Устройство для сжигания твердого топлива в пульсирующем потоке
DEVICE FOR SOLID FUEL COMBUSTION IN PULSATING FLOW

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для сжигания  вторичных твердых углеводородных материалов, например отработанных шин или резинотехнических изделий, с целью утилизации горючих отходов.
Устройство может быть использовано в агрегатах для пиролизной переработки побочных органических  продуктов сельскохозяйственных и пищевых предприятий, нефтехимии и нефтепереработки, а также для утилизации вторичного бытового  горючего сырья.
Известно устройство, содержащее реторту, шлюзы, камеру горения, внешние горелки, аэродинамические клапаны, пиролизные горелки,  золоуловитель, резонаторную трубу, блок управления, электропривод изменения длины  резонаторной трубы (см. патент РФ 2539414, электронный  доступ: https://findpatent.ru/patent/253/2539414.html).
Недостатки известного устройства:
1. Невозможность получения качественного пиролизного газа, так как  отсутствует возможность термохимического разложения углеводородных материалов из-за проникновения воздуха в реторту, в результате чего в ней происходит процесс горения.
2. Пиролизный газ – как ценный и качественный продукт  не отводится потребителям.
Указанные недостатки устранены в заявляемом изобретении, которое направлено на решение задачи получения качественного пиролизного газа при осуществлении термохимического разложения твердых углеводородных материалов без доступа воздуха.
Задача решена в заявляемом изобретении путем герметизации реторты с помощью  электроприводных шлюзов и осуществления компьютерного  управления термохимическим разложением твердых углеводородных материалов без доступа воздуха за счет регулирования  температуры и давления внутри реторты с помощью электроприводных задвижек на линиях отвода пиролизного  газа к внутренним пиролизным горелкам и на патрубке отвода пиролизного газа потребителям.
В качестве используемого  для пиролиза  твердого углеводородного материала взяты автомобильные резиновые шины.
Схема заявляемого устройства в продольном  разрезе приведена на чертеже, где позициями обозначены следующие элементы и узлы:
1 - бункер,
2 - шины,
3 - шлюз бункера нижний,
4 - форкамера,
5 - камера горения,
6 - шлюз форкамеры,
7 - реторта,
8 - пиролизные горелки,
9 - шлюз реторты,
10 - топливо,
11 - электроприводные задвижки,
12 - дутьевой воздух,
13 - внешние горелки,
14 - атмосферный воздух,
15 - электрические связи,
16 - аэродинамические клапаны,
17 - золоуловитель,
18 - шлюз золоуловителя,
19 - электроприводы открытия и закрытия шлюзов,
20 - вентилятор,
21 - блок компьютерного управления,
22 - патрубок  отвода пиролизного газа,
23 - пиролизный газ потребителям,
24 - электропривод изменения длины резонаторной трубы,
25 - продукты сгорания,
26 - резонаторная труба,
27 - шлюз бункера верхний,
28 - термометр,
29 - манометр,
30 - газоанализатор,
31 - расходомер,
32 - датчики уровня  наполнения шинами.
На чертеже тонкими пунктирными линиями показаны электрические связи между блоком компьютерного управления 21 и электроприводами закрытия и открытия шлюзов, задвижек и электроприводом 24 изменения длины  резонаторной трубы 26.
Номера позицией  электроприводных задвижек и электроприводов для закрытия и открытия шлюзов  на чертеже одинаковые во всех точках и обозначены соответственно как 11 и 19.
Количество шин 2 в бункере 1 и в реторте 7 для удобства изображения показано условно по три штуки.
Тепловая изоляция заявляемого устройства условно не показана.
Вертикальная штрих пунктирная линия означает линию симметрии.
Назначение и взаимодействие элементов и узлов на фиг. следующее.
Приемный бункер 1 герметичен  и служит для накопления и подготовки шин 2 к загрузке в герметичную реторту 7 для их термохимического разложения без доступа воздуха.
Герметичные шлюзы нижний 3 и верхний 27, также как и другие шлюзы в составе заявляемой установки,  конструктивно представляют собой листы из жаропрочной стали с теплоизолирующими  прокладками и огнеупорными покрытиями и имеющие профилированные  по периметрам обода с уплотнениями из термически устойчивых материалов.
