Устройство газификации твердого топлива и отходов
Полезная модель относится к устройствам газификации твердых горючих масс, включая отходы, как бытовые, так и токсичные, работающим по прямоточной схеме движения сырья и окислительных сред в реакторе, что позволяет иметь высокую температуру на выходе с целью разложения смол и токсичных материалов. Чтобы обеспечить высокую эффективность газификации используется установленный с наклоном цилиндрический реактор с объемной засыпкой, перемещающейся по реактору при его вращении, что обеспечивает ее повышенную газопроницаемость, а для исключения перетечек газов при образовании полостей под верхней образующей реактора в обход фильтрации в слое, реактор выполнен с пережимами сечения кольцевой или винтовой конфигурации, причем при кольцевой конфигурация выход необходимо располагать ниже входа в реактор, а при винтовой он может быть и выше уровня входа при соответствующем выборе направления вращения. Высокая температура на входе и по длине реактора обеспечивается за счет регенеративной подачи части продукт - газа с выхода на вход реактора с помощью парового эжектора. Применяются также традиционные средства регенерации энергии - подогрев используемых окислителя и пара высокого давления за счет тепла газов, покидающих газификатор.
Полезная модель относится к области энергетики и может быть использована с целью увеличения эффективности газификации твердого топлива. Наряду с этим она может быть применена в качестве средства термической переработки отходов, вместо сжигания, что обеспечивает повышение степени защиты окружающей среды при утилизации энергии горючих компонентов отходов.
Известны многочисленные варианты устройств газификации с реактором плотного слоя, работающие по противоточной схеме. В частности, традиционные газификаторы фирмы Лурги с вертикальным реактором, в котором газифицируемый агент - кусковой уголь загружается через верх слоями, опирающимися снизу на колосниковую решетку, с вводом снизу в реактор окислителя и пара, организованным горением в нижней части реактора и газификацией вышележащих слоев угля за счет тепла продуктов горения, с выводом производимого горючего газа в верхней части реактора. Через колосниковую решетку удаляется «сухой» шлак. Противоточная схема реактора газификации термодинамически весьма совершенна, поскольку в ней без специальных устройств осуществляется глубокая регенерацию тепла. Однако для разложения смол и повышения качества газа в газификаторах Лурги предусмотрено ограничение минимальной температуры за газификатором на уровне 600-800°С. Для повышения эффективности устройств газификации дополнительно используются такие меры по регенерации тепла горячих газообразных продуктов, покидающих газификатор, как подогрев воздуха и производство пара в качестве газифицирующих сред.
Нетрадиционный способ регенерации тепла применен в устройстве газификации горнового типа разработки ВТИ - Патент на полезную модель РФ 47886 «Система газификации горнового типа». В этом устройстве, в отличие от классического варианта Лурги, процесс осуществляется при температуре горения в нижней части реактора, превышающей температуру плавления шлака, который удаляется из реактора в жидком виде через летку в охлаждающую ванну с водой с целью его грануляции. Поэтому вводы окислителя и пара в реактор осуществляются через боковые фурмы, расположенные в два яруса - нижний для окислителя, верхний - для ввода пара. Также в верхнем ярусе размещен дополнительный ввод небольшой части окислителя, что позволяет поднять температуру в этой части реактора с целью интенсификации процесса газификации. А для интенсификации сушки и частичного пиролиза сырья в области входной течки, представляющей собой устройство ввода сырья, размещен ввод с выхода парового эжектора небольшой части производимого в реакторе горячего синтез-газа. Устройство газификации с несколько углубленной за счет рециркуляции горячего газа регенерацией рассматривается в качестве аналога предлагаемой полезной модели. Но это устройство, несмотря на использование более высокой максимальной температуры в реакторе в сравнении с классическим газификатором Лурги, имеет существенно неравномерное по слою распределение параметров - температуры, концентрации окислителя и пара, и как следствие - неравномерную скорость газификации, что снижает его эффективность. Кроме того, недостатком горнового газификатора является производство горючего газа с высоким содержанием смол, сепарации которых посвящена значительная часть новаций указанной полезной модели. Наконец, серьезным обстоятельством, которое, заметим, учтено в разработках газификаторов Лурги, является необходимость поддержания высокой газопроницаемости газифицируемого слоя. Поэтому достаточно жесткими являются ограничения в технологии Лурги на размер фрагментов и тип применяемого угля, чтобы газификатор работал устойчиво и эффективно. В рассмотренной полезной модели это обстоятельство не рассматривается.