РЕАКТОР ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ГОРЮЧИХ УГЛЕРОД- И/ИЛИ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ

Полезная модель относится к области промышленной переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов и может быть использована, в частности, для переработки разнообразных техногенных и бытовых отходов, в том числе отходов твердых топлив типа древесных опилок, угольной крошки, мелочи и пыли, отходов пивоваренной промышленности типа пивной дробины, а также для переработки низкокачественных горючих полезных ископаемых, таких, например, как бурые угли, горючие сланцы и им подобных.
Существуют специализированные устройства для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов.
В частности, известно устройство, содержащее пиролизный шахтный или вращающийся реактор, псевдоожиженный слой сгорания для пиролизного остатка, реакционную зону для пиролизных газов, причем предусмотрена циркуляция материала псевдоожиженного слоя между псевдоожиженным слоем сгорания и пиролизным реактором, при этом реактор, имеющий газонепроницаемое устройство подачи применяемого материала и входное отверстие для подачи материала псевдоожиженного слоя из псевдоожиженного слоя сгорания, расположен вблизи к псевдоожиженному слою сгорания, при этом пиролизный реактор содержит на его нижнем конце винтовой элемент для переноса псевдоожиженного слоя сгорания, который содержит перелив для передачи материала псевдоожиженного слоя в указанный реактор, причем топочные газы псевдоожиженного слоя сгорания могут подаваться в реакционную зону передачи тепла, который соединен с реактором для пиролизных газов [Описание изобретения к патенту РФ №2272064 от 27.06.2000, МПК C10G 9/32, C10J 3/54, C10J 3/56, C10B 49/16, C10B 49/10, C10B 49/22, C10K 3/00, опубл. 20.03.2006].
Настоящее устройство разработано так, чтобы исключить зонный принцип переработки отходов в одном аппарате из-за размытости (неопределенности) границ зон. Поэтому для получения газа с высокой теплотворной способностью и при высоких температурах (500-900°C) вместо одного аппарата (реактора) предлагается несколько:
- реактор пиролиза в псевдоожиженном слое;
- реактор сгорания углеродистого остатка в псевдоожиженном слое;
- реактор-теплообменник с катализатором.
Аппараты по газовой фазе обвязаны встречными потоками. Это может вызвать трудности при их эксплуатации, т.к. необходимо соблюдать равенство материальных потоков и скорости псевдоожижения в каждом аппарате. Приборы КИПиА, работающие в указанных условиях должны специально разрабатываться для этого процесса.
Присутствие азота, имеющегося в составе подаваемого воздуха и, соответственно, в составе получаемого газа ведет к снижению его теплотворной способности и к снижению скорости каталитических процессов в реакционной зоне (реактор-теплообменник). Смолистые продукты, поступающие в реактор-теплообменник с катализатором, могут его дезактивировать, что будет приводить к снижению теплотворной способности получаемого газа и замене катализатора.
Также известен реактор для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включающий герметичную рабочую камеру с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи воздуха и водяного пара через соответствующие каналы, нагрева воздуха и водяного пара, горения, коксования и пиролиза, нагрева продуктов переработки, отбора парогазовой смеси с, по меньшей мере, одним каналом отбора, и зоной загрузки продуктов переработки со шлюзом, причем каждая зона снабжена, по меньшей мере, одним температурным датчиком, а зоны нагрева воздуха и водяного пара, и отбора парогазовой смеси снабжены датчиками давления, при этом рабочая камера содержит оснащенную дополнительными температурными датчиками зону синтеза и гидрирования углеводородов, расположенную непосредственно за зоной коксования и пиролиза [Описание изобретения к патенту РФ №2385343 от 10.12.2008, МПК C10B 49/02, F23G 5/027].
Недостатком настоящего реактора является все-таки высокая энергетическая емкость реализуемого им процесса из-за высокой стоимости вводимого водорода, необходимость использования для поддержания процесса горения большого количества перерабатываемого материала, что в случае с отходами типа древесины резко снижает рентабельность их переработки, недостаточно широкие технологические возможности в части управления химическим составом и увеличением выхода готовых к дальнейшему использованию продуктов, а также нереализованные возможности по улучшению их качества.
