Устройство для исследования процесса термического разложения твердых топлив
Устройство для исследования процесса термического разложения твердых топлив содержит бункер топлива с питателем, бункер твердого теплоносителя с питателем, смеситель топлива и твердого теплоносителя, соединенный трубопроводом ввода с реактором пиролиза, пылеосадительную камеру с системой пылеочистки, верхний газовый объем которой соединен с системой конденсации жидких продуктов из парогазовой смеси, а нижняя часть соединена с входом в аэрофонтанную топку, выход из которой соединен с циклоном твердого теплоносителя, золоспускной выход которого соединен с бункером твердого теплоносителя, а газовый выход соединен с пылеочистителем. Устройство снабжено цилиндрическим реактором пиролиза с горизонтальной осью вращения. Газовый объем реактора пиролиза снабжен пробоотборниками для дискретного отбора проб газовой фазы, размещенными вдоль образующих реактора на разных расстояниях от торцевой стенки, трубопровод ввода в реактор пиролиза смеси топлива с теплоносителем снабжен пробоотборным устройством для дискретного отбора проб твердой фазы, а система конденсации снабжена конденсатором глубокого охлаждения парогазовой смеси. Пробоотборное устройство для дискретного отбора проб твердой фазы выполнено в виде отводного трубопровода с накопительным карманом и с размещенным внутри отводного трубопровода штоком, выполненным с возможностью перемещения, а верхняя часть штока размещена в трубопроводе ввода в реактор пиролиза и снабжена соединенным со штоком запорным элементом. В качестве хладоагента в конденсаторе глубокого охлаждения используют сухую углекислоту.
Полезная модель относится к области исследований процессов термической переработки твердых топлив и органосодержащих отходов и может использоваться при моделировании процесса пиролиза с использованием твердого теплоносителя в химической и топливной промышленностях.
Известно устройство для исследования процессов термической переработки твердых топлив. Устройство содержит бункер топлива, снабженный выпускным патрубком с клапаном, помещенный в печь с электрическим обогревом герметичный пиролизер, снабженный загрузочной воронкой для топлива, термопарами и выводом парогазовых продуктов, помещенную в печь с электрическим обогревом вертикальную камеру нагрева твердого теплоносителя, установленную на пиролизере и снабженную загрузочным патрубком для твердого теплоносителя и воронкой с клапаном для выгрузки. Клапан бункера топлива расположен в загрузочной воронке камеры нагрева и совместно с клапаном для выгрузки из камеры нагрева установлен на общем вертикальном штоке, снабженным пружиной, с возможностью их одновременного вертикального перемещения, а пиролизер снабжен мешалкой и разгрузочным патрубком с запорным устройством, с целью предотвращения осаждения (конденсации) на стенках аппаратов жидких продуктов пиролиза после завершения опыта и охлаждения аппаратуры. Камера нагрева и пиролизер снабжены штуцерами для их присоединения к баллону с азотом с целью продувки им аппаратов. [Патент РФ 
81958 от 14.11.2008 г].
Недостатками устройства является то, что:
- при сбросе теплоносителя из камеры нагрева вниз на слой пиролизуемого топлива невозможно обеспечить равномерное смешение материалов по высоте слоя, даже несмотря на их перемешивание мешалкой в горизонтальных плоскостях, а следовательно, невозможно осуществить равномерный прогрев всей массы топлива. Вследствие неравномерного нагрева топлива в разных точках слоя по высоте в итоге получают усредненные данные, которые могут рассматриваться как оценочные, но не могут служить основанием для их применения при исследовании процессов, происходящих во вращающихся реакторах пиролиза барабанного типа, имеющих промышленное применение;
- не моделируются и не исследуются процессы получения, движения и взаимодействия твердого теплоносителя с пиролизуемым топливом.
Наиболее близким к заявляемому устройству является стендовая маломасштабная установка содержащая расходный бункер, тарельчатый питатель, смеситель, реактор, шнек полукокса, аэрофонтанную топку, сепаратор теплоносителя, шнек теплоносителя и систему конденсации [Автореф. дисс. к.т.н. Йорудас К.А., «Технология исследования процессов термической переработки горючих сланцев в установках с твердым теплоносителем», М.:, 1979, С.20].