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели, в которой устраняются многие недостатки указанного аналога, является разработка ИПХФ РАН - Патент на изобретение РФ 2322641 «Способ переработки конденсированного горючего путем газификации и устройство для его осуществления». Это устройство рассматривается в качестве прототипа. Как и упомянутые выше установки газификации, оно рассчитано на работу по противоточной схеме, где сырье последовательно проходит через зоны загрузки, сушки и прогрева, коксования и пиролиза, горения и газификации твердой фазы. Окислительные среды подводятся в нижней части реактора. В верхней части реактора установлено устройство ввода дополнительно с топливом инертной массы, которая также нагревается в реакторе, а затем аккумулированное ею регенеративное используется для подогрева вводимых в нижней части реактора газифицирующих сред. Но наиболее существенным для обеспечения эффективной работы устройства газификации является применение реактора вращающегося типа, по аналогии с вращающимися печами сжигания отходов - Доусон Г., Мерсер Б. Обезвреживание токсичных отходов. Сокр. перев. с англ., Стройиздат, Москва, 1996, с.224., или обжиговыми, например, цементными печами. Вращение реактора под углом к горизонту должно обеспечить увеличенную газопроницаемость засыпке топлива с инертами не только в случае газификации углей, но и различных горючих отходов с целью их утилизации. Варьируемый угол наклона реактора к горизонту призван исключить образование продольных, не заполненных сырьем ниш вдоль верхней образующей цилиндрического реактора, по которым горячие газы могут без должного взаимодействия с сырьем покидать реактор. В литературе реактор рассматриваемого типа, содержащий инерты наряду с топливной смесью, назван сверхадиабатическим, в зоне максимальной температуры ее величина выше, чем в адиабатических условиях, что благоприятно для проведения термической обработки любого рода. Но использование противоточной схемы движения сред в устройстве газификации дает не только преимущества, но имеет и негативную сторону. Продукт - газ, вырабатываемый реактором газификации, при своем встречном движении в потоке массы сырья, не только участвует в процессе теплообмена, но и уносит к выходу образующиеся летучие соединения, смолы, влагу и токсичные вещества гораздо ранее, чем сырье могло бы оказаться в зоне действия высокой температуры. Последнее особенно нежелательно, так как этот реактор предлагается в качества средства для уничтожения газификацией различных отходов, включая токсичные. Безопасным и пригодным к использованию этот газ с летучими мог бы стать лишь после глубокой и сложной очистки, либо должен быть направлен на дожигание при высокой температуре в соответствии с нормативами, в частности, на бездиоксиновое сжигание.
Предлагаемая полезная модель устройства газификации твердого топлива и отходов решает техническую задачу увеличения эффективности газификатора, наряду с обеспечением удобства и безопасности применения вырабатываемого горючего газа.
Поставленная техническая задача решается за счет того, что устройство газификации твердого топлива и отходов, содержащее реактор вращающегося типа, угол наклона которого к горизонту предусматривает продольное перемещение засыпки сырья, устройство подачи измельченной горючей массы в реактор, устройство ввода окислителя, устройство подвода пара в реактор, и вывод продукт - газа, отличается тем, что вводы газифицирующих сред - окислителя, пара, подключены к реактору со стороны подачи сырья в реактор на газификацию, а вывод продукт - газа находится на противоположной стороне реактора, и дополнительно на стороне тракта вывода продукт - газа подключена линия отбора части горячего газа на регенерацию к паровому эжектору, из которого эжектируемые газы в смеси с эжектирующим паром направляются на вход в реактор, притом реактор выполнен с пережимами сечения винтовой или кольцевой геометрии, что позволяет расположить ввод сырья как выше, так и ниже уровня выхода из реактора.
