RU, патент 2105034, МПК 6 С10В 53/02).
Недостатком этого устройства является наличие участка разделения природного газа от пирогазов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство пиролизной переработки органических веществ, включающее топку, обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, причем в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, а в верхней части реторты выполнено отверстие с примыкающими газоходами для ввода в реторту пиролизных газов рецикла, причем устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а нагреваемой средой являются газы рецикла, а во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а охлаждающей средой является вода, при этом устройство включает участок приготовления гранулированных органических веществ с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии органических веществ в газообразное топливо, а также содержит емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку (RU 84375, МПК С10В 53/02; F23G 5/00, прототип).
Первым недостатком этого устройства является диспергирование гранул исходного высоковлажного органического вещества при сушке высокотемпературными (900°С и выше) газами рецикла («термоудар»), что затрудняет фильтрацию газов в нижнюю часть реторты и создает условия для неравномерности температур по сечению реторты, а также затрудняет регулирование профиля температур по высоте реторты. Если понижать температуру газов рецикла, то понижается и коэффициент преобразования энергии исходной биомассы в энергию получаемых газов. Вторым недостатком прототипа является наличие участка приготовления высоковлажных гранул для обеспечения полной конверсии органики в газ.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу предотвращения диспергирования исходных гранул, облегчения регулирования профиля температур по высоте реторты и ликвидации участка приготовления гранул с необходимой влажностью.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве конверсии гранулированных органических веществ в газообразное топливо, включающем топку, соединенную с обогревательной камерой, заключенной в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, а в верхней части реторты выполнено отверстие с примыкающими газоходами для ввода газов рецикла, при этом устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, нагреваемой средой являются газы рецикла, во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а охлаждающей средой является вода, устройство содержит емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку, при этом в реторте выполнено два дополнительных отверстия с примыкающими газоходами, первое дополнительное отверстие расположено на расстоянии 0,05÷0,1 общей высоты реторты от отверстия в верхней части реторты, второе выполнено на расстоянии 0,5÷0,6 общей высоты реторты от первого, причем второй теплообменник выполнен в виде парогенератора, первый теплообменник выполнен в виде трех секций, сообщающихся по ходу нагревающей среды, в первой секции часть газов рецикла нагревается до 250÷400°С и вводится в реторту через отверстие в верхней части, во второй секции вторая часть газов рецикла нагревается до 700÷850°С и вводится в реторту через первое дополнительное отверстие, в третьей секции пар, полученный во втором теплообменнике, перегревается до температуры не ниже 900°С и вводится в реторту через второе дополнительное отверстие в количестве, равном или превосходящем не более, чем на 50÷100% количество, необходимое для полной конверсии органических веществ в газообразное топливо, причем реторта имеет прямоугольное поперечное сечение с отношением ширины к длине 1:5÷15, а внутренний слой теплоизоляционной оболочки и реторта выполнены из огнеупорного материала с максимальной рабочей температурой не ниже 1600°С.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1.
Устройство содержит расходный бункер 1, реторту 2, обогревательную камеру 3 с каналами обогрева, днище 4 с отверстиями, теплоизоляционную оболочку 5, теплообменник 6 охлаждения золы, расположенный в емкости 7, отверстие 8 вывода из реторты пиролизных газов, топку 9, отверстие 10 ввода газов рецикла, дополнительное отверстие 11 ввода газов рецикла, отверстие 12 ввода перегретого пара, трехсекционный теплообменник 13, теплообменник-парогенератор 14, газодувку 15. Устройство может включать фильтр-пылеуловитель после теплообменника-парогенератора 14 перед газодувкой 15 по ходу пирогазов (не показан на фиг.1). Устройство снабжено регулирующей арматурой 16.
