УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Полезная модель к комплексной переработке твердого топлива и может быть использована в энергетике и химической промышленности для энергохимической переработки твердого топлива с получением помимо тепла и химической продукции.
Техническое решение представляет собой устройство, содержащее элементы (узлы и блоки), а также связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в ограниченном пространстве с возможностью выполнения в едином корпусе.
Известно устройство [RU 88670, U1, C10G 15/00 20.11.2009], включающая средства подготовки (предварительной очистки от воды и вредных примесей), подачу и нагрев сырья, разделение сырья на фракции, отвод продуктов разделения, аппарат разделения, в котором углеводородную смесь разделяют на две части - легкую парогазовую часть разделения (низкокипящие фракции НКФ) и тяжелую высокомолекулярную жидкую часть разделения (высококипящие фракции ВКФ), при этом, сырье предварительно нагревают в рекуперативных теплообменниках за счет тепла одного или всех продуктов разделения (НКФ и ВКФ), и/или в отдельной или общей (но в отдельном от нагрева ВКФ змеевике) с нагревом ВКФ печи нагрева (нагревателе) до температуры выше 20°C или нагревают и подвергают термическому крекингу, высокомолекулярную жидкую часть разделения (высококипящие фракции ВКФ), получаемую после аппарата разделения, нагревают в печи нагрева (нагревателе) отдельно от сырья до температуры выше 300°C или нагревают и подвергают термическому крекингу, массовая доля ВКФ, подвергшихся термическому крекингу в печи нагрева или нагревателе, не превышает 50%, затем сырье окончательно нагревают в устройстве прямого смешивания сырья с нагретой высокомолекулярной жидкой частью разделения (высококипящими фракциями ВКФ), причем, смесь нагревают до определенной подкритичной температуры, которая ниже температуры начала лавинообразного неуправляемого термического крекинга, но не более чем на 300°C (в зависимости от состава и свойств исходного сырья), т.е. нагревают так, чтобы неуправляемый термический крекинг еще не начался, затем смесь сырья и ВКФ направляют в устройство термомеханического крекинга, в котором смесь для инициирования управляемого процесса разрыва связей молекул (термомеханического крекинга) подвергают механическому и волновому воздействию различной природы и широкого спектра частот, например кавитационному воздействию, звуковым, ультразвуковым колебаниям, причем для кавитационной обработки нагретого до подкритичной температуры сырья и наложения акустического воздействия используют такие устройства, действие которых основано на гидродинамических эффектах движения многофазных сред со скоростями более 5 м/с по каналам различной формы, обработанную в устройстве термомеханического крекинга смесь сырья и ВКФ для увеличения межфазной поверхности разделяющихся сред и более эффективного и быстрого их разделения диспергируют (распыляют) в аппарат разделения с понижением давления, высокомолекулярную жидкую часть разделения (высококипящие фракции ВКФ) после аппарата разделения, преимущественно с температурой начала кипения выше 350-360°C, частично направляют в блок получения тяжелых товарных продуктов (кокса, битума, битумных эмульсий, покрытий, масел и других тяжелых продуктов) на месте подготовки и переработки сырья по данной полезной модели или охлаждают и транспортируют к удаленному месту получения тяжелых товарных продуктов, и частично возвращают на повторную обработку по данной полезной модели в начало процесса (в нагреватель) для увеличения выхода легких продуктов и глубины переработки, причем возвращаемая часть ВКФ циркулирует по замкнутому контуру - аппарат разделения, печь нагрева (нагреватель), аппарат разделения, соотношение расходов циркулирующих ВКФ и сырья находится в диапазоне К100, легкую парогазовую часть НКФ после аппарата разделения, в которой содержатся и легкие фракции исходного сырья, и легкие фракции продуктов термического крекинга ВКФ и термомеханического крекинга смеси сырья и ВКФ, направляют в устройство сепарации (фильтрации, каплеотделения, ректификации), причем температура в устройстве сепарации соответствует максимальной температуре конца кипения фракций легких целевых товарных продуктов, например 350-360°C для дизельной фракции, после устройства