Открытие и закрытие шлюзов производится при помощи электроприводов 19 по программной компьютерной команде, поступающей из блока 21 по электрическим связям 15.
Наличие герметичных шлюзов и электроприводов для их открытия и закрытия по программируемой компьютерной команде из  блока управления является отличительным признаком, обеспечивающим получение положительного технического результата в заявляемом изобретении  по  сравнению с известной конструкцией.
Герметичная форкамера 4 служит для предотвращения притока свежего воздуха в реторту 7 при загрузке в нее новой порции шин 2  из бункера 1 при открытых  шлюзах 6 и  3.
Форкамера 4 отделяет зону термохимического разложения шин 2 без доступа воздуха, находящуюся   внутри  реторты  7, от зоны сжигания топлива в камере  горения 5.
Наличие форкамеры 4 является отличительным признаком, обеспечивающим положительный  технический  результат по получению качественного пиролизного газа  в заявляемом изобретении  по  сравнению с известной конструкцией.
Камера горения 5 служит для сжигания топлива 10 и нагрева за счет выделяющегося при этом тепла поверхности реторты 7 после загрузки в нее новой порции шин.
Шлюз 6 имеет электропривод 19 (номера позиций электроприводов на чертеже у всех шлюзов одинаковые), соединенный электрической связью с блоком управления  21, и служит для открытия по компьютерной команде  реторты  7  перед  загрузкой  в нее  шин 2 из бункера 1 и герметизации ее путем закрытия  шлюза  6 после загрузки.
Реторта 7 обеспечивает герметичный  нагрев шин и последующее термохимическое разложение без доступа воздуха  с предотвращением  их возгорания.
Отсутствие горения шин в реторте 7 является отличительным признаком заявляемого изобретения, который позволяет достигнуть  положительного технического результата – получения качественного пиролизного газа.
В известном устройстве стадия горения шин является неотъемлемой в процессе утилизации шин  и поэтому невозможно получение качественного пиролизного газа с гарантированным химическим составом, который мог быть использован как ценное сырье для  дальнейшей нефтехимической переработки у потребителя.
Пиролизные горелки 8 служат для сжигания в них определенной части пиролизного газа, образующегося в реторте 7 при термохимическом разложении шин без доступа воздуха.
Получаемая теплота  расходуется для обогрева стенки реторты при  поддержании  температурного уровня процесса термохимического разложения шин.
Расход пиролизного газа через горелки 8 по компьютерной команде регулируется величиной открытия и закрытия задвижек, которые входят в состав горелок и имеют электрическую связь 15 с блоком компьютерного управления 21.
Через электроприводной шлюз 9 реторты путем его открытия по компьютерной команде по электрической связи от блока 21удаляются твердые остатки и зола от термохимического  разложения шин.
После удаления остатков  золы шлюз 9  по компьютерной команде от блока 21 с помощью электропривода 19 закрывается, обеспечивая герметичность реторты 7.
Топливо 10 представляет углеводородный газ природного или синтетического происхождения,  состав которого перед подачей в горелки 13 определяется при помощи газоанализатора 30, а давление, температура и расход измеряется первичными датчиками 28,29,31, соединенных для передачи данных в виде электрических сигналов, как и газоанализатор 30,  электрической связью 15 с блоком компьютерного  управления 21.
Электроприводные задвижки 11 служат для регулирования расхода топлива 10 во  внешние  горелки 13.
Дутьевой воздух 12  поступает от вентилятора 20 и служит для интенсификации процесса сжигания топлива 10 при разогреве реторты 7.
Регулирование расхода воздуха осуществляется по компьютерной команде с блока 21 по электрической связи 15 при помощи задвижек 11 (номера позиций на чертеже для всех задвижек одинаковые)  на основании электрических сигналов с первичных датчиков 28, 29, 30, 31 (на чертеже для удобства датчики показаны лишь перед одной горелкой).
Внешние горелки 13 предназначены для сжигания газообразного топлива 10 в смеси с дутьевым воздухом 12,  поступающим от вентилятора 20, и снабжены системой воспламенения топлива от запальников  по компьютерной команде от блока 21 (на чертеже запальники условно не показаны).