Недостатком установки является то, что нагрев топлива теплоносителем производится в реакторе бункерного типа без принудительного смешивания потоков. Смешивание потоков происходит только при соприкосновении потоков материалов в полочном смесителе, поэтому основной процесс термического разложения происходит в практически неподвижном слое. Вследствие принципиального различия тепло- и массообменных процессов, происходящих в неподвижном и подвижном слоях зернистого материала, полученные в данном устройстве результаты не полностью соответствуют условиям тепло-массообмена в промышленных пиролизерах, например во вращающихся реакторах пиролиза барабанного типа, имеющих промышленное применение.
Недостатком установки является также отсутствие пробоотборников газовой и твердой фаз, позволяющих отбирать пробы в разных точках устройства по ходу технологического процесса, а также сложная система конденсации, не обеспечивающая высокую точность определения выхода жидких продуктов.
Техническим результатом, на решение которого направлено заявленное устройство, является повышение эффективности исследования процессов тепло- и массобмена при термическом разложении (пиролизе) твердых топлив за счет использования вращающегося реактора и повышения точности оценки свойств продуктов по ходу технологического процесса путем дискретного отбора проб газообразных и твердых продуктов в разных точках устройства, а также повышение точности определения выхода и качества жидких продуктов полукоксования за счет обеспечения возможности их быстрой и более полной конденсации.
Технический результат достигается тем, что устройство для исследования процесса термического разложения твердых топлив содержит бункер топлива с питателем, бункер твердого теплоносителя с питателем, смеситель топлива и твердого теплоносителя, соединенный с реактором пиролиза трубопроводом ввода смеси топлива с теплоносителем, пылеосадительную камеру с системой пылеочистки, верхний газовый объем которой соединен с системой конденсации жидких продуктов из парогазовой смеси, а нижняя часть соединена с входом в аэрофонтанную топку, выход из которой соединен с циклоном твердого теплоносителя, золоспускной выход которого соединен с бункером твердого теплоносителя, а газовый выход соединен с пылеочистителем. Устройство снабжено цилиндрическим реактором пиролиза с горизонтальной осью вращения. Газовый объем реактора пиролиза снабжен пробоотборниками для дискретного отбора проб газовой фазы, размещенными вдоль образующих реактора на разных расстояниях от торцевой стенки. Трубопровод ввода в реактор пиролиза смеси топлива с теплоносителем снабжен пробоотборным устройством для дискретного отбора проб твердой фазы, а система конденсации снабжена конденсатором глубокого охлаждения парогазовой смеси. Пробоотборное устройство выполнено в виде отводного трубопровода с накопительным карманом и размещенным в отводном трубопроводе подвижным штоком, верхняя часть которого размещена в трубопроводе ввода в реактор пиролиза смеси топлива с теплоносителем и снабжена запорным элементом. В качестве хладоагента в конденсаторе глубокого охлаждения используют сухую углекислоту.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема предложенного устройства для исследования процесса термического разложения твердых топлив, а на фиг.2 - пробоотборное устройство для дискретного отбора проб твердой фазы.