Схематически предлагаемое устройство изображено на фиг.1. На этой фигуре: 1 - устройство подачи измельченной горючей массы в реактор; 2 - линия подачи устройства ввода окислителя; 3 - реактор вращающегося типа; 4 - линия подачи от устройства подвода пара в реактор; 5 - линия ввода эжектируемого горючего газа в смеси с эжектирующим паром с выхода эжектора; 6 - паровой эжектор; 7 - линия отбора части горячего газа на регенерацию; 8 - вывод продукт-газа из реактора, в частности, на охлаждение для использования; 9 - охладитель/парогенератор; в частности, обеспечивающий паром высокого давления эжектор 6, 10 - вывод продукт-газа потребителю, 11 - линия подачи пара как эжектирующей среды в эжектор. На фиг.2 представлен в разрезе сегмент реактора с пережимами проходного сечения кольцевой конфигурации. На фиг.3 показано, как пережимы такого рода могут перекрывать перетечку газа, минуя фильтрацию через засыпку реактора. Здесь 3 - корпус реактора, 12 -засыпка, 13 - пережимы, в данном случае кольцевые, 14 - образующиеся зазоры между засыпкой и корпусом, которые необходимы, чтобы при вращении реактора сырье в процессе газификации могло перемешиваться. Фиг.4 схематически иллюстрирует реактор в поперечном сечении с пережимами 13, имеющими винтовую конфигурацию, когда выход может быть выше уровня входа.
Вспомогательные системы подогрева окислителя и пара с целью улучшения характеристик газификации традиционны и не имеют особенностей, как и возможность использования кислородного обогащения окислителя в этой полезной модели
Полезная модель работает следующим образом. С помощью устройства подачи 1 в реактор загружается горючая масса, продвижение которой по реактору обеспечивается вращением реактора при необходимом наклоне от входа к выходу, или подъеме, если пережимы в реакторе 13 имеют винтовую конфигурацию при соответствующем направлении вращения. Одновременно с подачей на вход окислителя 2 и водяного пара 4 по линии 5 от эжектора 6 поступает смесь горячего потока горючего газа с эжектирующим паром, подача которого регулируется управлением расхода в эжекторе, обеспечивая оптимальное значение параметров газификации. Этот поток газовой смеси, энтальпия которого увеличена за счет регенерации в устройстве, инициирует горение сырья на входе в газификатор. Это тепло расходуется на проведение эндотермических реакций газификации. Без регенерации, и в частности рециркуляции части газа с выхода реактора, работа реактора со спутным потоком проблематична. Вращение реактора делает загруженную массу гораздо более проницаемой для потока газов, но чтобы при этом не возникало шунтирующих перетоков газа под верхней образующей реактора, на что обращено внимание в прототипе, их перекрывают с помощью кольцевых или винтовых пережимов проходного сечения. Эскиз реактора с кольцевыми пережимами представлен на фиг.2. Фиг.3 поясняет, как такие сужения перекрывают пути шунтирующих перетоков газов в реакторе, но оставляют пространство для естественного перемешивания засыпки в каждом отдельном сегменте реактора при вращении реактора. Фиг.4 представляет эскиз реактора с винтовыми пережимами и наклоном реактора с засыпкой, направленным вверх от входа. Параметры и расходы сред выбираются из условия автотермичности процесса газификации.
Устройство газификации твердого топлива и отходов, содержащее реактор вращающегося типа, угол наклона которого к горизонту предусматривает продольное перемещение засыпки сырья, устройство подачи измельченной горючей массы в реактор, устройство ввода окислителя, устройство подвода пара в реактор и вывод продукта - газа, отличающееся тем, что вводы газифицирующих сред - окислителя, пара подключены к реактору со стороны подачи сырья в реактор на газификацию, а вывод продукта - газа находится на противоположной стороне реактора, и дополнительно на стороне тракта вывода продукта - газа подключена линия отбора части горючего газа на регенерацию к паровому эжектору, из которого эжектируемые газы в смеси с эжектирующим паром направляются на вход в реактор, притом реактор выполнен с пережимами сечения винтовой или кольцевой геометрии.
