СПОСОБ СЖИГАНИЯ НИЗКОКАЛОРИЙНОГО ТОПЛИВА

Изобретение относится к области переработки низкокалорийного топлива, утилизации твердых бытовых и промышленных отходов.

Высокая стоимость ископаемых горючих материалов требует разработки новых технологий получения тепловой энергии, например, позволяющих расширять применение до промышленных масштабов топлив и материалов с изначально низкой теплотворной способностью, которые относятся к классу низкокалорийных топлив с теплотворной способностью менее 10 кВт·ч/м³. К ним относятся: мазут, торф, отходы древесного происхождения, илистые осадки, накапливающиеся в отстойниках системы канализации, различный органический мусор (пластик) и др.

Повышение эффективности сжигания и получения полезного тепла из низкокалорийных материалов обеспечивается усовершенствованием горелочных устройств в камерах сгорания за счет увеличения расходов горючего материала и окислителя. Представляют значительный интерес горелки со встроенными в них рекуперативными теплообменниками, с помощью которых происходит предварительный подогрев воздуха, поступающий для горения. Подогрев вторичного воздуха до определенной температуры приводит к повышению полноты сгорания низкокалорийного топлива и уровня теплосодержания продуктов горения (М.Б. Раяк, Г.Я. Бернер, М.Г. Кинкер. Совершенствование процесса сжигания топлива. Обзор зарубежных технологий. Журнал Новости Теплоснабжения №12 (135) 2011). Затраты тепла на организацию предварительного подогрева приводят в конечном итоге к снижению эффективности получения тепла из топлива, которое компенсируется увеличением уровня расхода подачи горючего и окислителя.

Известен способ переработки низкокалорийного топлива (НКТ), при котором в реакторе непосредственно за зоной коксования и пиролиза формируют зону синтеза и гидрирования углеводородов с температурой 250-400°C, в зоне горения поддерживают температуру 850-1300°C (патент РФ №2385343). В зоне коксования и пиролиза выделяют химически несвязанный углерод и в зоне горения обрабатывают его водяным паром с образованием свободного водорода, который подают в зону синтеза и гидрирования, последовательно осуществляя синтез и гидрирование углеводородов.

К недостаткам способа следует отнести достаточно низкий КПД преобразования твердых НКТ в газообразный продукт, невысокие энергетические характеристики получаемого топлива, большие размеры и вес установки.

Известен способ переработки углеводородного сырья (твердых бытовых и промышленных отходов, торфа и т.п.), реализованный в установке (патент РФ №92150), в которой сырье загружают в реактор, нагревают, сушат, осуществляют пиролиз и сжигают с образованием продуктов переработки в газообразной (пиролизный газ) и жидкой (шлак) фазах. Продукты переработки раздельно выводят из реактора. 5-30% полученного пиролизного газа используют в качестве технологического, а остальную часть - в качестве энергетического топлива. В качестве газифицирующего агента используют пароводяную плазму, полученную в одном или нескольких плазмотронах, и продукты сгорания смеси пиролизного газа с воздухом и/или кислородом.

Техническое решение позволяет расширить состав перерабатываемого сырья, повысить производительность процесса, повысить теплоту сгорания и эффективность применения пиролизного газа, передаваемого внешнему потребителю, повысить экологическую безопасность процесса.

Недостатки известного способа заключаются в использовании плазмотронов, где реализуется дуговой разряд с высокой температурой плазмы ~6000K, достигаемой в процессе рекомбинации ионов с электронами под воздействием приведенной напряженности электрического поля E/N>>500 Таундсов. При организации дугового разряда внутри плазматрона, из-за высокой температуры в дуге и пароводяного состава плазмы в ней, генерируется большое количество оксидов азота: NO и NO₂.

Наиболее близким аналогом является способ сжигания НКТ, реализуемый при обработке отходов (патент РФ №2424468), содержащий стадию газификации в присутствии кислорода и пара для получения отходящего газа и стадию плазменной обработки, в установке для плазменной обработки в присутствии кислорода и пара, при этом установка для плазменной обработки отделена от установки для газификации.

