РЕАКТОР БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА
FAST PYROLYSIS REACTOR

Заявленное изобретение относится к устройству термической переработки исходного сырья, например торфа, древесных опилок, отходов сельскохозяйственной продукции, в частности представляет собой конструкцию реактора быстрого пиролиза для получения различных видов готовой продукции, а именно жидких нефтепродуктов, тяжелых и легких газов, кокса, активированного угля и т.д.
Уровень техники
Анализ предшествующего уровня техники позволил выявить российские и иностранные патенты, наиболее близкими из которых являются следующие.
Аналог, ГАЗИФИКАТОР ТВЕРДОГО ТОПЛИВА, который содержит вертикальную шахтную печь, внутри которой последовательно, сверху вниз, расположены зоны сушки, пиролиза и горения твердого топлива. В верхней части печи расположены загрузочное устройство и патрубок для отбора продукт-газа, в нижней части - патрубок для подачи газифицирующего агента и устройство для накопления и вывода твердых продуктов переработки - золы. Между верхней и нижней частями газификатора расположены одна или несколько секций, являющихся составными частями газификатора, имеющих в центре внутренние сквозные полости, расположенные в направлении вертикальной оси газификатора и сообщающиеся с внутренними полостями верхней и нижней частей, а также с внутренними полостями других составных частей газификатора. Секции имеют кожух с расположенной в нем футеровкой, в которой закреплены концы термоаккумулирующих элементов, расположенных во внутренней полости секции. Причем одна или несколько секций печи выполнены с возможностью вращения относительно верхней и нижней частей газификатора вокруг его вертикальной оси. Технический результат: упрощение, повышение надежности и производительности (патент на изобретение РФ №2232347, дата публикации: 10.07.2004, патентообладатель: Мещанкин Андрей Иванович (RU)).
2
Разложение органического сырья в данном реакторе происходит газами, образованными за счет сгорания какого-либо топлива. При этом воздействие осуществляется путем продувки горячими дымовыми газами исходного сырья. В результате, вновь образующиеся за счет разложения сырья газы разбавляются продуктами горения и становятся крайне бедными. Значительная часть углерода, находящегося в сырье, окисляется до CO и становится балластом. Калорийность получаемых углеводородов составляет менее 3000 ккал/кг. Коэффициент полезного действия установки по преобразованию исходного сырья не превышает 20% ввиду выше перечисленных причин. Получаемый продукт может использоваться только как низкосортное топливо в системах отопления, что является объективными и главными недостатками представленного аналога.
Прототип, РЕАКТОР БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА ТОРФА, содержит трехсекционную рабочую камеру 1 с выводами для подачи сухого торфа 2, выходом 4 кокса и отводом 3 выделившегося в результате пиролиза торфа газа. Внутри камеры 1 горизонтально установлены две цилиндрические газовые горелки 5. С каждой механически сопряжено по одной наклонной металлической пластине 6. Кольцевые камеры 7 заполнены охлаждающей жидкостью и содержат подводящие 8 и отводящие 9 трубки, расположенные по одной в каждой из трех секций камеры 1. Вывод для подачи сухого торфа 2 и вывод для отвода 3 выделившегося в результате пиролиза торфа газа  выполнены в верхней части верхней секции камеры 1, а вывод 4 для кокса - в нижней части нижней секции. Одна из горелок 5 и сопряженная с ней пластина 6 расположены в верхней секции, а вторая - в средней секции. Пластины 6 реактора расположены одна под другой и наклонены в противоположные стороны. Изобретение исключает выделение веществ, плохо пригодных для последующего использования (патент на изобретение РФ №2293104, дата публикации: 10.02.2007, патентообладатель: Котельников Владимир Александрович (RU), Котельников Андрей Владимирович (RU), Замураев Дмитрий Владимирович (RU), Подзоров Александр Иванович (RU)).
Газификация органики происходит в режиме свободного падения частиц под действием силы тяжести. При этом частицы пролетают разогретую зону, падают на круто наклонные разогретые стальные пластины, расположенные одна под другой. Угол наклона пластин, во избежание остановки движения частиц по пластинам, должен быть не менее 60 градусов. Ускорение свободного падения составляет 9,8 м/с с учетом воздушного сопротивления К=1,28. Скорость падения составит 7,6 м/с. В патенте указывается, что время нахождения частиц в свободном падении составляет 6 с. То есть высота реактора должна составить 45,6 метра. Вызывает сомнение возможность работы данной установки в рабочем режиме. Если рассматривать время нахождения в данном реакторе подаваемого сырья в 1 с, то высота реактора должна быть не менее 7,6 м (высота двухэтажного здания). В результате гипотетического сокращения времени нахождения подаваемой органики в реактор эффективность использования исходного материала резко уменьшится. Производительность упадет в несколько раз, что является первым существенным недостатком.