Атмосферный воздух 14 поступает через регулируемые  по компьютерной программе блока 21 электроприводные задвижки и аэродинамические клапаны 16 в камеру горения 5 при выделении пиролизного газа, выходящего через горелки 8.
С началом выделения пиролизного газа, выходящего из реторты под давлением, внешние горелки 13 в зависимости от значения температуры внутри реторты 7 переводятся на горение  с пониженным расходом топлива или отключаются от подачи через них топлива и воздуха по компьютерной команде от блока 21.
Аэродинамические клапаны 16, внешние горелки 13, пиролизные горелки 8 расположены по окружности  симметрично.
Золоуловитель 17 служит для накопления твердых негорючих отходов и золы, поступающих после термохимического разложения шин из реторты при открытии шлюза 9.
Шлюз 18 открывается и закрывается  по компьютерной команде от блока 21 с помощью электропривода 19 и предназначен для удаления золы и отходов из золоуловителя 17.
Вентилятор 20 служит для подачи необходимого для сжигания топлива 10 количества воздуха во внешние горелки 13 в соответствии с компьютерной программой от блока 21 и регулирования этого количества по показаниям первичных датчиков 28, 29, 30, 31.
Блок компьютерного управления 21 служит для автоматизации запуска заявляемого устройства в работу при первичном  розжиге  внешних горелок 13 и для контроля и регулирования по компьютерной программе процесса термохимического разложения шин по электрическим сигналам, поступающим  в блок 21 от  первичных датчиков 28, 29, 30, 31.
Наличие блока 21 с программным компьютерным управлением является отличительным признаком для достижения  положительного технического результата по получению качественного пиролизного газа и отпуска его потребителям в количестве, при котором оставшейся части пиролизного газа достаточно для работы пиролизных горелок 8.
Патрубок 22  служит для снабжения потребителей качественным пиролизным газом, расход которого регулируется по компьютерной программе от блока 21 по электрической связи с помощью электроприводной  задвижки.
Наличие электроприводной задвижки (номер позиции 11 на чертеже одинаковый для всех задвижек) для компьютерного  регулирования количества отпускаемого потребителям пиролизного газа в зависимости от стадии процесса термохимического разложения шин в реторте 7 является отличительным признаком заявляемого изобретения, обеспечивающим достижение положительного технического результата.
Автоматическое регулирование качества отпускаемого  потребителям пиролизного газа осуществляется блоком 21 на основании электрических сигналов от расположенных в патрубке 22 первичных датчиков температуры, давления,  состава и расхода пиролизного газа.
Регулирование качества пиролизного  газа по его составу   производится путем изменения температуры термохимического разложения и скорости подвода  теплоты  к стенке реторты.
Это достигается воздействием на режим пульсационного горения пиролизного газа с помощью выбора компьютерной программой блока 21 расхода пиролизного газа через горелки 8, изменения расхода воздуха электроприводными задвижками на аэродинамических клапанах 16 и регулированием  длины резонаторной трубы 26 посредством электропривода 24.  Резонаторная труба 26 конструктивно является составной и представляет собой выдвигаемую  коаксиальную внутреннюю цилиндрическую обечайку с расположенной на ней зубчатой рейкой, которая имеет длину равную длине выдвижения обечайки и находится в зацеплении с зубчатой шестерней  (на чертеже эти  элементы отдельными позициями не обозначены), закрепленной на валу электропривода 24. Выдвигаемая коаксиальная обечайка расположена по скользящей посадке в неподвижном цилиндрическом основании (на чертеже основание показано утолщенной линией), прикрепленном к камере горения 5. На основании расположен электропривод 24 с зубчатой шестерней. По компьютерной команде блока 21, переданной в виде электрического сигнала на реверсивный электропривод 24, начинает вращаться его вал с закрепленной на нем зубчатой шестерней,  которая находится в зацеплении с зубчатой рейкой, закрепленной на выдвигаемой внутренней цилиндрической обечайке. За счет преобразования вращательного движения зубчатой шестерни, находящейся на валу   электропривода 24 в поступательное движение рейки, расположенной на выдвигаемой обечайке, происходит изменение длины резонаторной трубы 26.
Датчики 32, соединенные электрическими связями с блоком 21, служат для контроля и регулирования величины загрузки шинами бункера 1 и реторты 7.