Устройство содержит бункер подготовленного топлива (например сланца) с питателем 1 и бункер твердого теплоносителя с питателем 2, смеситель 3, трубопровод ввода в реактор пиролиза смеси топлива с теплоносителем 4, реактор пиролиза 5, подключенный к пылеосадительной камере 6, коксозольный выход из которой питателем 7 соединен с аэрофонтанной топкой 8, газовый выход из пылеосадительной камеры 6 через систему очистки парогазовой смеси от пыли 9 соединен с системой конденсации жидких продуктов из парогазовой смеси 10. Аэрофонтанная топка 8 снабжена горелочным устройством 11 и системой подачи воздуха 12 с электронагревателем 13. Выход из аэрофонтанной топки 8 трубопроводом 14 соединен с циклоном 15, газовый выход из которого соединен с пылеуловителем 16, а зольный выход с бункером 2. Реактор пиролиза 5 снабжен пробоотборниками для дискретного отбора проб газовой фазы 17,18,19 и приводом 20. Трубопровод 14 между аэрофонтанной топкой 8 и циклоном 15 снабжен электронагревателем 21. Бункер теплоносителя 2 снабжен электронагревателем 22. Установка в разных точках снабжена термопарами 23, 24, 25, 26, 27. Система конденсации 10 снабжена конденсатором глубокого охлаждения 28. Трубопровод ввода смеси топлива с теплоносителем 4 снабжен пробоотборным устройством для дискретного отбора проб твердой фазы 29, которое снабжено отводным трубопроводом 30 с накопительным карманом 31, подвижным штоком 32, верхняя часть которого соединена с подвижным запорным элементом 33 трубопровода 4, нижняя часть снабжена упорами 34, входящими в гильзы 35, в которых расположены пружины 36, а нижний конец штока снабжен кнопкой 37. Накопительный карман 31 снабжен запорным устройством 38.
Устройство работает следующим образом:
В бункеры 1 и 2 загружают заданные количества топлива и предварительно подготовленной золы. Конденсатор глубокого охлаждения 28 заполняют хладагентом - сухой углекислотой. Включают все электронагреватели установки. Включают горелочное устройство 11, систему подачи воздуха 12, питатель 7, питатель теплоносителя бункера 2, привод 20 реактора пиролиза 5 и начинают циркуляцию дымовых газов и золы по контуру: реактор пиролиза 5, пылеосадительная камера 6, аэрофонтанная топка 8, циклон 15, зольный бункер 2, аэрофонтанная топка 8. Разогрев продолжается до достижения в реакторе пиролиза 5 температуры ~300°C и в зольном бункере 15 ~800°C, после чего выключают горелочное устройство 11 и электронагреватель 13.
Включают питатель бункера 1 и начинают одновременную подачу сланца и золы в смеситель 3 и далее в реактор пиролиза 5, где за счет медленного вращения реактора 5 осуществляется перемешивание сланца и золы и в бескислородной среде происходят процессы тепло-массобмена и термодеструкции органической составляющей сланца (пиролиз) с образованием парогазовой смеси и твердого коксового остатка (полукокса).
Парогазовая смесь после очистки от твердых включений в системе очистки 9 поступает в конденсатор глубокого охлаждения 28, заполненный хладагентом, например сухой углекислотой, имеющей температуру -78°C. За счет резкого снижения температуры происходит конденсация всей суммы жидких продуктов (до C5H10), присутствующих в парогазовой смеси, в результате чего в конденсаторе 28 собираются практически все жидкие продукты, образовавшиеся при пиролизе. После окончания эксперимента и нагрева конденсатора 28 до комнатной температуры углекислота полностью возгоняется, и в конденсаторе остаются только жидкие продукты, что значительно упрощает их сбор и делает более точным определение их выхода. Неконденсируемая часть парогазовой смеси образует горючий газ.
Образовавшийся в результате пиролиза сланца полукокс, содержащий часть неразложившихся органических веществ и минеральную составляющую, вместе с золой-теплоносителем образует коксозольный остаток, который поступает в аэрофонтанную топку 8, где органические вещества, оставшиеся в полукоксе, сжигаются в потоке воздуха, подаваемого системой подачи воздуха 12. В результате сжигания органики температура образовавшегося потока газовзвеси на выходе из аэрофонтанной топки 8 повышается до 700-800°C. Температура в реакторе пиролиза 5 (490-500°C) регулируется расходом нагретой золы путем изменением числа оборотов питателя бункера 2.
В ходе опыта через заданные промежутки времени производят дискретный отбор проб газообразных и твердых продуктов.
Дискретный отбор газообразных продуктов из разных участков газового объема реактора производят через пробоотборники 17, 18, 19, для чего к пробоотборникам последовательно подсоединяют «мокрые» пипетки с насыщенным соляным раствором, при сливе которого в пипетке создается разрежение и ее объем заполняется газообразными продуктами пиролиза, находящимися в это время в определенной точке газового объема реактора 5.
