РЕАКТОР ДЛЯ ПИРОЛИЗНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНОСОДЕРЖАЩЕГО СЫРЬЯ
REACTOR FOR PYROLYSIS OF RAW MATERIAL CONTAINING ORGANIC COMPOUNDS

Изобретение относится к перерабатывающей отрасли и может быть использовано в установках быстрого высокотемпературного пиролизного газификатора линейного типа для переработки органосодержащего сырья, в частности помета, в диапазоне высоких температур (800-950°С) с целью извлечения газа.
Известно устройство для переработки органосодержащего сырья методом пиролиза (см. патент РФ на полезную модель №121503 по кл. МПК С10G1/00, опуб. 27.10.2012), содержащее пиролизный реактор с транспортирующим устройством сырья и устройствами отвода образующихся парогазовых фракций и твердых компонентов. Транспортирующее устройство сырья установлено с внешней стороны реактора и выполнено в виде винтового конвейера, содержащего вал с закрепленной на нем плоской спиралью, при этом часть корпуса конвейера выполнена с перфорацией для подачи к органосодержащему сырью газового теплоносителя, поступающего из устройства отвода парогазовых фракций. Устройство предназначено для переработки навоза или помёта с целью извлечения различных видов жидкого и твердого топлива.
Однако для разогрева сырья используется, как теплоноситель, парогазовая смесь, которая разогревает сырье до необходимой температуры. Естественно при пиролизе выделяются углеводороды в виде газов, которые будут перемешиваться с парогазовой смесью, которой разогревают органическое сырье. В результате образуется смесь газов, которая имеет теплотворную способность на уровне 3000-3500кДж. Такие газы невозможно использовать в двигателях внутреннего сгорания как топливо.
Известен также пиролизный реактор (см. патент РФ № 2613063 по кл. МПК F23G5/027, опуб. 15.03.2017), содержащий герметичную камеру для нагрева и сушки отходов и расположенную ниже камеры сушки герметичную металлическую камеру пиролиза с внешним нагревом для термохимического пиролизного разложения отходов за счет конвективного нагрева отходов от раскаленного металлического корпуса, нагревание которого осуществляется за счет пропуска горячих бескислородных газов во внешнюю полость между металлическим корпусом и наружной теплоизоляционной оболочкой. Герметичные камеры сушки и пиролиза в сечении имеют форму протяженного овала с расположенными по краям основания камер прямоугольными проемами для выпуска отходов с помощью вмонтированных шнековых питателей, а между прямоугольными проемами основания камер вмонтирован лопастный вращающийся активатор для предотвращения зависания отходов.
Однако реактор предназначен для переработки отходов жилищно-коммунального хозяйства, при этом отходы нагревают до температуры 200 - 300°C. При такой температуре происходит реакция низкотемпературного пиролиза с выходом небольшого количества газов на уровне 15-20%, получаемые газы низкокалорийные 2500-300 кДж, так как при такой температуре не происходит разложение воды на Н и ОН, реакция продолжается 8-10 часов, а это значит, что расходуется много тепловой энергии. Температуры 200-300°С недостаточно для качественного перевода твердых углеводородов в газообразное. При такой температуре происходит в основном графитизация сырья, а в образованных газах содержаться весьма токсичные соединения углеводородов,
Наиболее близким к заявляемому является реактор быстрого пиролиза торфа (см. патент РФ №2293104 по кл. МПК С10F5/06, опуб. 10.02.2007), содержащий трехсекционную рабочую камеру с выводами для подачи сухого торфа, выхода кокса и отвода выделившегося в результате пиролиза торфа газа, две установленные внутри рабочей камеры горизонтально ориентированные цилиндрические газовые горелки с каждой из которых механически сопряжено по одной наклонной металлической пластине, вывод для подачи сухого торфа и вывод для отвода выделившегося в результате пиролиза торфа газа выполнены в верхней части верхней секции рабочей камеры, вывод для выхода кокса выполнен в нижней части нижней секции рабочей камеры, одна из цилиндрических газовых горелок и сопряженная с ней наклонная металлическая пластина расположены в верхней секции рабочей камеры, а вторая цилиндрическая газовая горелка и сопряженная с ней наклонная металлическая пластина - в средней секции, при этом наклонные металлические пластины реактора расположены одна под другой и наклонены в противоположные стороны.
Однако производительность данной установки невысока из-за малого времени нахождения органического сырья в реакторе (в течение 6 секунд), что приводит к неэффективному использованию исходного сырья. Кроме этого, газ в нагревательных элементах с большой скоростью продувается через газоходы, проходящие сквозь реактор, и значительная часть тепла выходит из реактора не реализованной, что снижает его коэффициент полезного действия.