Заявляемая конструкция работает следующим образом.
Через бункер 1, форкамеру 4 при открытых шлюзах 3, 6, 27  и закрытом шлюзе 9,  в реторту 7 загружаются шины 2.
После заполнения реторты 7 шлюзы  3 и 6 закрываются по компьютерной команде блока 21 на основании сигнала датчика 32 при помощи электроприводов 19 и шинами 2 загружается бункер 1, после заполнения которого по сигналу с датчика  32 электроприводной шлюз  27 закрывается также по компьютерной команде.
По компьютерной команде  от  блока 21 включается вентилятор 20, открываются задвижки  и подается воздух 12 и топливо 10 во внешние горелки 13, после чего производится воспламенение от встроенных запальников.
За счет выделяющегося тепла от сжигания топлива 10 в герметичной реторте 7 происходит нагрев шин 2 без доступа кислорода  и при достижении  температуры 450°C начинается  стадия  низко температурного пиролиза, который характеризуется отсутствием тления шин и их возгорания.
В герметичной реторте 7 при непрерывном подводе  теплоты происходит процесс термохимического разложения шин без тления и возгорания.
Под действием высокой  температуры шина распадается на компоненты, представляющие собой  нефтяные фракции, из которых она первоначально произведена.
Наличие процесса термохимического разложения шин без тления и возгорания с  распадом  углеводородного материала шин под действием высокой  температуры на компоненты, представляющие собой  газообразные нефтяные фракции, является отличительным признаком заявляемого изобретения, позволяющим достичь положительного технического результата по получению качественного пиролизного газа и обеспечения его отпуска потребителям.
В известном устройстве нагрев шин в негерметичном объеме  с большим количеством поступающего  воздуха сопровождается их тлением и последующим возгоранием без наступления стадии термохимического разложения углеводородного материала шин.
При  достижении температуры нагрева реторты 7 около 700…750°С начинается активная стадия пиролиза с выделением большого количества пиролизных газов с теплотой сгорания 44,1 МДж/кг и  содержащих 48…52% (объемных)  водорода, 25…27% метана.
На основе электрических сигналов от газоанализатора 30,  датчиков температуры 28, давления 29 (номера позиций всех датчиков температуры, давления и газоанализаторов на чертеже одинаковые)  по компьютерной команде от блока 21 при открытии задвижек на пиролизных горелках 8 часть пиролизного газа  под давлением, имеющимся   внутри реторты  7, подается на сжигание для получения теплоты, необходимой для высокотемпературного термохимического разложения шин.
После воспламенения пиролизного газа, в зависимости от температуры внутри реторты 7  и стадии процесса пиролиза,  подача топлива 10 и воздуха во внешние горелки 13 уменьшается или прекращается.
Необходимый  для  горения пиролизного газа  воздух, с регулированием его количества с помощью электроприводных задвижек,  поступает через аэродинамические клапаны 16.
Так как давление внутри реторты с повышением температуры возрастает,  расход пиролизных газов  через горелки 8 увеличивается, а повышение пропускной способности аэродинамических клапанов 16 по воздуху происходит с запаздыванием, возбуждаются акустические  колебания в зоне горения и продуктов сгорания 25, интенсивность которых поддерживается изменением длины резонаторной трубы 26  с помощью электропривода 24.
Возникающий при этом пульсационный режим сжигания пиролизных газов способствует очистке от загрязнений поверхностей нагрева реторты 7 и улучшает теплообмен между продуктами сгорания и поверхностью реторты.
Первичные данные с датчиков температуры 28, давления 29, химического состава  30  и расхода 31 для уходящих через резонаторную трубу 26 продуктов сгорания 25 в виде электрических сигналов  по электрической связи поступают в блок 21 компьютерного управления для регулирования расхода пиролизного газа через горелки 8.
Получаемый при температуре в реторте свыше 750°C качественный пиролизный газ,  первичные характеристики которого  в виде электрических сигналов датчиками 28, 29, 30 по электрической связи направляются в блок 21, по компьютерной команде через открытие задвижки на патрубке 22 поставляется потребителям.
Выходной контроль и количество отпускаемого потребителям пиролизного газа осуществляется датчиками 28, 29, 30 и расходомером 31, расположенными на выходе патрубка 22.