Снабжение газового объема реактора пиролиза 5 системой пробоотборников 17, 18, 19, размещенных вдоль образующих реактора пиролиза 5 на разных расстояниях от торцевой стенки, позволяет отбирать пробы газообразных продуктов пиролиза в заданных точках реакционного объема реактора 5 в заданное время, что позволяет выявить динамику технологического процесса.
Дискретный отбор проб твердой фазы производят через заданные промежутки времени через пробоотборник 29. При нажатии на кнопку 37 шток 32 перемещается вверх вместе с подвижным запорным элементом 33 трубопровода 4 и в образовавшееся отверстие в течение заданного промежутка времени начинает поступать твердый материал из питателя 3, порция которого накапливается в накопительном кармане 31. После снятия нагрузки на кнопку 37 за счет распрямления пружин 36 шток 32 возвращается в исходное положение, подвижный элемент 33 закрывает отверстие в трубопроводе 4 и возобновляется поступление твердого материала в реактор 5. Остывшую пробу твердого материала выгружают из накопительного кармана 31 после открытия запорного устройства 38.
Снабжение трубопровода ввода смеси топлива с теплоносителем 4 в реактор пиролиза 5 проботборным устройством для дискретного отбора проб твердой фазы 29 позволяет оценить качество смешения потоков топлива и теплоносителя на входе в реакционное пространство, что позволяет оценить степень влияния процесса смешения потоков в смесителе 3 на результаты всего технологического процесса.
Снабжение системы конденсации 10 конденсатором глубокого охлаждения 28 с использованием в качестве хладагента твердой углекислоты позволяет собирать с минимальными потерями в одном сосуде все жидкие продукты пиролиза, что уменьшает ошибку при сведении материального баланса.
Снабжение устройства цилиндрическим реактором 5 с горизонтальной осью вращения обеспечивает качественное смешение топлива с нагретым твердым теплоносителем, что создает оптимальные условия для прохождения тепло- и массообменных процессов и повышает эффективность их исследования.
Таким образом, заявленное техническое решение повышает эффективность исследования процессов, происходящих при термическом разложении (пиролизе) твердых топлив во вращающихся реакторах, за счет качественного смешения топлива с теплоносителем, возможности получения данных о свойствах газовой и твердой фаз в заданных точках технологического процесса в заданное время и повышения точности определения выхода и качества жидких продуктов за счет их быстрой и полной конденсации.
1. Устройство для исследования процесса термического разложения твердых топлив, содержащее бункер топлива с питателем, бункер твердого теплоносителя с питателем, смеситель топлива и твердого теплоносителя, соединенный трубопроводом с реактором пиролиза, пылеосадительную камеру с системой пылеочистки, верхний газовый объем которой соединен с системой конденсации жидких продуктов из парогазовой смеси, а нижняя часть соединена с входом в аэрофонтанную топку, выход из которой соединен с циклоном твердого теплоносителя, золоспускной выход из которого соединен с бункером твердого теплоносителя, а газовый выход соединен с пылеочистителем, отличающееся тем, что устройство снабжено цилиндрическим реактором пиролиза с горизонтальной осью вращения, газовый объем реактора пиролиза снабжен системой пробоотборников для дискретного отбора проб газовой фазы, размещенных вдоль образующих реактора на разных расстояниях от торцевой стенки, трубопровод ввода в реактор пиролиза смеси топлива с теплоносителем снабжен пробоотборным устройством для дискретного отбора проб твердой фазы, а система конденсации снабжена конденсатором глубокого охлаждения парогазовой смеси.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пробоотборное устройство выполнено в виде отводного трубопровода с накопительным карманом и размещенным в отводном трубопроводе подвижным штоком, верхняя часть которого размещена в трубопроводе ввода в реактор пиролиза смеси топлива с теплоносителем и снабжена запорным элементом.
3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что в качестве хладагента в конденсаторе глубокого охлаждения используют сухую углекислоту.
