Газификатор
GASIFIER

Настоящее изобретение относится к системе коммунального хозяйства, энергетической и химической промышленности и может быть применено для уничтожения твердых бытовых и промышленных отходов, содержащих углеводородную составляющую для получения синтетического углеводородного газа, водорода и азота, которые, в свою очередь, могут быть использованы для выработки электроэнергии.
Из уровня техники известны разработки ООО «Нэт», г. Рязань [http://нэт62.рф/photo_gallery/nashi-raboty], в которых применяется очень сложная технология отбора синтез-газа, сопровождаемая высокой температурой разложения ТБО.
Также из уровня техники известен газификатор ТБО [патент РФ RU2545199, заявка №20141027113/03, 29.01.2014. Газификатор твердых бытовых отходов и твердого топлива. МПК F23G 5/027, опубл. 27.03.2013 в Бюл. №9] с подачей газифицирующего агента через кольцевые зазоры между вращающимися секциями. Недостатком данного технического решения является необходимость вращения секции газификатора для улучшения теплообмена и газопроницаемости между частицами топлива, что усложняет конструкцию и не исключает испарения легкоплавких металлов.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является изобретение [патент РФ RU2655319 С1, заявка №2017118661, 29.05.2017. Газификатор твердого топлива. МПК C10J 3/20, F23G 5/027, опубл. 25.05.2018 в Бюл. №15] с применением газовой горелки и пластинчатого питателя для постоянного перемешивания топлива и подачи его в зону горения в кипящем слое. Недостаткам данного технического решения является отсутствие большой производительности в связи с низкой температурой в зоне сухого разложения и ненадежности элементов конструкции, в частности, пластинчатого питателя, при подаче в зону сухого разложения высокой температуры.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении производительности газификатора за счет использования быстрого сухого разложения топлива.
Заявленный технический результат достигается тем, что газификатор включает в свой состав измельчитель, дозатор, бункер, вертикально установленную термическую печь с газовыми горелками с направленными факелами, шлюзовым питателем и рассекателем топлива, газификатор с топливником и конусной решеткой для кипящего слоя факела, вентилятор с дроссельной заслонкой для подачи воздуха на решетку, кольцевую щель, камеру разделения газа и золы с герметичным зольником и шнековым конвейером, теплообменник для снижения температуры и конденсации паров легкокипящих металлов, промежуточную газовую камеру для улавливания и сбора проскочивших металлов и для подачи газов через плотную дроссельную заслонку на реактор катализа, воздушный конденсатор, центробежный вентилятор, компрессор, виброкипящую сушилку топлива, отличающийся наличием центрифуги, из которой остатки золы и других химических элементов поступают в плазмотрон для сжигания при высоких температурах. Кроме того, в конструкцию газификатора введены циклонная камера, мельбранные разделители, обеспечивающие отделение водорода и азота из смеси синтез-газов, и реактор катализа.
Раскрытие изобретения.
Заявленный результат обеспечивается за счет циклонной вихревой камеры 9, работающей на газовых горелках 8 с высокой температурой, при которой происходит ускоренное разложение измельченного подсушенного топлива, в том числе высокоуглеродистых веществ, содержащих хлор и бром в присутствии паров воды.
В результате разложения в циклонной вихревой камере получаются синтез газы, дымовые газы и технический углерод, составляющий 15÷20% от массы топлива (ТБО, дровяные отходы, торф, бурый уголь).
2
При недостатке воздуха на газовые горелки и поддержание необходимой температуры будет проходить конверсия метана на СО и водорода Н при наличии паров воды.
4
2
2
Метан СН и вода НО при температуре преобразуется в оксид углерода СО и водород 3×Н, что значительно увеличит выход синтез-газа.
3
3
2
2
3
2
2
Для ТБО и фрезерного торфа предусмотрен дозатор 3 карбоната кальция СаСО. В ТБО, в бумаге содержится много хлора, в резине – серы. Хлор в парах воды образует соляную кислоту HCl, которая реагируя с СаСО перейдет в СаСl и угольную кислоту HCO – легко при температуре разложится на воду НО и углекислоту CO.
Газы, зола, смеси солей, оснований и окислов, проходя кольцевую щель 18 с высокой скоростью 32 ÷35 м/с попадают в камеру разделения газа и золы 21, резко снижают скорость за счет чего зола выпадает в зольник 19, а газы и легко кипящие металлы с температурой 374÷1000 ºС, проходя в трубах теплообменника 11 сконденсируются и выпадут в жидком и твердом состоянии в зольник 19. Проскочившие металлы сконденсируются в промежуточной газовой камере 10, которая устанавливается с небольшим уклоном, соберутся в сборнике (не указан на чертеже).
Для каждого вида топлива устанавливается определенная температура в циклонной камере 9. Для ТБО температура должна быть 1200 ÷1300 ºС, при которой пройдет быстрое разложение высокомолекулярных химических элементов, содержащих хлор и бром, и других канцерогенных элементов.