Недостатком известного способа является применение плазменной обработки дважды: на этапе газификации и в отходящих газах для очистки последних от вредных примесей. В каждом процессе рекомендуется свой определенный узкий температурный диапазон плазменного нагрева, что дает возможность тонкой настройки установки на нужный режим, но усложняет процесс. Используемая плазменная обработка связана с тепловым нагревом, что увеличивает затраты энергии на организацию процесса.

Задача изобретения заключается в повышении эффективности переработки низкокалорийного топлива.

Технический результат заключается в увеличении степени извлечения тепла из топлива, а также уменьшении эмиссии экологически опасных соединений.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе сжигания низкокалорийного топлива осуществляют его газификацию посредством пиролиза, газообразные продукты пиролиза подвергают кислородно-паровому реформингу и образовавшийся в процессе реформинга синтез-газ сжигают для получения полезного тепла, согласно изобретению, в качестве источника кислорода для кислородно-парового реформинга используют окружающий воздух, который предварительно активируют для получения колебательно-возбужденных молекул кислорода O₂ и азота N₂, синглетных молекул и , при проведении реформинга устанавливают отношение кислорода к газообразным продуктам пиролиза равным 0,25-0,33 по объему, при этом часть тепла, образующегося в процессе реформинга, используют при осуществлении пиролиза низкокалорийного топлива и для подогрева водяного пара, используемого в процессе реформинга.

При реализации способа целесообразно осуществлять активацию кислорода электрическим разрядом с приведенной напряженностью электрического поля в диапазоне E/N=2·10^-16-4·10^-16B·см².

Целесообразно также проводить пиролиз низкокалорийного топлива в реакторе при температуре 900-1200 K.

Заявленный способ позволяет увеличить степень извлечения тепла из топлива, уменьшить эмиссию экологически опасных соединений, особенно оксидов азота и органики, и сократить массу и габариты установки вследствие воздействия на пиролизный газ активированным в электрическом разряде воздухом, что позволяет интенсифицировать его конверсию в синтез-газ.

В результате комплексных теоретических и экспериментальных исследований, а также численного моделирования процессов окисления, воспламенения и горения различных веществ, включая водород, метан, синтез-газ, пропан, природный газ и др., было показано, что данный метод интенсификации окисления и горения позволяет:

- при ультрамалом подводе энергии (5·10^-3-5·10^-2 Дж/см³) во внутренние степени свободы выбранных молекул (в данном случае - кислорода) реализовать эффективное сжигание различных органических и неорганических соединений при низких температурах топливо-воздушной смеси (существенно ниже температуры самовоспламенения) в укороченных (в несколько раз) камерах сгорания с высокой полнотой сгорания*;

* При воздействии термически равновесной плазмы, образующейся в дуговом разряде, не происходит селективного возбуждения колебательных и электронных состояний молекул. В дуговом разряде энергия идет на нагрев всех степеней свободы молекул: поступательных, вращательных, колебательных и электронных.

- увеличить эффективность преобразования химической энергии реагентов в тепловую энергию (для различных топлив увеличение преобразования составляет от 15 до 40%).

Эту концепцию предлагается применить для низкотемпературной газификации углей, организации сжигания низкокалорийных топлив, бытовых и промышленных отходов.

Применительно к задачам переработки и утилизации отходов эти разработки являются ключевыми при создании перспективных образцов наиболее совершенных, производительных, модульных плазмохимических и модифицированных термохимических установок универсального применения с высокими энергоотдачей и степенью экологической чистоты как самого процесса переработки отходов, так и продуктов этой переработки.

В конечном счете, внедрение модульных плазмохимических и установок, основанных на селективном возбуждении молекул специально организованном электрическим разрядом, приведет к повышению производительности комплексов по утилизации производственных и бытовых отходов (в разы) при одновременном и существенном снижении энергозатрат на переработку сырья и отходов, к снижению объемов не выжженных сухих остатков, подлежащих компактному захоронению, и уменьшению вредных выбросов в атмосферу.

