УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ВЫХОДА ПРОДУКТОВ ПОЛУКОКСОВАНИЯ ПОЛИФРАКЦИОННЫХ ТВЕРДЫХ ТОПЛИВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА

Заявляемая полезная модель относится к области исследования процессов термического разложения твердых топлив и может использоваться в химической и топливной промышленностях.
3
Известно устройство для определения выхода продуктов полукоксования (так называемая реторта Фишера) емкостью 170 см, содержащая алюминиевый корпус, термодатчик, размещенный на внешней поверхности стенки реторты, систему внешнего электрообогрева и систему конденсации жидких продуктов. [Топливо твердое минеральное. Методы определения выхода продуктов полукоксования. ГОСТ 3168-93. (ИСО 647-74). Дата введения 01.01.1995 г.].
Недостатком этого устройства является то, что получаемые результаты выхода продуктов при постоянном конечном значении температуры 520°C не соответствуют результатам, получаемым в промышленных рабочих устройствах, поскольку характер процесса термического разложения, помимо температурных, временных факторов и условий нагрева, зависит от геометрических размеров частиц топлива. Поэтому получаемые в рабочих устройствах выходы конечных продуктов из полифракционного топлива при неравномерном прогреве всей его массы, как правило, отличаются от результатов, полученных при равномерном прогреве небольшой массы монофракционного мелкозернистого материала в реторте Фишера. Кроме того, в рабочих устройствах процессы проводятся при разных температурах и методах нагрева топлива.
Недостатком этого устройства является также то, что температура, по которой проводится процесс, фиксируется по показаниям термодатчика, расположенного на внешней стороне стенки реторты и практически отличается от реальной температуре материала внутри реторты. Следовательно, температура, характеризующая выход продуктов в процессе термического разложения данного материала, является относительно условной.
Известно устройство для определения выхода продуктов полукоксования топлива, содержащее реторту с внешним обогревом, при котором нагрев массы материала осуществляется, послойно в направлении от стенки реторты к центру со скоростью перемещения фронта нагрева примерно 0,5 мм в минуту. За конечную температуру процесса принимают среднее значение показаний термоэлектрического датчика, размещенного снаружи реторты и фиксирующего заданную температуру обогревательной печи, и показаний термоэлектрического датчика, размещенного в объеме материала и фиксирующего конечную температуру нагрева по центру реторты. [В.Г.Каширский. Экспериментальные основы комплексного энерготехнологического использования топлив. // Саратов, Издательство Саратовского университета, 1981 г., 144 с.].
Недостатком этого устройства является то, что при большом поперечном размере реторты, к моменту достижения центральными слоями топлива конечной температуры, имеет место температурный градиент по радиусу реторты и каждая отдельно взятая образующая слоя топлива имеет температуру, отличную от соседней. Слои соприкасающиеся с раскаленной стенкой реторты уже начинают разлагаться, в то время как в силу плохой теплопроводности твердого материала центральные слои еще не выделили влаги. Парогазовые продукты термического разложения, выделяясь из материала расположенного у стенок, частично проходят через более холодные слои топлива по направлению к выходному отверстию, а поскольку температура во внутренней части реторты еще недостаточно высока, то пары смолы конденсируются на более холодном материале и в дальнейшем при его нагреве крекируются, что ведет к увеличению выхода газа за счет уменьшения выхода смолы. Поэтому характеризуемый средней температурой процесса выход продуктов данного материала представляет собой па самом деле усредненные результаты термического разложения разных частиц этого материала, произошедшего фактически при разных, достаточно сильно различающихся, температурах нагрева.
Недостатком устройства является также то, что отвод парогазовой смеси производится через необогреваемый верхний коллектор, что приводит к конденсации в нем части жидких продуктов, их отеканию обратно в зону высоких температур, повторному разложению и, как следствие, к ошибке в определении выхода смолы.
Недостатком устройства является также то, что при охлаждении реторты с определенного момента в ней образуется разрежение, в результате чего происходит отсасывание части паров смолы из системы конденсации обратно в реторту и их сорбция на частицах полукокса. В конечном счете, это приводит к искажению соотношений образовавшихся в эксперименте продуктов и, как следствие, к ошибке в определении их выходов.
Результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель, является повышение точности определения выхода жидких, газообразных и твердых продуктов за счет улучшения условий теплообмена, обеспечивающих равномерный нагрев всей массы исследуемого материала, и повышение точности определения конечной температуры процесса, характеризующей выход продуктов термического разложения топлива.
Технический результат достигается тем, что установка содержит вертикальную металлическую цилиндрическую реторту, снабженную внешним источником нагрева, термодатчики, коллектор вывода парогазовых продуктов пиролиза и систему конденсации. Реторта выполнена с размещенным по ее оси коаксиально полым металлическим вертикальным цилиндром, внутри которого размещен внутренний источник нагрева, радиус внешней поверхности цилиндра на 5-20 мм меньше радиуса внутренней поверхности стенки реторты с образованием в зазоре между стенками цилиндра и реторты кольцевого реакционного объема, термодатчики размещены в разных точках кольцевого реакционного объема по его высоте и поперечному сечению, при этом количество термодатчиков должно быть, по крайней мере, шесть, а коллектор вывода парогазовых продуктов снабжен датчиком измерения давления, запорным устройством и теплоизоляцией.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема устройства реализующего процесс, на фиг.2 условная схема размещения термодатчиков в кольцевом реакционным объеме по окружности, а на фиг.3 условная схема размещения термодатчиков в кольцевом реакционным объеме по высоте.