Устройство работает следующим образом. Из расходного бункера 1 гранулированный материал, например, торфяные или древесные пеллеты с влажностью 10÷25%, подается через газоплотный шлюзовой затвор в реторту 2. Реторта 2 обогревается через стенки движущимися снизу вверх по каналам обогрева обогревательной камеры 3 продуктами сгорания, генерируемыми в топке 9. По мере движения по реторте сверху вниз материал последовательно проходит стадию эндотермических реакций в диапазоне температур до 300÷350°С (в основном испарение физически и химически связанной воды, плавление лигнина и некоторые другие), стадию экзотермических реакций образования и конденсации полиядерных ароматических соединений с образованием структуры кокса в диапазоне 350÷850°С, затем конечную стадию эндотермических реакций диссоциации высокомолекулярных конденсирующихся углеводородов и реакций углерода кокса с диоксидом углерода и водяными парами при температуре 950÷1000°C с образованием в конечном итоге смеси неконденсирующихся газов, состоящей в основном из водорода и монооксида углерода. Наиболее медленными реакциями являются эндотермические реакции, скорость которых лимитируется скоростью подвода теплоты в зону реакции. Для сокращения времени эндотермических реакций первой стадии в верхней части реторты 2 предусмотрены отверстие 10, через которое поступает часть газов рецикла с температурой 250÷400°С, ускоряя подвод теплоты. Указанный диапазон температур обеспечивает «мягкий» режим сушки, предотвращая взрывной характер выделения водяных паров и диспергирование исходных гранул. Значения температуры внутри диапазона зависят от исходной влажности и размера гранул. При влажности менее 10÷12% и характеристическом размере менее 10 мм выбирается верхний предел диапазона. Если характеристический размер гранул более 10 мм и влажность высокая, то выбирается нижний предел. При движении сверху вниз в зону экзотермических реакций газ частично или полностью (в зависимости от химического состава пиролизируемого вещества, в основном от количества кислорода в органической части) восстанавливает свой температурный потенциал, чему способствует и подача в реторту другой части газов рецикла через отверстие 11 с температурой 700÷850°С. Верхний предел температуры этой части газов рецикла ограничен температурой греющих пиролизных газов, поступающих во вторую секцию из секции пароперегревателя трехсекционного теплообменника 13.
2
2
2
Первое дополнительное отверстие расположено на расстоянии 0,05÷0,1 общей высоты реторты от отверстия верхней части, т.к. на этой высоте практически заканчиваются процессы сушки и предпиролиза. Значение внутри диапазона выбирается в зависимости от исходной влажности: меньшее для влажности 10÷12% и менее, большее для высоких значений влажности. После зоны экзотермических реакций материал поступает в нижнюю зону эндотермических реакций. В этой зоне происходит практически полное «выгорание» углерода кокса в основном по реакциям C+HO→CO+H и C+CO→2CO. Для компенсации затраты теплоты температура в этой зоне постоянно поддерживается на уровне 950÷1000°С за счет теплоты, поступающей от продуктов сгорания камеры обогрева 3 через стенки реторты. В эту зону поступает также перегретый пар из секции пароперегревателя трехсекционного теплообменника 13 через второе дополнительное отверстие 12 с температурой не менее 900°С. При меньшей температуре скорость реакции углерода кокса с водяными парами уменьшается по экспоненте и становится мало приемлемой для технических систем (см. X.Кинли, Э.Бадер. Активные угли и их промышленное применение. Л., Химия, 1984). Зона эндотермики имеет наибольший объем, т.к. теплота, необходимая для реакций, передается в основном мало эффективным механизмом теплопроводности через стенки реторты, поэтому второе дополнительное отверстие для ввода в реторту перегретого пара расположено на расстоянии 0,5÷0,6 общей высоты реторты от первого дополнительного отверстия. Т.