Технической проблемой заявляемого изобретения является создание эффективного и высокопроизводительного реактора для пиролизной переработки органического сырья при высоких температурах (800-950°С) с целью извлечения газа.
Технический результат заключается в повышении КПД устройства, увеличении скорости реакции и выхода количества газов.
Технический результат достигается тем, что реактор для пиролизной переработки органосодержащего сырья, содержащий рабочую камеру с металлической пластиной и патрубками для подачи сырья и отвода продуктов переработки сырья, по крайней мере, один нагревательный элемент, согласно решению реактор представляет собой плоский короб, металлическая пластина расположена в нижней части короба параллельно его длинным стенкам и соединена с ним, образуя герметичное пространство, реактор дополнительно содержит скребок и прижимной ролик, выполненные с возможностью перемещения вдоль металлической пластины, при этом скребок расположен с зазором над металлической пластиной, позволяющим распределять органосодержащее сырье равномерно с заданной толщиной слоя по поверхности пластины, а прижимной ролик выполнен с возможностью прикатывания сырья к пластине, при этом нагревательный элемент расположен под пластиной с внешней стороны короба и закрыт теплоизоляционным кожухом.
Скребок и прижимной ролик выполнены с возможностью перемещения посредством винтового привода.
Короб содержит стальную раму, расположенную по периметру короба для размещения на ней металлической пластины.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема пиролизной установки линейного типа для переработки органического сырья.
На чертежах позициями обозначено:
1 – загрузочный бункер с патрубками;
2 – пиролизный реактор;
3 – блок удаления зольного остатка;
4 – металлическая рама;
5 – металлическая пластина;
6 – скребок;
7 – прижимной ролик;
8 – газовый нагреватель;
9 – стальной кожух;
10 – механический (винтовой) привод;
11 – патрубок для удаления образовавшегося газа;
К, Ф  – крайние точки перемещения скребка.
Пиролизная установка состоит из блока питания органическим сырьем, пиролизного реактора 2 и блока удаления зольного остатка 3. Блок питания органическим сырьем состоит из расходного бункера, патрубка, соединяющего бункер с лотковым питателем  и патрубком, через который подается исходное сырье в пиролизный реактор.
Реактор 2 представляет собой плоский короб, выполненный из жаростойкой стали.  Внутри короба размещена металлическая (стальная) рама 4, на которой закреплена металлическая жаропрочная пластина 5, изготовленная из композитного сплава, например легированной стали. Короб и пластина, соединенные между собой, образуют герметичную реакторную зону. Внутренний объем короба изолирован от внешней среды, для исключения попадания воздуха в реакторную зону. Для равномерного распределения сырья по всей площади металлической пластины 5 реактор содержит скребок 6, обеспечивающий увеличение силы контакта сырья с реакционной поверхностью металлической пластины 5. За скребком расположен прижимной ролик 7. Для нагрева металлической пластины 5 к стальной раме 4 с внешней стороны короба крепятся газовые нагреватели 8, например, инфракрасные излучатели, в количестве необходимом для равномерного нагрева всей поверхности пластины. Для уменьшения теплопотерь при прогреве металлической пластины 5 газовые нагреватели 8 помещены в стальной кожух 9, покрытый теплоизоляционным материалом и прикрепленный снизу к раме 4. Для осуществления движения скребка 6 и прижимного ролика 7 используется винтовой привод 10. Реактор соединен при помощи патрубка с блоком удаления зольного остатка 3 в виде золоприемника, снабженного винтовым шнеком. Реактор содержит патрубок 11 для удаления образовавшегося в ходе пиролиза газа.
Скребок 6 расположен с зазором над металлической пластиной 5, позволяющим распределять органосодержащее сырье равномерно с заданной толщиной слоя по поверхности пластины, а прижимной ролик 7 выполнен с возможностью прикатывания сырья к пластине 5. Зольный остаток, по мере необходимости, с помощью шнека  отгружается в емкость.
Образовавшийся в процессе пиролиза газ через патрубок 11 эвакуируется в систему газоочистки и складируется в емкости под давлением.
В данной установке применяется плоский реактор полупериодического действия, в котором, главным органом является металлическая пластина, изготовленная из композитного материала повышенной теплопроводности и имеющая прямоугольную форму поверхности со следующими размерами: длина - 3,0 метра, ширина - 1,2 метра.
Устройство работает следующим образом.
Из загрузочного бункера на металлическую пластину 5 дозированно подают исходное органическое измельченное сырьё, например, помёт.