Вторым объективным недостатком данного реактора является низкий коэффициент использования горючего агента (газа) для разогрева и поддержания его в рабочем состояние. КПД его составляет не более 30%. Столь низкая эффективность обусловлена тем, что продукты горения газа с большой скоростью продуваются через газоходы, проходящие сквозь реактор, и значительная часть тепла выходит из реактора не реализованной.
Техническим результатом заявленного изобретения является устранение вышеуказанных недостатков: высокий коэффициент использования горючего агента (газа) до 95% для разогрева и поддержания его в рабочем состояние.
Поставленный технический результат достигается за счет реактора быстрого пиролиза, установленного на рамную стальную конструкцию, представляющую собой стальной корпус, внутри которого расположен вращающийся полый стальной цилиндр, включающий загрузочный бункер, патрубок для эвакуации продуктов деструкции органики и выпускной патрубок отвода выделяющегося в ходе пиролиза продукта, нагревательный элемент.
При этом корпус состоит из двух частей, соединенных между собой болтами на фланцах. Нижняя часть корпуса заканчивается пирамидальным сборником твердых продуктов пиролиза, через верхнюю плоскость корпуса, вовнутрь которого проходит лоток для подачи сырья. Торцы цилиндра с двух сторон ограничены кольцами, имеющими сквозные отверстия по центру. Вдоль горизонтальной оси цилиндра по всей его длине приварены лопатки. К торцевым кольцам цилиндра приварены по центральной оси полые полуоси, внутренний диаметр которых совпадает с диаметром отверстий, имеющихся в торцевых кольцах. Полуоси через кольцевые отверстия в боковых стенках реактора выходят за пределы корпуса, опираются на вращающиеся опоры. На одной из полуосей закреплена винтовым соединением ведомая звездочка цепной передачи. Исполнительным механизмом для вращения цилиндра служит электродвигатель с приводом, соединенный с редуктором, на валу которого закреплена с помощью шпонки ведущая звездочка. Цилиндр в сборе имеет сквозную полость, внутри которой вдоль оси вращения располагаются электрические нагревательные элементы. Через центр полости проходит стержень, на котором крепятся на изоляторы хомутами электрические нагревательные элементы. Снаружи и внутри корпус реактора футерован теплоизоляционными материалами.
При этом электрические нагревательные элементы представляет собой карбид кремневые электроды.
При этом футеровка корпуса снаружи и изнутри осуществляется с помощью теплоизоляционных каолиновых плит.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан продольный разрез устройства;
на фиг. 2 показан поперечный разрез устройства;
где 1 - загрузочный бункер; 2 - лоток; 3 - патрубок; 4 - верхняя часть корпуса; 5 - фланец; 6 - стержень; 7 - нижняя часть корпуса; 8 - пирамидальный сборник; 9 - выпускной патрубок; 10 - стальной цилиндр; 11 - кольцо; 12 - лопатка; 13 - сквозное отверстие; 14 - электрический нагревательный элемент; 15 - опора; 16 - рамная стальная конструкция; 17 - ведомая звездочка; 18 - полая полуось; 19 - кольцевое отверстие.
Стальной корпус реактора состоит из двух частей [4, 7], соединенных между собой болтами на фланцах [5]. Нижняя часть корпуса заканчивается пирамидальным сборником твердых продуктов пиролиза [8]. Через верхнюю плоскость корпуса реактора быстрого пиролиза вовнутрь проходит лоток [2], по которому на разогретую поверхность цилиндра [10] подается сырье.
В верхней части боковой плоскости реактора имеется патрубок [3] для эвакуации продуктов деструкции органики (смесь газов). Торцы цилиндра с двух сторон ограничены кольцами [11], имеющими сквозные отверстия по центру [13]. Вдоль горизонтальной оси цилиндра по всей его длине приварены лопатки [12], предназначенные для эффективного перемешивания и увеличения реакционной поверхности цилиндра [10].