Внедрение этих технологий позволит также:

- обеспечить диоксиновую безопасность при утилизации хлорсодержащих пластмасс, хлорлегнина (основного компонента отходов целлюлозно-бумажных комбинатов и потенциального источника выбросов диоксинов) за счет организации высокоэффективного окисления полиароматических углеводородов, с участием которых образуются диоксины, при температурах ниже уровня их активного образования;

- обеспечить разложение токсичных и ядовитых веществ, ядов, пестицидов и др.;

- обеспечить существенное снижение потребления энергии;

- реализовать эффективное снижение температуры процессов в реакторе и тем самым не допускать перегрева его конструкции;

- обеспечить более глубокое и интенсивное разложение отходов и конверсию низкокалорийного топлива со сложным составом;

- заложить основу для создания нового класса высокоэффективных энергетических установок транспортного и стационарного применения (как на традиционных видах топлива, так и на альтернативных).

На чертеже приведена блок-схема, описывающая предлагаемый процесс сжигания низкокалорийного топлива (НКТ).

На блок-схеме использованы следующие обозначения:

1 - блоки пиролиза НКТ, 2 - разрядная ячейка, 3 - парогенератор, 4 - реформер, 5 - камера для сжигания синтез-газа, 6 - воздух, 7 - вода, 8 - продукты пиролиза (в том числе углеводороды C_nH_m), 9 - активированный воздух, 10 - водяной пар, 11 - продукт реформинга (синтез-газ), 12 - полезное тепло, вырабатываемое при сжигании синтез-газа, 13 - тепло, отбираемое для подогрева реактора пиролиза и парогенератора.

Способ сжигания для производства полезного тепла и электроэнергии заключается в том, что НКТ газифицируют посредством пиролиза в блоках 1 реактора. Газообразные продукты 8 пиролиза подвергают кислородно-паровому реформингу в реформере 4. Образовавшийся в процессе реформинга синтез-газ 11 сжигают для получения полезного тепла 12. Молекулы азота и кислорода воздуха 6, используемого в процессе кислородно-парового реформинга, предварительно активируют в ячейке 2 для получения колебательно-возбужденных молекул азота N₂(v) и электронно-возбужденных молекул кислорода , , атомов O(³Р), O(¹D) и других активных компонентов. Активированный воздух 9 подают в реформер 4. При проведении реформинга устанавливают отношение кислорода к газообразным продуктам пиролиза равным 0,25-0,33 по объему, по массе указанное соотношение составляет 0,8-1,2. Часть тепла 13, образовавшегося в процессе реформинга, используют на проведение пиролиза низкокалорийного топлива и для подогрева водяного пара 10, подаваемого для реформинга.

Как уже указывалось, в начале процесса переработки НКТ подвергают пиролизу. С этой целью в изолированном от воздуха пиролизном реакторе (блоки 1) исходное НКТ нагревают до высокой температуры порядка 900-1200 K и выдерживают некоторое время (несколько часов) без доступа воздуха. В течение этого времени НКТ превращается в смесь основных предельных и непредельных углеводородов и других компонентов, содержащихся в небольших количествах в НКТ, например S₂, H₂S и металлы. Параллельно с этим процессом и независимо от него в изолированной проточной части реактора, разрядной ячейке 2, организуют поток воздуха 6 и активируют его посредством воздействия электрическим разрядом с приведенной напряженностью электрического поля E/N=2·10^-16В·см²-4·10^-16В·см². В потоке воздуха, проходящего через ячейку 2, происходит образование колебательно возбужденных молекул кислорода O₂(v) и электронно-возбужденных молекул О₂ в синглетных состояниях , , а также колебательно возбужденных молекул азота N₂(v) и атомов O(³Р), O(¹D), обладающих высокой реакционной активностью к продуктам 8 пиролиза (пиролизный газ). При этом температура газа на выходе из разряда не превышает 550-650 K и образования оксидов азота, в отличие от дугового разряда в воздухе, не происходит. Образовавшийся активированный воздух 9 (воздушная плазма) смешивают в реформере 4 с продуктами 8 пиролиза, содержащего в том числе углеводороды C_nH_m, исходного НКТ. При смешении образуется обогащенная горючим смесь с коэффициентом избытка горючего φ=3-4 (коэффициент избытка окислителя α=0,25-0,33), что по массе составляет 0,8-1,2. При температурах 900-1300 K, предпочтительно 900-1200 K, в условиях частичного окисления продуктов пиролиза образуется синтез-газ 11 с большим содержанием молекулярного водорода: H₂/СО=(2-2,7)/1. При этом температура продуктов конверсии составляет 1400-1600 K, а концентрация оксидов азота в продуктах остается очень низкая.