Газификатор в связи с небольшим количеством технического углерода рассчитывается на горение углерода, а не по количеству перерабатываемого топлива в связи с чем габариты газификатора 12, рассекателя топлива 6, топливника 15, конусной решетки для кипящего слоя факела 14, вентилятора 27 резко уменьшаются.
Газификатор работает следующим образом.
Переработка ТБО
На площадке сортировки перед измельчителем 1 из состава отходов убирают:
- металл;
- стеклотара;
- кирпич, бетон;
- хлопчатобумажная ветошь;
- видео и радиоаппаратура;
- крупные предметы из древесины.
3
После измельчителя 1 сырье поступает на виброкипящую сушилку топлива 2 и бункер 4. Дозатором 3 подается CaCO – равномерно по всей площади сырья. Разжигаются горелки 8 циклонной камеры 9, температура медленно доводится до 1250ºС по автоматическому датчику температуры. Включается шлюзовый питатель 5 и подает топливо. Первичный воздух вентилятором 22 через дроссельную заслонку 7 подается в топливник 15 из расчета не на количество перерабатываемого сырья, а на количество полученного технического углерода через решетку кипящего слоя 14 и завихрители 13 для создания температуры в зоне горения порядка 900ºС. Как только газификатор наполнится техническим углеродом свыше горения факела по датчику уровня, открывается дроссельная заслонка 7 и включается вентилятор 22, разжигается факел кипящего слоя, при этом должен быть открыт сбросный вентиль.
2
2
2
Когда газоанализатор покажет наличие в газификаторе оксида углерода СО и углекислого газа СО, водорода Н и азота N, открывается дроссельная заслонка 7 на выходе газов из газификатора, включается компрессор 24, открывается запорная арматура. Включаются вентиляторы на воздушном конденсаторе 26. Разделенные газы направляются в газгольдеры и используются по назначению.
Зола со всеми включениями шнековым конвейером 16 поступает в центрифугу 17, где отделяются стекло и металлы, остальное направляется в плазмотрон 20, где происходит полное сжигание.
Для остальных видов топлива в работе газификатора не задействованы, изображенные на чертеже: для фрезерного торфа – центрифуга 17 и плазмотрон 20; для древесного сырья – центрифуга 17, плазмотрон 20 и дозатор 3.
Температуру в циклонной камере 9 для фрезерного торфа и древесных отходов поддерживают 700 ÷ 900ºС.
4
2
4
n
m
2
2
2
Газы, состоящие из метана СН; этилена СН и СН, водорода Н, азота Nи паров воды НО при температуре 270 ÷275ºС за счет экзотермических реакций из реактора катализа 25 поступают на I ступень воздушного конденсатора 26, где нагревают воздух, подаваемый центробежным вентилятором 27 под решетку виброкипящей сушилки топлива до температуры 150 ÷170ºС.
На II и III ступени воздушного конденсатора 26 пары воды переходят в жидкую фазу – конденсат.
Освободившись от воды, газы компрессором 24 направляются на мельбранные разделители 23, где на первом разделителе отделяется водород, на втором – азот. На выходе остаются: метан 87÷92%; этилен – 5%, проскочивший оксид углерода – менее 1% и углекислый газ – до 1,5%.
Для выравнивания теплотворной способности до природного газа необходимо добавить 3 ÷ 4% азота. Полученные газы под давлением поступают в газгольдеры и используются по назначению.
Внутри газификатор облицован шамотным кирпичом 28.
Результатами, на получение которых направлено предлагаемое техническое решение, являются:
1) увеличение производительности за счет использования циклонной камеры с газовыми горелками в зоне сухого разложения топлива;
2) исключение попадания легкокипящих металлов в газы перед метанированием за счет конденсации в трубах теплообменника и выпадания в виде жидкого и твердого состояния в разделительную камеру и зольник;
3) получение в конечном результате не синтез-газа, а синтетического углеводородного газа с высокой теплотворной способностью, а также водорода и азота, которые могут быть использованы в промышленных производствах.
Таким образом, преимущества, обеспечивающие предлагаемой конструкцией газификатора и схемы получение газов, заключаются в следующем:
1. Обеспечивается высокая производительность газификатора за счет быстрого сухого разложения;
2. Резко уменьшаются габариты самого газификатора и количество первичного воздуха;
3. Расширяется возможность использования газификатора в большой энергетике, перейдя от сжигания угля и торфа на газ, используя газовые турбины, повысив КПД станции.
4. Использование отходов древесины, торфа как сырья для химической промышленности для производства: аммиака, азотной кислоты, растворителей, пластмасс, фреонов, парафинов и многое другое на месте добычи, обеспечивая производство своими энергоресурсами.
5. При переработке отходов – отсутствие вредных выбросов;
6. Отпадает необходимость раздельного сбора отходов населением, отсутствие полигонов, полное уничтожение мусора, в том числе пищевых отходов.