Способ и устройство для исследования процесса термического разложения органических материалов
METHOD AND APPARATUS FOR STUDYING PROCESS OF THERMAL DECOMPOSITION OF ORGANIC MATERIALS

Изобретение относится к области исследований процессов термической переработки материалов, содержащих органику, в том числе отходов, и может использоваться при исследованиях, связанных с разработкой оборудования в коммунальном хозяйстве, энергетике, химической и топливной промышленностях.
Известны различные способы и устройства, предназначенные для исследования процесса термического разложения (в частности, пиролиза) различных материалов с целью определения влияния режимов процесса на выход и качество продуктов.
3
Известен стандартный способ оценки качества топлива путем определения суммарного выхода выделяющихся при нагревании продуктов: смолы, пирогенетической воды, полукокса и газа. Способ заключается в нагревании до 520°С без доступа воздуха навески измельченного топлива в алюминиевой реторте (так называемая реторта Фишера) емкостью 170 см [1].
Недостатком этого способа является то, что получаемые в реторте Фишера результаты не могут напрямую использоваться в промышленных условиях, поскольку при этом методе исследований осуществляется термическое разложение небольшого количества мелкой фракции топлива при одинаковом равномерном прогреве всей его массы, чего практически невозможно достичь на практике. Недостатком способа является также то, что в реторте Фишера отсутствует система сбора газа.
Известно устройство для исследования процесса термического разложения твердых топлив, содержащее бункер топлива с питателем, бункер твердого теплоносителя (собственной золы) с питателем, смеситель топлива и твердого теплоносителя, пылеосадительную камеру с системой пылеочистки, системой конденсации жидких продуктов из парогазовой смеси и цилиндрический реактор пиролиза с горизонтальной осью вращения. Газовый объем реактора пиролиза снабжен пробоотборниками для дискретного отбора проб газовой фазы, размещенными вдоль образующих реактора на разных расстояниях от торцевой стенки [2].
Недостатком устройства является невозможность его использования для исследования процесса пиролиза малозольных материалов с большим выходом летучих продуктов, например отходов, содержащих большое количество пластиков, не дающих зольного остатка.
Недостатком устройства является также отсутствие системы сжигания парогазовых и твердых продуктов при исследовании процесса уничтожения отходов и, следовательно, невозможность анализа состава дымовых газов, выбрасываемых в атмосферу.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является лабораторный стенд, содержащий загрузочный бункер, камеру термического разложения, ручное перемешивающее устройство, обогревательную камеру, горелку, шибер, картридж катализатора, теплообменник, скруббер, дымосос и дымовую трубу [3].
Недостатками стенда при его использовании для исследования процесса термического уничтожения отходов, основным показателем качества которого является экологически безопасный состав дымовых газов, является то, что:
- на стенде не предусмотрена система конденсации продуктов пиролиза и нет пробоотборников парогазовой смеси и дымовых газов, позволяющих отбирать пробы в разных точках устройства по ходу технологического процесса, что делает невозможным выявления зависимости состава дымовых газов от соотношения выходов продуктов пиролиза и состава парогазовой смеси (ПГС) перед ее сжиганием;
- на стенде используется горелочное устройство, в котором сжигается поступающая из камеры термического разложения (КТР) парогазовая смесь (ПГС), но при этом соотношение воздух/ПГС невозможно регулировать, так как оно определяется только разрежением, создаваемым дымососом при неизменном соотношении сечений газо- и воздуховодов и является постоянным. Поэтому, поскольку исследуемые материалы имеют разную теплотворную способность, а расход воздуха всегда практически один и тот же, процесс сжигания происходит с разными коэффициентами избытка воздуха, т.е. в нерасчетном, не поддающимся регулировке режиме;
- на стенде не предусмотрена возможность управления температурой дымовых газов перед системами их каталитической очистки, имеющими порог допустимой рабочей температуры (не более 300°С);
- после загрузки исходного материала в камеру термического разложения (КТР) невозможно обеспечить его равномерное перемешивание ручной мешалкой и, следовательно, невозможно осуществить равномерный прогрев всей массы материала. Вследствие неравномерного нагрева материала в разных точках слоя по высоте, в итоге получают усредненные данные, которые могут рассматриваться как оценочные, но не могут служить основанием для их применения при исследовании процессов, происходящих в реакторах, имеющих промышленное применение.
Техническим результатом, на решение которого направлено заявленное изобретение, является повышение эффективности исследования процесса термического разложения различных органосодержащих материалов, в том числе отходов, возможность управления режимом сжигания парогазовой смеси и температурой отходящих дымовых газов, возможность оценки свойств продуктов пиролиза и дымовых газов по ходу технологического процесса путем дискретного отбора проб газообразных продуктов в разных точках устройства.