Над металлической пластиной 5 с определенным временным интервалом совершает возвратно-поступательные перемещения скребок 5, который перемещаясь из одной крайней точки пластины 5 (точка Ф) в другую крайнюю точку пластины (точка К) и обратно из точки К в точку Ф совершает следующие операции: при движении от точки Ф скребок протягивает по разогретой до температуры 900°С пластине сырье, которое с помощью загрузочного бункера 1 через патрубок насыпается на металлическую пластину, равномерно распределяя сырье по всей площади и останавливается в крайней точке К. При движении от точки Ф до точки К, скребок находится над пластиной 5 на фиксированной высоте. Через определенный промежуток времени скребок 6 возвращается из точки К в точку Ф, при этом он опускается на поверхность пластины и зачищает зольный остаток, который образовался из исходного сырья вследствие воздействия на сырье высокой температуры.
Для увеличения скорости температурного разложения органического вещества вслед за скребком 6 на фиксированном расстоянии движется прижимной ролик 7, который прикатывает сырье к разогретой поверхности пластины 5. При этом прижимной ролик 7 разрушает образующийся теплоизоляционный слой и усиливает контакт сырья с реакционной поверхностью. Эта операция способствует увеличению скорости происходящих химических реакций, так как позволяет увеличить скорость теплопередачи от разогретой поверхности листа к сырью. При движении скребка в исходную точку прижимной ролик движется впереди скребка, снова прижимает к поверхности листа зольноуглеродистую массу и разрушает образующиеся углеродные структуры. Это позволяет увеличить  полноту перехода исходного сырья из твердого состояния в горючий газ и поддержать продолжение перехода твердых углеводородов в газ.
После первого прохода наступает пауза, которая выдерживается до 10 секунд. За это время, т.е. в паузе между передвижением механизмов, происходит термическая конверсия органики.
Затем скребок 6 движется в обратном направлении, при этом впереди скребка 6 движется прижимной ролик 7, который снова прижимает сырьё к поверхности пластины 5. Прижимной ролик 7 снова продавливает сырьё на пластине, разрушая углеродные слои, и реакция конверсии продолжается. Так как скребок 6 находится на фиксированном  определенном расстоянии от прижимного ролика 7 (расстояние можно регулировать в зависимости от природы сырья), то реакция разложения успевает закончиться.
Скребок 6, который движется за прижимным роликом 7, при движении в обратном направлении, опускается до уровня пластины 5, снимает образовавшийся зольный остаток с поверхности пластины 5 и сбрасывает его в блок удаления зольного остатка 3. В момент нахождения скребка 6 в исходном положении дозатором (на чертеже не показан) через входной патрубок блока загрузки 1 подается очередная порция сырья на пластину 5 и цикл повторяется.
Время нахождения скребка 6 в исходной точке выбирают достаточным, чтобы дозатор сбросил на металлическую пластину очередную порцию исходного сырья. Процесс рассчитан на прохождение двух циклов в минуту.
Металлическая пластина 5, которая лежит на раме 4, разогревается посредством газовых инфракрасных излучателей 8 до температуры 900-950°С.
Образовавшийся в процессе пиролиза газ, через патрубок 11 эвакуируется в систему газоочистки и складируется в емкости под давлением.
На заявляемой установке возможна переработка практически любых отходов от переработки сельскохозяйственной продукции, продуктов жизнедеятельности птицы, скота, иловых отходов, продуктов жизнедеятельности человека. За счет возможности управления временем проведения реакции разложения органики в качестве сырья, можно использовать не только органические отходы природного происхождения, но и подвергать переработке искусственные материалы различного состава.
Новизна данного изобретения заключается в следующем:
- для пиролиза используется реактор полупериодического действия;
- реакционная поверхность представляет собой плоскость, которая разогревается инфракрасными газовыми нагревателями, что позволяет плавно регулировать процессы пиролиза;
- для увеличения скорости реакции в качестве реакционного материала используется металлическая пластина из композитного материала;
- для увеличения выхода количества газов и полноты переработки, сырье находящееся в реакторе, подвергается механическому воздействию с помощью прижимного ролика.
В заявляемом устройстве тепло к сырью подводится через контакт разогретой до температуры 950°С металлической поверхности. При этом выделяющиеся, газы имеют в своем составе только те продукты, которые находятся в органическом  сырье. В получаемый состав газов не попадают продукты горения и газы из атмосферы, поэтому калорийность газов, получаемых описанной установке в 5-8 раз калорийнее.
При использовании заявляемого устройства время реакции составляет 10-15 секунд, энергозатраты на проведение пиролизных реакций  значительно меньше, чем в известных аналогах.
Результатом конверсии органических остатков с помощью установки  с предлагаемым реактором получаются два продукта:
Горючий газ с теплотворной способностью не менее 22 000кДж./кг.
Зольный остаток в количестве (в зависимости от сырья) 2-5%.
Выход горючего газа от количества переработанного сырья составляет не менее 85%.
Высокая калорийность газа и его чистота позволяют использовать его в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания.
Производительность установки позволяет переработать в час до 1500 кг органического сырья.