сепарации легкие фракции реакции, преимущественно с температурой конца кипения до 350-360°C, направляют в блок получения легких товарных продуктов (сжиженного газа, бензина, керосина, дизельного топлива, продуктов нефтехимии и других легких продуктов) на месте подготовки и переработки сырья по данной полезной модели или после охлаждения и конденсации транспортируют к удаленному месту получения легких товарных продуктов, фильтрат после сепаратора для получения дополнительного количества легких целевых продуктов возвращают на повторную обработку в начало процесса вместе с циркулирующей частью ВКФ, причем устройства смешивания сырья и циркулирующих ВКФ, волновой и механической обработки смеси, диспергирования, а также сепарации парогазовой части разделения НКФ встроены в аппарат разделения смеси на жидкую (ВКФ) и парогазовую (НКФ) части, а качество продуктов разделения и их соотношение в зависимости от свойств исходного сырья регулируются температурой и давлением циркулирующей ВКФ на выходе печи (нагревателя) и сырья, температурой и давлением смеси в аппарате разделения, температурой НКФ в сепараторе, расходами сырья, циркулирующей жидкой части ВКФ и их соотношением, а также скоростями сырья, циркулирующей жидкой части ВКФ и их смеси в устройствах смешивания, обработки, диспергирования, уровень раздела парогазовой фазы НКФ и жидкой фазы ВКФ в аппарате разделения поддерживают при заданных значениях вышеперечисленных технологических параметров значением расхода ВКФ, направляемых на получение тяжелых товарных продуктов, а количество встроенных в аппарат устройств смешивания сырья и ВКФ, обработки и диспергирования смеси может быть больше одного каждого типа в зависимости от производительности перерабатывающего производства.
Недостатком устройства является его относительно высокая сложность и относительно узкие функциональные возможности, поскольку основная область его использования - переработка жидкого углеводородного сырья.
Известно устройство для термической переработки твердого топлива [RU 2325423, C2, C10B 49/00, H05H 1/26, 27.05.2008], содержащее газогенератор с узлом загрузки твердого топлива, узлами подвода кислородсодержащего газа и отвода сингез-газа, циклон с узлом вывода золы и несгоревшего топлива, установленный на линии отвода синтез-газа от газогенератора, реактор твердофазного восстановления со средствами для ввода восстановительного газа и средствами для вывода восстановленного железа и отходящего газа, установку для получения электроэнергии, причем, газогенератор в нижней части выполнен в виде усеченного конуса, малое основание которого сопряжено с каналом-накопителем, в котором с возможностью продольного перемещения установлен толкатель с механизмом привода, а рабочая полость канала-накопителя через шибер герметично связана наклонной течкой с печью для переработки золы, в которой установлены плазмотроны косвенного действия, при этом, по периметру усеченного конуса газогенератора оппозитно друг другу установлены плазмотроны, а патрубки узла подвода кислородсодержащего газа расположены под углом к продольной оси каждого плазмотрона, симметрично которым установлены патрубки подачи пара, а на внутренней поверхности усеченного конуса, выше плоскости установки плазмотронов, расположены распределительные решетки с коллекторами и патрубками, связанными с узлом смешения кислородсодержащего газа и пара, а на участке отвода синтез-газа между газогенератором и циклоном последовательно расположены обратный клапан, плазмохимический газогенератор и узел сероочистки, а циклон очистки через футерованный трубопровод с установленным обратным клапаном соединен с высокотемпературным ресивером, снабженным трубопроводом подачи синтез-газа в реактор твердофазного восстановления, трубопровод отходящего газа из которого через дополнительный циклон очистки газа введен в камеру сгорания установки для получения электроэнергии, при этом участок трубопровода после циклона имеет ответвление, которое через фильтр, теплообменник и компрессор соединено с плазмотронами печи для переработки золы и с плазмотронами, установленными в плазменной плавильной печи, причем трубопровод отходящего газа из плавильной печи связан с печью для переработки золы, трубопровод отходящего газа из которой соединен с нижней конусной частью газогенератора.
