КОМПЛЕКС ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОГО ПИРОЛИЗА ОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
COMPLEX FOR MICROWAVE PYROLYSIS OF ORGANIC MATERIALS

Изобретение относится к технике переработки органических материалов, может быть применено в химической, нефтехимической промышленности, сельском хозяйстве и теплоэнергетике, в частности для переработки горючих ископаемых.
Из патента РФ №2293104 известен реактор для быстрого пиролиза торфа, используемого в качестве сырья для производства пиролизного топлива, электроэнергии и кокса. Реактор представляет собой трехсекционную камеру-реактор с верхним вводом торфа и выводом пиролизного газа, нижним выводом кокса и двумя горизонтально ориентированными газовыми горелками в объеме рабочей камеры, а также соединенными с горелками подогреваемыми металлическими пластинами, служащими также катализаторами химической реакции разложения.
Недостатком данного устройства является то, что из-за высокой скорости процесса реакция быстрого пиролиза происходит с недостаточно глубокой переработкой исходного материала. Кроме того, реактор обладает существенными потерями тепловой энергии, уносимой с охлаждающей жидкостью, и эта энергия далеко не всегда может быть эффективно использована (в силу отсутствия необходимости или технической возможности использования охлаждающей жидкости в системе отопления).
Известен также реактор микроволнового пиролиза для переработки смешанных органических и металлических отходов (патент США №7951270), состоящий из системы ввода сырья, системы вывода продуктов реакции, источников излучения и двух круглых рабочих камер, оснащенных механическими системами перемешивания сырья и перемещения его между камерами и подставками из поглощающего СВЧ-излучение материала.
Недостатком данного устройства является в основном локальный характер нагрева сырья, поскольку основная часть излучения поглощается подставками, и как следствие неравномерное разложение сырья. Предложенная в данном изобретении система перемешивания не гарантирует решения проблемы неравномерного нагрева, поскольку направление чередования максимумов и минимумов плотности электромагнитной энергии внутри рабочей камеры может не соответствовать траектории, по которой производится перемешивание.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является реактор пиролиза углеводородсодержащего сырья для получения синтез-газа, известный из патента РФ №2614168. Реактор состоит из теплоизолированного корпуса, системы подачи сырья, источников СВЧ-излучения и системы вывода продуктов реакции. В качестве источника излучения используются несколько магнетронов, излучение от которых сквозь отверстия в металлическом корпусе направляется внутрь реактора.
Недостатками данного устройства являются, во-первых, отсутствие возможности работы при более низких температурах пиролиза, поскольку образующиеся в этих условиях конденсированная вязкая фракция будет осаждаться в системе вывода продуктов реакции и засорять ее. Кроме того, в зависимости от характеристик поглощения СВЧ-излучения обрабатываемым материалом может наблюдаться отражение значительной части мощности обратно внутрь источника излучения, что приводит к прекращению генерации излучения или выходу источника из строя. Условия пиролиза в данном реакторе соответствуют быстрому пиролизу, продуктами которого являются только газообразная фракция с низкой молярной массой и углеродистый остаток. С точки зрения полноты и эффективности переработки сырья более предпочтительным является медленный пиролиз при более низкой температуре, при котором могут быть получены жидкие фракции из более тяжелых углеводородов, а также меньший процент сырья преобразуется в твердый остаток. Существенным также является ограничение 50 мм на размер фракции исходного сырья, что может потребовать предварительного измельчения.
Задачами настоящего изобретения являются осуществление работы устройства для пиролиза органических материалов в различных режимах пиролиза, в частности при давлении ниже атмосферного и низких температурах пиролиза (250-500°С), дающих возможность обеспечить глубокую переработку сырья с выделением маслянистой фракции и возможность работы с более крупными фракциями сырья, а также обеспечение эффективной бесперебойной работы как источников СВЧ-излучения устройства, так и всего устройства в целом.
Положительный эффект достигается тем, что комплекс для микроволнового пиролиза органических материалов содержит теплоизолированную рабочей камеры СВЧ-реактора, систему загрузки сырья и систему выгрузки твердого остатка, один или нескольких магнетронов с управляемым высоковольтным источником питания.