Технический результат достигается тем, что количество теплоты, необходимой для осуществления автотермичности процесса, получают за счет сжигания части парогазовой смеси в горелочном устройстве инжекционного типа, снабженном напорной воздуходувкой с регулируемым расходом воздуха, другую часть парогазовой смеси направляют в конденсатор жидких продуктов, отбор проб парогазовой смеси, газа пиролиза и дымовых газов осуществляют путем их отсасывания в газовые пипетки, соотношение потоков, поступающих на сжигание и в систему конденсации, регулируют общим переключающим устройством, а температуру дымовых газов перед входом в систему газоочистки снижают в системе охлаждения, состоящей из охладителя атмосферным воздухом и водяного теплообменника. Процесс пиролиза проводят при постоянном перемешивании материала мешалкой с электроприводом.
Принципиальная схема устройства для осуществления способа исследований поясняется фиг. 1.
Устройство содержит загрузочный бункер 1 с шибером 2, обогревательную камеру 3, камеру термического разложения 4 с мешалкой 5 с электроприводом 6, горелку розжига 7, горелочное устройство инжекционного типа 8, напорный вентилятор 9, воздушный газоохладитель 10 с напорным вентилятором 11, водяной теплообменник 12 с системой теплосъема 13, систему газоочистки 14, конденсатор жидких продуктов 15, переключатель газовых потоков 16, дымосос 17, пробоотборники 18, дымовую трубу (или систему вытяжной вентиляции).
Способ исследований осуществляют следующим образом:
Включают горелку розжига 7 и разогревают установку до рабочей температуры. В бункер 1 загружают исследуемый материал, открывают шибер 2 и перемещают материал в камеру термического разложения (КТР) 4. Включают привод 6 мешалки 5 и производят постоянное перемешивание материала. Выделяющаяся при термическом разложении парогазовая смесь (ПГС) поступает в горелочное устройство 8, где сжигается с заданным расходом воздуха, подаваемого напорным вентилятором 9. Выходящие из обогревательной камеры 3 дымовые газы охлаждают до температурного уровня 400-500°С прямым контактом с атмосферным воздухом, подаваемым напорным вентилятором 11 в газоохладитель 10. Дальнейшее охлаждение дымовых газов до уровня 100-105°С производят в водяном теплообменнике 12, снабженном системой теплоотвода 13. Охлажденные дымовые газы поступают в систему газоочистки 14, после которой дымососом 17 выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу (или систему вытяжной вентиляции). Одновременно с началом выделения ПГС, путем изменения положения регулирующего устройства переключателя 16, устанавливают заданные величины разрежения в обогревательной камере 3 и конденсаторе 15, определяющие распределение потоков ПГС на сжигание и конденсацию. В ходе опыта, через заданные промежутки времени, производят дискретный отбор проб газообразных продуктов из разных участков обогревательной камеры 3, системы газоочистки 14, системы конденсации 15, на выходе из дымососа 17 через пробоотборники 18, для чего к пробоотборникам последовательно подсоединяют газовые пипетки, заполненные насыщенным соляным раствором, при сливе которого в пипетке создается разрежение и ее объем заполняется газообразными продуктами, находящимися в это время в определенной точке установки.
Таким образом:
Использование горелочного устройства инжекционного типа с регулируемым расходом воздуха позволяет в зависимости от калорийности исследуемого материала подавать в горелочное устройство разное расчетное количество воздуха, что дает возможность сжигать парогазовую смесь в оптимальном режиме.
Снижение температуры дымовых газов на входе в систему газоочистки позволяет использовать для очистки дымовых газов ряд катализаторов, например, на основе фехраля, не способных работать при температурах, превышающих уровень 300°С.
Использование конденсатора жидких продуктов и системы пробоотборников позволяет, наряду с возможностью сведения материального баланса процесса, отбирать пробы продуктов пиролиза и дымовых газов в заданных точках в заданное время, что позволяет выявить динамику технологического процесса.
Соединение камеры термического разложения, конденсатора жидких продуктов и горелочного устройства общим переключающим устройством позволяет устанавливать заданное разрежение в этих узлах установки и, следовательно, регулировать количество ПГС, поступающей в горелочное устройство и в конденсатор жидких продуктов.
Использование мешалки с электроприводом обеспечивает равномерное перемешивание материала по высоте всего слоя и, следовательно, обеспечивает равномерный прогрев всей массы топлива.
Таким образом, заявленное техническое решение позволяет: сжигать образующуюся при пиролизе парогазовую смесь в оптимальном режиме с расчетным коэффициентом избытка воздуха, управлять количеством ПГС поступающим на конденсацию и на сжигание и повышает эффективность исследования процессов, происходящих при термическом разложении (пиролизе) материалов, содержащих органику, за счет возможности одновременного получения данных о свойствах парогазовой смеси и дымовых газов от ее сжигания в заданных точках технологического процесса в заданное время.
Источники информации:
1. Топливо твердое минеральное. Методы определения выхода продуктов полукоксования. ГОСТ 3168-93. (ИСО 647-74). Дата введения 01.01.1995 г.
2. Патент РФ на полезную модель №127879, дата публикации 10.05.2013.
3. Автореферат диссертации к.т.н. Копачев А.Г. «Разработка технологии и оборудования для экологически безопасной переработки твердых органосодержащих отходов коммунального хозяйства с использованием среднетемпературного пиролиза», М.:, 2001, С. 15.