Недостатком этого устройства также является его относительно высокая сложность и относительно узкие функциональные возможности, поскольку оно не позволяет получать одновременно и химическое сырье, в частности, окись углерода.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 2099394, C1, C10J 3/86, C10J 3/ОО, F23B 1/14, 20.12.1997], содержащее реактор с псевдоожиженным слоем, топку сжигания твердого топлива котельного агрегата, первый, второй и третий теплообменники, а также циклон, при этом, вход подачи отходящих газов третьего теплообменника, снабженного входом подачи кислорода и выходом окиси углерода, соединен с выходом отходящих газов циклона, выход уловленной пыли которого соединен со входом подачи уловленной пыли топки сжигания твердого топлива котельного агрегата, вход подачи твердой фазы топлива которой соединен с выходом твердой фазы топлива реактора псевдоожиженным слоем, а выход дымовых газов - соединен со входом подачи дымовых газов реактора с псевдоожиженным слоем и входом подачи дымовых газов второго теплообменника, снабженного выходом углекислого газа и вход подачи кислорода которого соединен с выходом кислорода третьего теплообменника, а выход кислорода - соединен со входом кислорода топки сжигания твердого топлива котельного агрегата и реактора с псевдоожиженным слоем, выход газов на обогрев и газификацию которого соединен со входом газов на обогрев и газификацию третьего теплообменника, снабженного входом подачи измельченного твердого топлива, при этом, выход нагретого топлива и выход газов со стадии газификации третьего теплообменника соединены, соответственно со входом нагретого топлива реактора с псевдоожиженным слоем и входом газов со стадии газификации циклона.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно высокая неравномерность производства химического сырья при использовании разносортного твердого топлива и топлива с меняющимся содержанием влаги. В частности, равномерность выхода окиси углерода является важным параметром при использовании устройства в комплексной установке по получению и переработке химического сырья, но известное устройство не позволяет гарантированно обеспечить постоянство этой технической характеристики.
Задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, заключается в повышении равномерности выхода химического сырья при переработке твердого топлива.
Требуемый технический результат заключается в повышении равномерности выхода химического сырья при переработке твердого топлива.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее реактор с псевдоожиженным слоем, топку сжигания твердого топлива котельного агрегата, первый, второй и третий теплообменники, а также циклон, при этом, вход подачи отходящих газов третьего теплообменника, снабженного входом подачи кислорода и выходом окиси углерода, соединен с выходом отходящих газов циклона, выход уловленной пыли которого соединен со входом подачи уловленной пыли топки сжигания твердого топлива котельного агрегата, вход подачи твердой фазы топлива которой соединен с выходом твердой фазы топлива реактора с псевдоожиженным слоем, а выход дымовых газов - соединен со входом подачи дымовых газов реактора с псевдоожиженным слоем и входом подачи дымовых газов второго теплообменника, снабженного выходом углекислого газа и вход подачи кислорода которого соединен с выходом кислорода третьего теплообменника, а выход кислорода - соединен со входом кислорода топки сжигания твердого топлива котельного агрегата и реактора с псевдоожиженным слоем, выход газов на обогрев и газификацию которого соединен со входом газов на обогрев и газификацию первого теплообменника, снабженного входом подачи измельченного твердого топлива, при этом, выход нагретого топлива и выход газов со стадии газификации первого теплообменника соединены, соответственно со входом нагретого топлива реактора с псевдожиженным слоем и входом газов со стадии газификации циклона, согласно предложенной полезной модели, введены регулятор потока кислорода, установленный на входе подачи кислорода третьего теплообменника, и датчик интенсивности потока окиси углерода, установленный на выходе окиси углерода третьего теплообменника, при этом, выход датчика интенсивности потока окиси углерода соединен с управляющим входом регулятора потока кислорода.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для переработки твердого топлива.
Устройство для переработки твердого топлива содержит реактор 1 с псевдоожиженным слоем, топку 2 сжигания твердого топлива котельного агрегата, первый 3, второй 4 и третий 5 теплообменники, циклон 6, регулятор 7 потока кислорода и датчик 8 интенсивности потока окиси углерода.
В устройстве для переработки твердого топлива вход подачи отходящих газов третьего теплообменника 5, снабженного входом подачи кислорода и выходом окиси углерода, соединен с выходом отходящих газов циклона 6, выход уловленной пыли которого соединен со входом подачи уловленной пыли топки 2 сжигания твердого топлива котельного агрегата, вход подачи твердой фазы топлива которой соединен с выходом твердой фазы топлива реактора 1 с псевдоожиженным слоем, а выход дымовых газов - соединен со входом подачи дымовых газов реактора 1 с псевдоожиженным слоем и входом подачи дымовых газов второго теплообменника 4, снабженного выходом углекислого газа и вход подачи кислорода которого соединен с выходом кислорода третьего теплообменника 5, а выход кислорода - соединен со входом кислорода топки 2 сжигания твердого топлива котельного агрегата и реактора 1 с псевдоожиженным слоем, выход газов на обогрев и газификацию которого соединен со входом газов на обогрев и газификацию первого теплообменника 3, снабженного входом подачи измельченного твердого топлива, при этом, выход нагретого топлива и выход газов со стадии газификации первого теплообменника 3 соединены, соответственно со входом нагретого топлива реактора 1 с псевдоожиженным слоем и входом газов со стадии газификации циклона 6.