Новым является то, что комплекс дополнительно включает систему управления комплексом, соединенную с высоковольтным источником питания, системой контроля параметров реакции и системой откачки продуктов реакции, включающей форвакуумный насос, охлаждаемые систему первичного фракционирования для сбора тяжелый маслянистых фракций и систему вторичного фракционирования для сбора летучих фракций, при этом все магнетроны соединены с теплоизолированной рабочей камерой СВЧ-реактора линиями передачи излучения, представляющими собой волноводы с радиопрозрачными барьерными окнами и системами подстройки, выполненными в виде подвижных поршней, приводимых в движение подстроечными винтами.
В частном случае реализации изобретения по п. 2 формулы новым является то, что места ввода излучения в теплоизолированную рабочую камеру СВЧ-реактора посредством линий передачи излучения расположены таким образом, чтобы разные магнетроны возбуждали в объеме теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора различные моды объемного резонатора.
В частном случае реализации изобретения по п. 3 формулы новым является то, что внутренний слой стенок теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора выполнен из поглощающего СВЧ-излучение материала.
В частном случае реализации изобретения по п. 4 формулы новым является то, что скребковый механизм для удаления твердого остатка из теплоизолированной рабочей камеры реактора выполнен с возможностью перемешивания сырья в процессе пиролиза.
Предлагаемое изобретение поясняется Фиг. 1, где представлена схема комплекса для микроволнового пиролиза торфа. Данный рисунок поясняет предлагаемое изобретение, но не ограничивает его.
В общем случае реализации изобретения по п. 1 формулы комплекс для микроволнового пиролиза органических материалов (см. Фиг. 1) состоит из теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1, системы загрузки сырья 2 и системы выгрузки твердого остатка 3, скребкового механизма 4 для удаления твердого остатка из теплоизолированной рабочей камеры реактора 1, одного или нескольких магнетронов 5 с управляемым высоковольтным источником питания 6, соединенных с теплоизолированной рабочей камерой СВЧ-реактора 1 линиями передачи излучения 7, представляющими собой волноводы с радиопрозрачными барьерными окнами 8 и системами подстройки 9, выполненными в виде подвижных поршней, приводимых в движение подстроечными винтами, системы контроля параметров реакции 10, включающей датчик температуры, манометр и газовый счетчик, системы откачки продуктов реакции 11, включающей форвакуумный насос 12, охлаждаемые систему первичного фракционирования 13 для сбора тяжелый маслянистых фракций и систему вторичного фракционирования 14 для сбора более легких летучих фракций, а также систему управления комплексом 15.
Предложенный комплекс осуществляет работу следующим образом: сырье загружают внутрь теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1 через систему загрузки сырья 2. После окончания загрузки система управления комплексом 15 активирует систему откачки продуктов реакции 11, которая посредством форвакуумного насоса 12 удаляет воздух и лишнюю влагу для уменьшения объема кислорода и потерь энергии на сушку сырья и стабилизирует давление, отслеживаемое системой контроля параметров реакции 10. После стабилизации давления система управления комплексом 15 включает управляемый высоковольтный источник питания 6 и вводит в работу один или несколько магнетронов 5. Для реализации процесса пиролиза достаточно одного из магнетронов 5, но для наращивания мощности комплекса их количество нужно увеличивать. Излучение от одного или нескольких магнетронов 5 по линиям передачи излучения 7 с радиопрозрачными барьерными окнами 8 и системами подстройки 9 поступает внутрь теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1 и обеспечивает нагрев сырья до температуры начала реакции. При этом системы подстройки 9, выполненные в виде подвижных поршней, приводимых в движение подстроечными винтами, заранее отрегулированы в соответствии с характеристиками поглощения сырья и служат для минимизации отражения излучения обратно в направлении одного или нескольких магнетронов 5, что обеспечивает эффективную бесперебойную работу последних. То обстоятельство, что линии передачи излучения 7 выполнены в виде волноводов с радиопрозрачными барьерными окнами 8, позволяет осуществлять работу теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1 