К торцевым кольцам цилиндра приварены по центральной оси полые полуоси [18], внутренний диаметр которых совпадает с диаметром отверстий, имеющихся в торцевых кольцах. Полуоси через кольцевые отверстия [19] в боковых стенках реактора выходят за пределы корпуса. Полуоси опираются на вращающиеся опоры [15]. На одной из полуосей закреплена винтовым соединением ведомая звездочка [17] цепной передачи, с помощью которой осуществляется вращение цилиндра внутри корпуса. Исполнительным механизмом для вращения цилиндра [10] служит электродвигатель, соединенный с редуктором, на валу которого закреплена с помощью шпонки ведущая звездочка (на фиг. 1-2 не указаны).
Цилиндр [10] в сборе имеет сквозную полость, внутри которой вдоль оси вращения располагаются электрические нагревательные элементы [14]. Через центр полости проходит стержень [6], на котором крепятся на изоляторы хомутами (на фиг. 1-2 не указаны) электрические нагревательные элементы [14]. Снаружи и внутри корпус реактора футерован теплоизоляционными материалами. Реактор установлен на рамную стальную конструкцию [16].
Электрические нагревательные элементы представляет собой карбид кремневые электроды.
При этом футеровка корпуса снаружи и изнутри осуществляется с помощью теплоизоляционных каолиновых плит.
Устройство функционирует следующим образом.
Исходное сырье подается из загрузочного бункера [1] посредством лотка [2] на предварительно разогретую поверхность стального цилиндра [10] в точку [А]. Вращаясь, цилиндр перемещает материал из точки [А] в точку [Б], при этом происходит постоянное перемещение (пересыпание) органического сырья по разогретой поверхности. В точке [Б] происходит сброс твердых остатков пиролиза в нижнюю часть корпуса [7] и через нижний выпускной патрубок [9] эвакуируется из реактора. Образовавшийся газ эвакуируется через патрубок [3].
При работе реактора цилиндр имеет две зоны:
- рабочая зона (позиция [А-Б]) температура +800 - +900°C, на которой происходит разложение органического вещества;
- холостая зона (позиция [Б-А]) температура +700 - +800°C, где происходит разогрев поверхности цилиндра.
Управление процессом быстрого пиролиза.
Подача сырья (подготовленной органической массы) на цилиндр осуществляется сверху перпендикулярно горизонтальной оси вращения цилиндра.
Процессам пиролиза подвергают различные органические соединения и материалы. Исходным сырьем могут служить торф, древесные опилки, отходы сельскохозяйственной продукции и т.д. При этом для каждого сырья требуется соблюдение определенных параметров технологического процесса термического разложения органики. Для управлением этими процессами в конструкцию заложена возможность с помощью изменения токовых нагрузок регулировать объемы подачи материала во времени, изменять время реакции (скорость вращения цилиндра варьируется от 1 до 12 секунд), устанавливать температуру разложения в диапазоне от 450-1200°C в автоматическом, и/или полуавтоматическом, и/или ручном режимах.
Таким образом, дополнительными преимуществами заявленного изобретения по отношению к аналогу и прототипу являются следующие:
1. Компактные габариты устройства: высота вместе с приемным бункером - 4 м, ширина - 2,5 м, длина - 3 м.
2. Органическое сырье разлагается не в период свободного падения, а попадает на разогретую металлическую поверхность цилиндра и находится на ней заданное количество времени.
3
За счет того что разогрев реактора производится электрическими элементами в замкнутом пространстве, где отсутствует движение воздуха, до 95% тепловой энергии расходуется по прямому назначению на разогрев реактора и поддержание в нем рабочей температуры. Теплотворная способность получаемой смеси газов составляет 9000 кВтч/м и может использоваться как топливо для получения тепла, так и моторного топлива для получения электроэнергии в поршневых газогенераторных установках.
Следовательно,
- энергопотребление на единицу перерабатываемой продукции в представленном реакторе в 3 раза ниже, чем в прототипе,
- экономическая эффективность по выработке готового продукта из единицы исходного сырья выше за счет полноты разложения органики.
Таким образом, проведенный анализ и испытание опытного образца подтверждают поставленный технический результат заявленного изобретения: высокий коэффициент использования горючего агента (газа) до 95% для разогрева и поддержанием его в рабочем состоянии.
Предложенное изобретение является новым, поскольку вся совокупность признаков не известна из предшествующего уровня техники, приведенной в соответствующем разделе описания.
Обладает критерием изобретательский уровень, поскольку для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
А также является промышленно применимым, поскольку испытание образца подтвердили возможность его использования в термической переработке исходного сырья.