Из-за активации воздуха процесс образования синтез-газа происходит гораздо быстрее, т.е. можно сократить размеры этой части установки, по сравнению с прототипом. Очевидно, содержание водорода можно регулировать величиной расхода подаваемого водяного пара 10 из парогенератора 3 в реформер 4. В свою очередь, для непрерывной генерации пара требуется обеспечить постоянный приток воды 7 в парогенератор 3. Образованное в результате процесса кислородно-паровой конверсии горючее обладает высокой теплопроизводительностью за счет большого содержания в нем водорода и при горении в камере 5 не образует токсичных и канцерогенных веществ в продуктах сгорания, что решает поставленную выше задачу увеличения эффективности переработки низкокалорийного топлива. Вследствие того, что синтез-газ (Н₂-CO) обладает более широкими концентрационными пределами горения по сравнению с углеводородами и, тем более, с исходным НКТ, сжигание такого горючего можно производить, используя обедненные топливные смеси (с φ=α^-1=2,5-3). При этом можно получить очень низкую концентрацию NO (1-10 ppm) и CO (0,01 ppm) в выходном сечении камеры сгорания.

Заметим, что часть выделяемого тепла 13 от реформера 4 отбирается для подогрева парогенератора 3 и для подогрева замкнутого пиролизного реактора (блоки 1). Тепло 13 может переноситься жидким теплоносителем (перегретой водой или жидким легкоплавким металлом, таким как натрий, как это делается в атомных реакторах). Каждый блок 1 пиролиза работает циклически, перерывы в работе требуются для каждой новой загрузки НКТ в реакторный блок 1. Чтобы при этом подвод полезного тепла 12 потребителю из камеры 5 осуществлялся непрерывно с одним и тем же уровнем тепловой мощности, необходимо предусмотреть параллельное подключение нескольких блоков 1 пиролиза к остальным элементам установки. Количество N~10 блоков 1 пиролиза должно рассчитываться, как отношение времени пиролиза (~5 часов) ко времени перезагрузки реактора (~30 минут), чтобы реакторы перезагружались без задержки, последовательно друг за другом, а одновременно в работе находилось N-1 блоков пиролиза. В таком случае процесс перезагрузки НКТ в блоки 1 пиролиза может быть автоматизирован и организован по аналогии с работой карусельной поточной линии.

В разрядной ячейке 2 организуется несамостоятельный разряд (E/N=2·10^-16В·см-4·10^-16В·см²) с низкой температурой кислородной плазмы (<650 K) и высоким содержанием в ней возбужденных молекул N₂(v), O₂(v), , и атомов кислорода. В разрядной ячейке 2 тепловой эффект несущественный, потребляемая электрическая мощность мала (менее 1% от полезной мощности всей установки), основное воздействие на интенсификацию процессов окисления в газовой среде оказывает ускорение химических реакций разветвления цепи, обусловленную возбуждением N₂ и O₂ и генерацией атомов О, что приводит к появлению новых реакционных каналов и ускорению конверсии пиролизного газа в синтез-газ.

В предлагаемом изобретении воздействие низкотемпературной неравновесной плазмы на пиролизный газ сосредоточена в одном узле, что конструктивно проще, причем эффект не связан с тепловым нагревом всего воздуха, как в дуговом разряде, а обусловлен интенсификацией цепных реакций путем возбуждения атомов и молекул кислорода и азота. Это приводит к существенно меньшим энергетическим затратам по организации процесса производства синтез-газа из низкокалорийных топлив по сравнению с методом, использующим для сжигания НКТ горячую плазму дугового разряда.