ТУРБОРЕАКТИВНЫЙ РЕАКТОР ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ

Описание полезной модели.
Полезная модель относится к устройствам термомеханической переработки углеродсодержащих и углеводородсодержащих веществ, в частности к устройствам высокоскоростного (быстрого) пиролиза, и может быть использована для получения углеводородных продуктов (предпочтительно газообразных) из отходов и сырья органического происхождения, в том числе отходов сельскохозяйственного производства, лесопромышленного комплекса, пищевой промышленности, органической составляющей твердых коммунальных и промышленных отходов, а также органического сырья, например бурых углей, торфа, сланцев, сырой нефти, попутных нефтяных газов и др., с дальнейшей генерацией электрической и тепловой энергий.
Известно устройство для получения углистого вещества и пиролизных газов способом быстрого пиролиза (RU Патент №171149 U1, 28.04.2016). В основе создания полезной модели решена задача организации процесса быстрого пиролиза измельченного и высушенного сырья на основе аппарата с закрученными потоками газовзвеси, состоящей из частиц пиролизуемого материала и части пиролизного газа, получаемого в процессе пиролиза. Недостатком этого устройства является сложность подбора режима работы и настройки оборудования на виды перерабатываемого сырья и его характеристики.
Известен реактор высокоскоростного пиролиза (RU Патент №139640 С1, 09.12.2013), в котором исходное сырье вместе с потоком теплоносителя тангенциально поступает в реакционную зону, приобретает вращательное движение и вовлекается в быстровращающийся вихревой поток реакционной смеси. При входе в реактор происходит взрывная деструкция угольных частиц из-за мгновенного вскипания входящей в их состав воды, что способствует еще более тонкому измельчению частиц и соответственно повышению их реакционной способности. В реакторе происходит контролируемый процесс высокоскоростного пиролиза частиц сырья благодаря возможности изменения реакционного объема за счет перемещения выхлопной трубы с раструбом в вертикальной плоскости и регулирования зазора между раструбом и стенкой корпуса. Частицы твердых продуктов пиролиза при их вращении отбрасываются центробежными силами к стенке корпуса, спускаются по ней в нижнюю часть реактора и выводятся через патрубок отвода твердых продуктов пиролиза в систему сбора и утилизации.
К недостаткам прототипа можно отнести: малый диапазон регулирования времени пребывания сырья в реакционной зоне пиролиза и низкую эффективность тепломассообменных процессов.
Задачей полезной модели является разработка конструкции компактного пиролизного вихревого реактора с высокой эффективностью процесса пиролиза углеводородсодержащих материалов (твердых дисперсных, жидких и газообразных) во взвешенном динамическом состоянии вихревого закрученного потока с целью получения качественных углеводородных продуктов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид реактора, поперечный разрез; на фиг. 2 - общий вид реактора, вид сверху.
Турбореактивный реактор термомеханической деструкции содержит пиролизную камеру реактора (1) тороидальной формы, с торца которой вертикально размещен патрубок (2) ввода подготовленного сырья и патрубок (3) отвода продуктов пиролиза соответственно. Соосно с пиролизной камерой реактора расположен внешний тепловой контур (4), ограниченный стенками корпуса пиролизной камеры реактора тороидальной формы и стенками внешнего теплового контура. Внешний тепловой контур содержит тангенциально расположенный патрубок (5) подвода тепла от газовых камер сгорания и патрубок (6) отвода дымовых газов.
Турбореактивный реактор термомеханический деструкции углеводородного сырья работает следующим образом.
Заданный температурный режим в пиролизной камере реактора (1) поддерживается за счет регулирования режима работы внешнего теплового контура. Подготовленное сырье по шнеку тангенциально поступает в пиролизную камеру реактора через патрубок (2) и закручивается в полости тороида в 3D поток. В создании вращательно-поступательного движения потока газовзвеси также участвуют силы реактивной тяги, тангенциально направленные от крыльчатки активатора (7) и внутренней поверхности тороида пиролизной камеры реактора (8) и вдоль оси патрубка (3) отвода продуктов пиролиза. Заданное разрежение в реакционной зоне обеспечивается регулированием производительности вытяжного устройства, отводящего газовую и твердую фазы из пиролизной камеры реактора.
Техническим результатом полезной модели является достижение значительной интенсификации тепломассообменных процессов в сильнозакрученном (турбо) потоке продуктов пиролиза по всему тороиду пиролизной камеры реактора за счет 3D перемешивания газовзвеси при использовании крыльчатки - активатора, при теплопередаче фотолизом энергии всему потоку и при контакте - абляции с раскаленными стенками камеры пиролиза, а также нахождение сырья в пиролизной камере реактора до полного превращения сырья в газы и измельчения до мелкодисперсного углеродистого остатка. Температурный режим в камере пиролиза поддерживается регулированием режима работы внешнего теплового контура (вместо камеры сгорания с узким диапазоном температур).
Конструкция и принцип работы реактора позволяют осуществлять конверсию разных видов сырья: твердых дисперсных, жидких и газообразных в различных режимах работы реактора.
Опытным путем подтверждена эффективность термомеханической деструкции мелкодисперсного сырья при наличии эффекта «термоудара» без доступа кислорода и за счет интенсификации тепломассообмена в вихревом 3D потоке. Получен стабильный результат разрушения смолистых компонентов в пиролизном газе и получение 100% неконденсируемого пиролизного газа, что также подтверждает достижение технического результата и решение поставленной задачи.
Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом и аналогами показывает, что заявляемое техническое решение обладает рядом существенных признаков, имеющих новизну конструкции. Отличительными признаками полезной модели являются значительное увеличение диапазона режимов работы реактора; значительно уменьшилось соотношение объема пиролизной камеры реактора к входящей производительности установки, т.е. упрощение конструкции, повышение надежности и безопасности всей установки; применение крыльчатки-активатора с использованием новых высокожаропрочных сплавов и покрытий. Благодаря высоким показателям нового реактора мобильный комплекс в контейнерном исполнении прошел успешные испытания на заявленных видах переработки сырья с получением электроэнергии на газопоршневой установке, СЖТ - синтетического жидкого топлива, газа с теплотворной способностью 6000-12000 кКал/м3, ПУОТ - пылеугольного обогащенного топлива, малых расходов газа на процесс пиролиза (2-5%).