Устройство включает печь 1 с внешним источником нагрева 2, в которой размещена вертикальная металлическая реторта 3 с размещенным внутри нее коаксиально металлическим цилиндром 4, внутри которого размещен внутренний источник нагрева 5, зазор между вертикальными стенками цилиндра 4 и стенками реторты 3 образует кольцевой реакционный объем 6 высотой «h» для размещения анализируемой пробы топлива. Реторта 3 содержит съемную крышку 7 с коллектором вывода парогазовых продуктов 8, соединенным через запорное устройство 9 с системой конденсации 10. Коллектор 8 снабжен датчиком давления 11. Крышка 7 и коллектор 8 снабжены съемными теплоизолирующими элементами 12.
В крышку 7 вмонтированы кожухи 13, 14, 15, 16, 17, 18, в которые соответственно вставлены термоэлектрические датчики 19, 20, 21, 22, 23, 24. Термодатчики 20 и 24 размещены по центру кольцевого реакционного объема 6 на половине его высоты «h». Термодатчики 19 и 22 размещены непосредственно соответственно у стенок реторты и цилиндра на половине высоты «h» кольцевого объема 6. Термодатчик 21 размещен по центру кольцевого объема 6 на расстоянии 1/6 его высоты от верха. Термодатчик 23 размещен по центру кольцевого объема 6 на расстоянии 1/6 его высоты от его дна.
Установка работает следующим образом:
Приблизительно 800-1000 г анализируемой пробы исходного твердого топлива заданного гранулометрического состава взвешивают с погрешностью не более 0,05 г и переносят в кольцевой реакционный объем 6 реторты 3. Реторту 3 закрывают съемной крышкой 7, помещают в нагревательную печь 1 и теплоизолируют крышку 7 и коллектор 8 элементами 12. В кожухи 13, 14, 15, 16, 17, 18 вставляют соответственно термоэлектрические датчики 19, 20, 21, 22, 23, 24. Включают внешний 2 и внутренний 5 источники нагрева и нагревают устройство со средней скоростью 7-10°C в минуту до заданной конечной температуры, определяемой как среднеарифметическое значение показаний всех термодатчиков 19-24. Выделяющиеся парогазовые продукты термического разложения направляются в систему конденсации 10. После стабилизации конечной температуры на одном уровне, заданном для данного режима термического разложения, и после полного прекращения выделения парогазовых продуктов источники нагрева выключают. В процессе охлаждения реторты 3 фиксируют показания датчика давления 11 и в момент перехода показаний от избыточного давления к разрежению включают запорное устройство 9, изолирующее реторту 3 от системы конденсации 10. После охлаждения реторты 3 до комнатной температуры из нее выгружают и взвешивают коксовый остаток с погрешностью не более 0,05 г. Результаты взвешивания представляют в виде выхода коксового остатка - полукокса.
По результатам проведенных режимов термического разложения регистрируют зависимости выхода газа, жидких продуктов и полукокса от конечной температуры нагрева во всем исследованном температурном диапазоне.
Температурные условия процесса определяют вычислением среднего арифметического значения температурных показателей термодатчиков 19, 20, 21, 22, 23, 24, размещенных в разных точках реакционного объема 6 реторты 3 по его высоте «h» и поперечному сечению в течение всего процесса с временным интервалом, равным времени подъема температуры нагрева на 10°С.
Теплоизоляция коллектора 8 вывода газообразных продуктов съемными теплоизолирующими элементами 12 обеспечивает поддержание его температуры выше 200°С.
Снабжение реторты 3 кольцевым реакционным объемом 6, поперечное сечение которого не превышает 20 мм, позволяет производить двухсторонний равномерный нагрев небольшого слоя топлива от расположенных в непосредственной близости теплопередающих поверхностей. Расстояние не более 10 мм от поверхностей нагрева до оси кольцевого реакционного объема обеспечивает равномерный прогрев всех частиц полифракционного топлива и эвакуацию образующихся газообразных продуктов только через слои топлива, имеющие такую же температуру, что исключает возможность их частичной конденсации и вторичного нагрева.
Непрерывное вычисление среднего арифметического значения температурных показателей термодатчиков 19-24, размещенных в разных точках реакционного объема 6 реторты 3 по его высоте и поперечному сечению, в течение всего процесса с временным интервалом, равным времени подъема температуры нагрева на 10°С, позволяет с большой точностью фиксировать температурные условия процесса.
Снабжение коллектора 8 вывода газообразных продуктов датчиком давления 11 и запорным устройством 9 позволяет своевременно взаимно изолировать внутренние объемы реторты 3 и системы конденсации 10, что исключает возможность обратного перехода в реторту части фракций жидких продуктов и тем самым повышают точность эксперимента.
Снабжение коллектора 8 вывода газообразных продуктов теплоизоляцией 12 позволяет обеспечить поддержание его температуры выше 200°С и избежать преждевременной конденсации высококипящих фракций жидких продуктов, что тем самым повышает точность определения их выхода.
Таким образом, совокупность указанных существенных признаков обеспечивает более точное определение зависимости выхода продуктов полукоксования полифракционных твердых топлив от температуры нагрева за счет улучшения условий теплообмена, обеспечивающих равномерный нагрев всей массы исследуемого материала, и повышения точности определения конечной температуры процесса.