ГАЗИФИКАТОР ТВЕРДОГО ТОПЛИВА

Предлагаемая полезная модель относится к использованию твердых топлив, в частности низкосортных углей, торфа, промышленных и твердых бытовых отходов, в энергетике для получения газообразного моторного и печного топлива, а также в органическом синтезе.
Известно устройство термической переработки материалов растительного происхождения, включающее герметичную камеру, расположенную внутри теплоизоляционного слоя с зазором между ними, в котором движется теплоноситель для нагрева пиролизуемого материала через стенку камеры. Устройство включает также отверстие с примыкающим к нему газоходом для подачи в реторту нагретого в теплообменнике выше 150°C природного газа и участок разделения природного газа от пирогазов, выделяющихся при пиролизе (RU, патент 2105034, МПК 6 С10В 53/02).
Недостатком этого устройства является наличие участка разделения природного газа от пирогазов.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство конверсии гранулированных органических веществ в газообразное топливо, включающее вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, устройство содержит три не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а охлаждающей средой является вода, во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а нагреваемой средой являются газы рецикла, в третьем теплообменнике греющей средой являются газы, выходящие из второго теплообменника, а также емкость для золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой расположен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха (RU 115353, МПК С10В 53/00; F23G 5/00, прототип).
Недостатками прототипа являются:
1. Необходимость изготовления днища реторты из жаропрочных материалов.
2. Низкая интенсивность теплообмена в теплообменнике охлаждения золы. В результате для обеспечения работоспособности шлюзового устройства с разгружателем, через которое происходит выгрузка зольного остатка газификации, необходимо предпринимать дополнительные меры, например, водяное охлаждение с применением жаропрочных материалов, что усложняет и удорожает систему.
Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу устранения из конструкции реторты днища с отверстиями, а также интенсификации охлаждения зольного остатка, что обеспечивает функционирование системы выгрузки без применения дорогостоящих материалов и специального охлаждения.
Поставленная техническая задача решается тем, что газификатор твердого топлива, включающий вертикальную реторту, в нижней части которой выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, содержит три не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а охлаждающей средой является вода, во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а нагреваемой средой являются газы рецикла, в третьем теплообменнике греющей средой являются пиролизные газы, выходящие из второго теплообменника, а нагреваемой средой является вода, газификатор содержит также емкость для золы с газоплотным шлюзовым затвором, отличающийся тем, что в состав газификатора входит устройство ввода в реторту пара, полученного в третьем теплообменнике и расположенное в емкости для золы в непосредственной близости над газоплотным шлюзовым затвором ниже отверстий для вывода из реторты пиролизных газов.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1. В качестве примера твердого топлива, не ограничивающего сущность полезной модели, принята древесная щепа с исходной влажностью 40%. Расходные и температурные показатели газо-материальных потоков указаны на схеме из расчета материальных и тепловых балансов. Для других исходных веществ, отличающихся от древесной щепы содержанием элементов в горючей массе, эти показатели будут несколько другими.
Устройство содержит расходный бункер 1, сушилку 2 с газоплотным шлюзовым затвором 3, карбонизатор 4, вертикальную реторту 5 с отверстиями 6 и 7 ввода перегретого пара и вывода пиролизных газов соответственно, емкость золы 8 с устройством ввода пара 9 и газоплотным шлюзовым затвором 10, теплообменник 11 нагрева газов рецикла, теплообменник 12, теплообменник 13. Для целей обеспечения электроэнергией внутренних и внешних потребителей может устанавливаться газопоршневая машина ГПМ (на фиг.1 не пронумерована). Газогенератор снабжен запорно-регулирующей арматурой, пылеулавливающим и тяго-дутьевым оборудованием.
2
2
2
Газогенератор работает следующим образом. Из сушилки 2 подсушенный гранулированный материал, например, древесная щепа с влажностью 8-12% подается через газоплотный шлюзовой затвор 3 в карбонизатор 4. В карбонизаторе твердый материал нагревается до 400-450°C за счет теплоты газов рецикла, нагреваемых в теплообменнике 11. Твердый карбонизат поступает в реторту 5 вместе с газопаровой фазой. Реторта 5 обогревается продуктами сгорания части получаемых пиролизных газов в топке (на фиг 1 не пронумерована). По мере движения по реторте сверху вниз материал последовательно проходит стадию экзотермических реакций образования и конденсации полиядерных ароматических соединений с образованием структуры полукокса и кокса в диапазоне 500-750°C, затем конечную стадию эндотермических реакций диссоциации высокомолекулярных конденсирующихся углеводородов и реакций углерода кокса с диоксидом углерода и водяными парами при температуре 950÷1000°C. Образующиеся при пиролизе пары конденсирующихся смолистых соединения, фильтруясь через высокотемпературный слой, разлагаются с образованием в конечном итоге смеси неконденсирующихся газов, состоящей в основном из водорода и монооксида углерода. В этой зоне происходит «выгорание» углерода кокса в основном по эндотермическим реакциям С+НО→СО+Н и С+CO→2СО. Для обеспечение наибольшей полноты реакции газификации углерода в реторту через отверстие 6 вводится перегретый водяной пар, генерируемый в теплообменнике 12. Греющей средой в теплообменниках 11, 12 и 13 являются получаемые в результате газификации пиролизные газы, которые выводятся из реторты через отверстие 7.
Максимальная температура материала и выходящих из реторты газов ограничивается температурой размягчения золы. Чем выше температура термохимической обработки твердого топлива, тем выше степень конверсии энергии, аккумулированной в исходном топливе, в теплоту сгорания получаемых газов. В случае древесных отходов эта температура составляет не менее 950°C. Охлажденные в теплообменнике 13 газы нагнетаются газодувкой 14 в линии подачи газов в теплообменник 11, в топку системы обогрева реторты и потребителям, в т.ч., например, в газопоршневую машину. На этих линиях устанавливается регулирующая арматура и тяго-дутьевое оборудование. Для обеспечения работоспособности газоплотного затвора с разгружателем 10, внутри емкости 8, в которую ссыпается зольный остаток с высокой начальной температурой 950…1000°C, установлено устройство 9 ввода пара с температурой 110…120°C и избыточным давлением. Мелкодисперсный зольный остаток газификации твердого топлива имеет чрезвычайно высокую удельную поверхность, поэтому интенсивно охлаждается паром, обеспечивая температуру зольного остатка на входе в разгружатель, близкую к температуре поступающего пара. Этим обеспечивается работоспособность шлюзового затвора с разгружателем, изготовленным с использованием черного металла. Применение устройства ввода пара способствует увеличению степени преобразования энергии исходной биомассы, т.к. увеличивается степень «выгорания» углеродистого зольного остатка при реакции углерода с паром. Для обеспечения работоспособности газодувки 14 устанавливается пылеуловитель 15.
Некоторые расчетные параметры пилотной установки конверсии древесной щепы с исходной влажностью 40% приведены ниже.
ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИ
Расход исходной древесной щепы с влажностью 40%
30 кг/ч
Расход газов в топку системы обогрева
17,55 нм<sup>3</sup>/ч
Расход газов на газопоршневую машину
18,81 нм<sup>3</sup>/ч
КПД конверсии теплоты сгорания щепы в теплоту
сгорания газов у потребителя
0,7
Выходная электрическая мощность при коэффициенте
преобразования тепловой энергии в электрическую 0,3
16,8 кВт