Задача, решаемая настоящей полезной моделью и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного реактора с расширенными технологическими возможностями, реализующими процесс переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включая их мелкие фракции, с их более полной утилизацией, увеличение калорийности парогазовой смеси, дополнительный подвод тепла в зону горения и упрощение процесса подвода воды в реакционную зону, минуя стадию подготовки перегретого пара в соответствующем устройстве. В результате энергетическая емкость реализуемого процесса поддерживается за счет более дешевых, ранее практически неперерабатываемых отходов, появляется возможность управления химическим составом и увеличением выхода готовых к дальнейшему использованию продуктов, а также достигается их максимально возможное качество.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в реакторе для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включающем герметичную рабочую камеру с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи кислородсодержащего агента и воды, нагрева кислородсодержащего агента и воды, горения, коксования и пиролиза, нагрева продуктов переработки, отбора парогазовой смеси с, по меньшей мере, одним каналом отбора, и зоной загрузки продуктов переработки со шлюзом, рабочая камера содержит зону подвода влажных мелких частиц отходов твердых топлив и их пиролиза и коксования, совмещенную с зонами подвода и нагрева кислородсодержащего агента, при этом канал его подвода соединен с устройством формирования потока воздуха, а также с бункером-дозатором влажных мелких частиц отходов твердых топлив.
Кроме этого:
- бункер-дозатор влажных мелких частиц отходов твердых топлив оборудован шнеком и дополнительно оснащен дозатором воды, связанным с форсунками, установленными в верхней части бункера-дозатора, а также включает уровнемер и датчик влажности;
- зона выгрузки твердых остатков переработки выполнена в виде шлюза с двумя затворами.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором схематично представлен реактор для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов.
Реактор для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов (футеровка и приборы КИП условно не показаны) включает герметичную рабочую камеру (корпус) 1 с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки - 2 с выгрузным окном 3, подачи (подвода) кислородсодержащего агента (и воды) - 4, нагрева кислородсодержащего агента (и воды) - 5, горения - 6, коксования - 7 и пиролиза - 8, нагрева продуктов переработки - 9, отбора парогазовой смеси - 10 с, по меньшей мере, одним каналом отбора - 11, и зоной загрузки продуктов переработки - 12 со шлюзом 13, при этом рабочая камера 1 содержит зону подвода влажных мелких частиц отходов твердых топлив и их пиролиза и коксования - 14, совмещенную с зонами подвода (подачи) кислородсодержащего агента (и воды) - 4 и нагрева - 5, при этом канал 15 его подвода соединен с устройством формирования потока воздуха 16 в качестве которого может использоваться вентилятор, воздуходувка и пр., а также с бункером-дозатором 17 влажных мелких частиц отходов твердых топлив с возможностью формирования из них в соответствующей зоне 14 внутри реактора 1 псевдоожиженного потока. Дополнительно, бункер-дозатор 17 оборудован шнеком 18 и оснащен дозатором воды 19, связанным с форсунками 20, установленными в верхней части бункера-дозатора 17, а также включает уровнемер 21 и датчик влажности 22, а зона выгрузки твердых остатков переработки - 2 выполнена в виде шлюза 23 с двумя затворами 24.
Для работы настоящего реактора вначале готовят шихту из продуктов переработки и, далее, осуществляют их последовательную послойную переработку в рабочей камере 1 в присутствии катализатора, входящего в состав насадки, при движении шихты и насадки сверху вниз и при подаче в реактор снизу вверх кислородсодержащего агента и водяного пара. Переработка включает стадии разогрева шихты, пиролиза горючих составляющих, коксования, горения, образования твердого остатка, который выгружают из рабочего пространства реактора, образовании парогазовой смеси, охлаждение парогазовой смеси и ее выведение из рабочего пространства реактора (рабочей камеры 1), при этом внутри рабочего пространства реактора формируют разрежение, а при подаче кислородсодержащего агента в реактор снизу вверх в его поток вводят влажные мелкие частицы отходов твердых топлив (в качестве которых используют древесные опилки или крахмал, или угольную мелочь (в т.ч. крошку, пыль), или им подобные материалы) с их переводом в псевдоожиженное состояние, при этом в реактор вводят дополнительное количество кислородсодержащего агента в составе основного потока, необходимое для последующего горения мелких частиц отходов твердых топлив, прошедших стадии пиролиза и коксования, и перевода их влаги (а при необходимости и дополнительной воды - в случае недостаточной влажности мелких частиц отходов твердых топлив) в перегретый пар, а выгрузку твердого остатка, из рабочего пространства реактора осуществляют циклически с сохранением герметичности рабочего пространства реактора. Для улучшения показателей работы реактора требуется долговечный катализатор, входящий в состав насадки. Этим требованиям удовлетворяет никель, входящий в состав колец из жаропрочной стали.
Дополнительно проанализируем существенные признаки полезной модели.
При подаче кислородсодержащего агента в реактор снизу вверх в его поток вводят влажные мелкие частицы отходов твердых топлив с их переводом в псевдоожиженное состояние, при этом в реактор вводят дополнительное количество кислородсодержащего агента в составе основного потока, необходимое для последующего горения мелких частиц отходов твердых топлив, прошедших стадии пиролиза и коксования, и перевода их влаги в перегретый пар. Таким образом, нижняя часть 25 реактора становится самостоятельным (вторым) реактором с нижней подачей продуктов переработки и общей зоной горения 6 - в едином корпусе 1. Это требует дополнительной герметизации рабочего пространства реактора, поэтому выгрузку твердого остатка из него осуществляют циклически. Этого вполне достаточно, чтобы с минимальными затратами обеспечить экологическую безопасность процесса.