о., зоне эндотермики обеспечивается необходимый объем и время пребывания для завершения реакций. Максимальная температура материала ограничивается температурой размягчения золы. Пиролизные газы с температурой 950÷1000°С выводятся из реторты через отверстия 8 в нижней части реторты и направляются на вход секции пароперегревателя трехсекционного теплообменника 13 для перегрева пара до 900°С, затем во вторую и первую секции для нагрева газов рецикла. После теплообменника 13 пиролизные газы поступают в теплообменник-парогенератор 14, где генерируется влажный или сухой насыщенный пар, поступающий в секцию пароперегревателя трехсекционного теплообменника 13. Степень сухости пара зависит от количества дополнительных водяных паров (с учетом исходной влажности гранул биомассы), подающихся в зону эндотермики через отверстие 12. Охлажденные пиролизные газы нагнетаются газодувкой 15 в линии подачи газов рецикла в теплообменник 13, в топку 9 и внешнему потребителю. На этих линиях устанавливается регулирующая арматура 16. Для интенсификации теплопередачи от греющих газов камеры обогрева движущемуся в реторте материалу каналы обогрева камеры 3 могут быть выполнены лабиринтными. Для равномерного прогрева материала по сечению реторты, ее поперечное сечение выполнено с соотношением ширины к длине 1:5÷15. Это соотношение зависит от заданной производительности устройства. Из теплообменника-парогенератора 14 часть газов направляются внешним потребителям, вторая их часть - в топку 9, третья - в секции нагрева газов рецикла, а из них через отверстия 10, 11 в реторту 2. Образующаяся мелкодисперсная зола через отверстия днища 4 ссыпается в емкость 7, где она охлаждается в теплообменнике 6 воздухом, поступающим в топку 9, и через шлюзовой затвор поступает в периодически опорожняющийся бункер (на фиг.1 не показан). Огнеупорный материал внутренней поверхности камеры обогрева и реторты должен быть с рабочей температурой не ниже 1600°С для создания максимальной величины температурного напора при теплопередаче через стенку реторты. Пример использования полезной модели.
В качестве примера органического вещества приведены торфяные пеллеты.
Химический состав рабочей массы торфа приведен в таблице.
Элементный состав рабочей массы торфа, доли единицы
Углерод С<sup>р</sup>
Водород Н<sup>р</sup>
Сера S<sup>p</sup>
Азот N<sup>p</sup>
Кислород О<sup>р</sup>
0,486
0,06
Следы
0,015
0,312
р
p
Зольность торфа А=0,03, влажность W=0,097
Необходимое количество влаги на 1 кг рабочей массы для полной конверсии торфа в газ рассчитывается по следующей методике.
При конечной температуре пиролиза ~1000°С весь углерод торфа переходит в СО, при этом количество образующегося СО из 1 кг рабочей массы:
co
p
G=С·28/12=1,134 кг
Необходимое количество «водяного» кислорода
ow
co
p
G=G·16/28-O=0,336 кг
Минимальное количество воды для полной конверсии органики торфа в газ:
w
ow
G=G-18/16=0,378 кг
ст
wд
ст
w
Для увеличения концентрации водяных паров и, как следствие, ускорения реакций в нижней части реторты, предпочтительно вводить коэффициент стехиометрии по водяным парам К>1. Тогда действительное количество водяных паров G=К·G.
Количество воды, направляемое в теплообменник-парогенератор:
wv
wд
p
G=G-W.
ст
Некоторые расчетные параметры на 1 кг рабочей массы торфа приведены ниже при коэффициенте стехиометрии по воде К=1,1:
материал внутренней поверхности камеры обогрева и реторты - магнезитовый кирпич
температура продуктов сгорания на выходе из топки (вход в камеру обогрева) - 1700°С
3
температура продуктов сгорания на выходе из камеры обогрева - 615°С количество газов на выходе из реторты - 4,204 нм
3
количество газов рецикла - 2,102 нм
3
количество газов, сжигаемых в топке - 0,957 нм
3
количество газов внешнему потребителю - 1,145 нм
3
теплотворная способность газов - 2712 ккал/нм
теплотворная способность исходного торфа (по Д.И.Менделееву) - 4556 ккал/кг
К.П.Д. конверсии торфа в газ - 0,681 (коэффициент использования энергии торфа).
Температура продуктов сгорания на выходе из камеры обогрева высокая при принятых исходных данных (невысокая влажность торфа и невысокий коэффициент стехиометрии по воде), поэтому теплоту этих газов можно использовать вне устройства, например, для целей отопления или горячего водоснабжения.