с топливом при давлении ниже атмосферного, что дает возможность эффективно откачивать газообразные, а также конденсируемые жидкие (при стандартных условиях) продукты пиролиза. Кроме того, длины волноводов линий передачи излучения 7 при естественном перепаде температур обеспечивают конденсацию маслянистых продуктов реакции на своих стенках и, таким образом, обеспечивают отсутствие загрязнения барьерных окон 8 этими продуктами. При нагреве сырья начинается реакция пиролиза, и выделяющиеся продукты реакции посредством системы откачки продуктов реакции 11 сразу удаляются из объема теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1, конденсируясь в системе первичного фракционирования 13 и системе вторичного фракционирования 14. Оставшийся несконденсированным пиролизный газ посредством форвакуумного насоса 12 собирается отдельно. При этом в процессе пиролиза система откачки продуктов реакции 11 позволяет осуществлять отбор проб для контроля качества продуктов реакции и изменения параметров нагрева в случае необходимости. После достижения максимальной температуры реакции, отслеживаемой системой контроля параметров реакции 10, система управления комплексом 15 уменьшает мощность вплоть до остановки работы одного или нескольких магнетронов 5. После окончания пиролиза теплоизолированная рабочая камера СВЧ-реактора 1 некоторое время охлаждается, затем давление выравнивается с атмосферным и углеродистый остаток выгружают через систему выгрузки твердого остатка 3 с помощью скребкового механизма 4.
Предложенный комплекс может осуществлять работу в разных режимах, в том числе при высоких температурах пиролиза и высоких давлениях, в зависимости от характеристик обрабатываемого сырья и используемых технологий. Однако за счет наличия линий передачи излучения с радиопрозрачными барьерными окнами и системами подстройки, которые защищают один или несколько магнетронов от отражаемого обратно СВЧ-излучения и дают возможность работы при пониженном давлении, он может также, в отличие от прототипа, при низких температурах пиролиза за счет более длительной термической деструкции исходного сырья и более низкой скорости реакции в теплоизолированной рабочей камере СВЧ-реактора осуществлять глубокую переработку сырья вне зависимости от размера его фракции с выделением помимо газовой еще дополнительно и маслянистой фракции, которую можно использовать как топливо, с более низкой скоростью реакции в теплоизолированной рабочей камере СВЧ-реактора.
В частном случае реализации изобретения по п. 2 формулы места ввода излучения в теплоизолированную рабочую камеру СВЧ-реактора 1 посредством линий передачи излучения 7 расположены таким образом, чтобы разные магнетроны 5 возбуждали в объеме теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1 различные моды объемного резонатора. Это достигается за счет размещения мест ввода излучения от различных магнетронов 5 в тех точках поверхности резонатора, где отношение амплитуды поля одной из мод к амплитудам полей остальных мод является максимальным. Поляризация вводимого излучения задается в соответствии с поляризацией поля моды резонатора в месте ввода при помощи поворота каждого из магнетронов 5 с соответствующей ему одной из линий передачи излучения 7 вокруг продольной оси ее волновода либо при помощи специальных волноводных преобразователей. Моды теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1 рассчитываются стандартными алгоритмами вычислительной электродинамики (FEM, FDTD) при нормальной загрузке сырьем. За счет такого размещения мест ввода излучения обеспечивается равномерный по объему прогрев сырья, а также уменьшение взаимного влияния магнетронов 5 друг на друга, приводящего к нарушению их теплового режима работы.
В частном случае реализации изобретения по п. 3 формулы внутренний слой стенок теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1 выполнен из поглощающего СВЧ-излучение материала для компенсации теплопотерь через стенки и обеспечения более равномерного распределения температуры внутри теплоизолированной рабочей камеры СВЧ-реактора 1 и предотвращения конденсации продуктов пиролиза на ее стенках.
В частном случае реализации изобретения по п. 4 формулы скребковый механизм 4 для удаления твердого остатка из теплоизолированной рабочей камеры реактора 1 выполнен с возможностью перемешивания сырья в процессе пиролиза, что дает возможность еще более равномерного прогрева сырья.