Так называемый «второй реактор» работает на самом дешевом, практически не перерабатываемом в промышленных объемах сырье - отходах твердых топлив, в качестве которых используют древесные опилки или крахмал, или угольную мелочь (в т.ч. крошку, пыль), или им подобные материалы, например, пивную дробину. При этом следует учесть, что переработка таких отходов по новой технологии становится рентабельной.
Рабочая камера 1 реактора содержит зону подвода влажных мелких частиц отходов твердых топлив и их пиролиза и коксования 14, совмещенную с зоной подвода кислородсодержащего агента (и воды) - 4 и нагрева кислородсодержащего агента и воды - 5. С технической точки зрения такое решение рабочей камеры 1 считается конструктивно неверным, поскольку «засоряет» кислородсодержащий агент. А соединение его канала 15 с бункером-дозатором 17 влажных мелких частиц отходов твердых топлив усугубляет это положение. Налицо - техническое противоречие. Однако формирование из влажных мелких частиц отходов твердых топлив в соответствующей зоне 14 внутри реактора псевдоожиженного потока позволяет говорить о том, что «традиционный» реактор с верхней загрузкой шихты из продуктов переработки стал включать подачу дополнительных продуктов переработки, но с их нижней загрузкой. Это позволило (см. выше) получить ряд технологических преимуществ, характерных для двух самостоятельных устройств, конструктивно простыми методами - за счет параметрического резерва реактора, Для получения оптимальных параметров работы реактора бункер-дозатор 17 влажных мелких частиц отходов твердых топлив оснащен шнеком 18, при этом бункер-дозатор 17 содержит уровнемер 21 и датчик влажности 22, связанный с оснащенными форсунками 20 дозатором воды 19. В остальном реактор остался прежним, за исключением того, что зона выгрузки твердых остатков переработки 2 дополнена шлюзом 23 с двумя затворами 24. Это позволило обеспечить необходимую герметичность рабочей камеры (корпуса) 1.
Суть полезной модели заключается в проведении «двойной газификации» в одном аппарате, когда сверху подается углеводород и/или углерод-содержащее сырье в виде брикетов или пеллет, или в кусках или как щепа, а именно торф, уголь, древесина, мусор (возможно, в качестве орошения - жидкие углеводороды), а снизу вместе с воздухом или обогащенным кислородом воздухом в псевдоожиженном виде подаются влажные опилки или угольная крошка. Каждый вид сырья и сверху и снизу проходят зоны нагрева 9 и 5, пиролиза и коксования 8, 7 и 14. Зона горения 6 (окисления) общая для верхнего и нижнего потоков сырья. Влажные опилки и/или угольная крошка (мелочь), пивная дробина или им подобные материалы одновременно являются носителями и углерода и водяного пара.
2
2
2
При нагреве и испарении отделяется вода, при пиролизе выделяются уксусная кислота, пиролизная вода, смолы, основной составляющей смол являются фенолы. Фенолы и уксусная кислота окисляются кислородом воздуха до СО и НО. Вода и диоксид углерода в зоне горения участвуют в реакциях с углеродом СО+С=2СО.
2
2
Водяной пар при температурах выше 850°C взаимодействует с углеродом по реакции С+НО=СО+Н.
Протекание этих реакций до конца обеспечивается наличием нагретой до 1000°C поверхности колец по форме напоминающих кольца Рашига из жаропрочной нержавеющей стали, содержащей до 23-30% никеля, являющегося катализатором для этих процессов. Такая насадка, имеющая большой свободный объем и развитую поверхность позволяет:
- интенсифицировать все вышеупомянутые процессы нагрева, испарения, пиролиза, коксования и горения (окисления);
- перерабатывать сырье с повышенной зольностью при сухом шлако-удалении.
2
2
2
2
2
Поскольку горючая часть отходов (опилок или других) в псевдоожиженном слое воздуха в реакторе окисляется до СО и НО, это способствует выделению тепла для поддержания температурного режима в реакторе и проведения эндотермических реакций СО+С=2СО - 41 ккал/моль и С+НО - 31 ккал/моль, в том числе с некоторой частью углерода, получаемого из подаваемого сверху сырья. Полученные СО и Н увеличивают калорийность выходящего из реактора газа, который, в частности, может использоваться в котельных аппаратах для получения горячей воды или водяного пара. Таким образом, обеспечивается полнота переработки отходов без дополнительных энергетических затрат.
Безусловно, выходящий из реактора газ при переработке автопокрышек, гудронов, битумов, нефтяных пеков, богхедов, сланцев и др. может быть использован для синтеза различных топлив, получения сырья для специальных химических производств, что является параметрическим резервом разработанной технологии.