Кроме того, в устройстве для переработки твердого топлива регулятор 7 потока кислорода установлен на входе подачи кислорода третьего теплообменника 5, а датчик 8 интенсивности потока окиси углерода установлен на выходе окиси углерода третьего теплообменника 5, при этом, выход датчика 8 интенсивности потока окиси углерода соединен с управляющим входом регулятора 7 потока кислорода.
Работает устройство для переработки твердого топлива осуществляется следующим образом.
Измельченное твердое топливо подают в первый теплообменник 3 и пропускают через него отходящие из реактора 1 газы и затем газы со стадии газификации подают в циклон 6, в котором отделяют частицы топлива, уносимые отходящими газами. Нагретое в первом теплообменнике 3 твердое топливо направляют в реактор 1. Сюда же подают дымовые газы из топки 2 сжигания твердого топлива котельного агрегата. Дымовые газы, образующиеся в топке 2, выполняют роль ожижающего агента и являются одновременно теплоносителем для стадии газификации.
2
2
В топке 2 твердую фазу подают из реактора 1. Сюда направляют также пыль, уловленную в циклоне 6. Твердая фаза из реактора 1 и пыль из циклона 6 содержат остаток горючей массы топлива, подвергнутого газификации. Для окисления углерода этой горючей массы на стадии сжигания используют кислород, который подают в количестве, определяемом стехиометрией реакции окисления углерода горючей массы до углекислого газа: C+O=CO+q1.
1
Такой режим процесса переработки остатка горючей массы частиц твердого топлива (дожигания исходного топлива) обеспечивает полное выгорание углерода, поступающего в топку со стадии газификации. Полученное тепло q используют в котельном агрегате для производства пара.
2
2
В реакторе 1 ведут газификацию топлива. Здесь в среде углерода исходного топлива осуществляют конверсию двуокиси углерода дымовых газов, подаваемых с выхода котельного агрегата, в окись углерода CO+C+q=2CO.
Эта реакция идет с поглощением тепла. Поэтому тепла, вносимого в реактор 1 дымовыми газами, в общем случае недостаточно для поддержания в зоне реакции температуры, обеспечивающей конверсию двуокиси углерода, подаваемой в реактор.
2
2
2
3
1
2
Требуемый температурный режим в реакторе стабилизируют путем подачи кислорода на окисление части углерода исходного топлива. В условиях дефицита кислорода одновременно с реакцией CO+C+q=2CO протекает реакция 2C+O=2CO+43, которая сопровождается тепловыделением (q=q-q) и образованием окиси углерода.
Кислород, который используют в этом процессе, подогревают в третьем 5 и втором 4 теплообменниках отходящими газами.
Таким образом, газификации подвергают часть твердого топлива, которая обеспечивает конверсию двуокиси углерода. Остаток твердого топлива перерабатывают в топке 2. Количество твердого топлива, подвергнутого газификации, определяется двумя составляющими: количеством двуокиси углерода, подаваемой в реактор, и количеством тепла, необходимым для стабилизации температуры в реакторе.
Таким образом, в устройстве на выходе третьего теплообменника 5 получают окись углерода - химическое сырье для органического синтеза.
В условиях, когда используемое твердое топливо является разносортным с меняющимся содержанием влаги может возникнуть относительно высокая неравномерность производства химического сырья, что крайне нежелательно при использовании устройства, например, в комплексной установке по получению и переработке химического сырья.
Для обеспечения равномерного выхода химического сырья используется датчик 8 интенсивности потока окиси углерода, установленный на выходе окиси углерода третьего теплообменника 5. Сигнал с выхода датчика 8 подается на управляющий вход регулятора 7 потока кислорода, который может быть выполнен в виде управляемого вентиля или компрессора. При недопустимом увеличении интенсивности выхода химического сырья подачу кислорода снижают, в противном случае увеличивают. Как показали исследования в большинстве практических случаев регулировочная характеристика является близкой к линейной. Это облегчает настройку режимов работы устройства.