Пример.
3
Для конкретной реализации полезной модели использовали реактор непрерывного действия с рабочим диаметром 1500 мм, высотой цилиндрической части 10000 мм, рабочим объемом 18 м. В качестве горючих продуктов для переработки использовали древесные брикеты с влажностью 15% вес. и древесные опилки с влажностью 50% вес.
Подготовленную шихту из брикетов, включающую насадку в виде колец из жаропрочной стали, через герметичные шлюзовые затворы 26 загружали в верхнюю часть рабочей камеры 1 реактора, где поддерживалось небольшое, но стабильное разряжение.
Одновременно, в реактор снизу вверх по специальному каналу 15 подавали кислородсодержащий агент и влажные древесные опилки, которые брали из бункера-дозатора 17 с их переводом в псевдоожиженное состояние потоком воздуха сформированным специальным устройством 16 (вентилятор или воздуходувка - как упоминалось выше), а также дополнительное количество кислородсодержащего агента в составе основного потока, необходимое для последующего горения опилок, прошедших стадии пиролиза и коксования, и перевода их влаги в перегретый пар.
По мере движения шихты (основного потока перерабатываемых продуктов) сверху вниз происходил ее разогрев, пиролиз горючих составляющих, коксование, горение и образование твердого остатка, который выгружался из рабочего пространства реактора циклически с сохранением его герметичности. Твердый остаток на ситах освобождался от жаропрочных колец, которые повторно направлялись на приготовление шихты - для смешивания с древесными брикетами.
При переработке древесных опилок, происходящей при их движении снизу вверх происходили химические процессы, сопровождающиеся выделением дополнительного тепла, что в итоге оптимизировало тепловые и химические процессы, происходящие при послойной переработке основного потока шихты.
В итоге получалась парогазовая смесь с температурой от 150°C до 220°C, которую выводили из рабочего пространства реактора для дальнейшей утилизации.
Ниже приведен сравнительный анализ переработки древесных брикетов с влажностью 15% вес. в присутствии насадки из жаропрочной стали в двух вариантах.
1-й вариант. Перерабатываются 2000 кг/час древесных брикетов без подачи опилок снизу с воздухом. В таблице 1 приведен состав газа на выходе из реактора.
Таблица 1
Наименование компонента
Количество, кг/час
Проценты, вес.
Пары воды
725
15,5
Диоксид углерода
272
5,8
Оксид углерода
1208
25,8
Смесь фенолов
212
4,5
Уксусная кислота, метанол
85
1,8
Метан
70
1,5
Водород
16
0,3
Азот
2098
44,8
Итого
4685
100
Калорийность газа 1322 ккал/кг
2-й вариант. Перерабатываются 2000 кг/час древесных брикетов с подачей вместе с воздухом 200 кг/час опилок с влажностью 50% вес. при создании псевдоожиженного слоя внутри реактора. В таблице 2 приведен состав газа на выходе из реактора.
Таблица 2
Наименование компонента
Количество, кг/час
Проценты, вес.
Пары воды
725
15,1
Диоксид углерода
272
5,6
Оксид углерода
1383
28,7
Смесь фенолов
212
4,4
Уксусная кислота, метанол
85
1,8
Метан
70
1,5
Водород
33
0,7
Азот
2033
42,2
Итого
4813
100
Калорийность газа 1479 ккал/кг
Таким образом, при переработке древесных брикетов с «нижней» подачей влажных опилок на выходе из реактора через канал отбора 11 был получен более калорийный газ (примерно на 11,9%).
С таким же успехом в качестве продуктов переработки для верхней загрузки реактора можно использовать брикетированные бытовые и промышленные отходы, автопокрышки, некоксуемые угли, торф, сланцы, бурые угли и пр. Для нижней загрузки реактора - также можно использовать угольную крошку (мелочь), пивную дробину, крахмал и им подобные материалы, т.е. продукты ранее не перерабатываемые в промышленных масштабах. В результате процентное соотношение наиболее важных компонентов будет незначительно меняться, при сохранении выраженной тенденции увеличения калорийности газа.
При реализации полезной модели был создан очередной реактор с расширенными технологическими возможностями, реализующий процесс переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включая их мелкие фракции, с их более полной утилизацией, увеличением калорийности парогазовой смеси, дополнительным подводом тепла в зону горения и упрощением процесса подвода воды в реакционную зону, минуя стадию подготовки перегретого пара в соответствующем устройстве. В результате энергетическая емкость реализуемого реактором процесса стала поддерживаться за счет более дешевых, ранее практически неперерабатываемых отходов, появилась возможность управления химическим составом и увеличением выхода готовых к дальнейшему использованию продуктов и было достигнуто их максимально возможное качество.