Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАГРЕТЫХ ГАЗОВ ИЗ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА

Изобретение относится к области получения нагретых газов из твердых углеродсодержащих веществ, а именно к конструкции устройств для получения водорода, углекислого газа, воздуха с недостатком кислорода, пиролизного газа путем конверсии древесного угля при помощи водяного пара, и может быть использовано, например, при получении практически чистого водорода для последующего использования его в топливных элементах водородной энергетики.

Аналогом является объект изобретения из патента США №5509362, который подробно рассмотрен в докладе, представленном на собрании Секции западных штатов Института горения, проведенном 26-27 октября 1998 г. (доклад №98F-36). В этом докладе рассмотрен гипотетический способ использования угля для энергоснабжения газовой турбины, и в нем сообщалось о серии предварительных экспериментов с использованием псевдоожиженного слоя под атмосферным давлением, содержащего порошкообразный химически чистый оксид железа (т.е. FeO/Fe₂O₃). Газ, используемый для псевдоожижения слоя, можно подавать из воздуха до достижения баланса в виде 5% SO₂+95% N₂ и снова возвращать в воздух. Эксперименты предусматривали два основных технологических этапа. На первом этапе слой, полностью окисленный до Fe₂O₃, псевдоожижали смесью, содержавшей 5% SO₂+95% N₂, при температуре 857°C. Затем нагнетали в этот слой малое количество угля и одновременно проводили непрерывный анализ газов, выходящих из слоя. На втором этапе псевдоожижающий газ выводили в воздух, продолжая анализировать газы, выходящие из слоя.

В этом докладе Института горения также предложено концептуальное воплощение способа использования угля для энергоснабжения газовой турбины, в котором использовали катализатор на основе FeO/Fe₂O₃ в качестве псевдоожиженного порошка, циркулирующего между первым кипящим слоем, который псевдоожижен водяным паром, и вторым слоем, псевдоожиженным сжатым воздухом из компрессорной секции газовой турбины. В пределах этого слоя FeO окисляется до Fe₂O₃ в ходе жесткой экзотермической реакции, которая вызывает обеднение сжатого воздуха кислородом и одновременный нагрев этого воздуха. Нагретый сжатый воздух (который теперь обеднен кислородом) можно впоследствии использовать для приведения в действие секции детандера газовой турбины. В этом докладе Института горения подразумевается использование угольной пыли в качестве основного источника топлива. Таким образом, в технической литературе можно найти отдельные сведения о средствах достижения цели окисления угля с получением CO₂, готового к утилизации, и о средствах достижения цели газификации угля с получением относительно чистого водорода. Однако в технической литературе нет сведений, иллюстраций или предложений, касающихся достижения обеих этих целей в одном способе. Существует определенная потребность в усовершенствованном способе сжигания (окисления) угля с использованием сжигания, осуществляемого без предварительного смешивания, для получения CO₂, готового к утилизации, и относительно чистого водорода с одновременным созданием потока горячего газа для использования при выработке электроэнергии путем расширения через газотурбинные двигатели.

Прототипом является устройство для получения нагретых газов, содержащее реактор кипящего слоя для конверсии углерода, реактор кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃, реактор для окисления FeO, трубопровод подачи перегретого водяного пара, трубопровод подачи сжатого нагретого воздуха, трубопровод подачи водорода потребителям, трубопровод подачи углекислого газа потребителям, трубопровод подачи горячего воздуха с недостатком кислорода потребителям, канал добавочной загрузки углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃, канал удаления отработанного углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃, канал удаления отработанного оксида кальция CaO и золы, циклон, связанные между собой технологическими и линейными перетоками (патент RU №2290428, МПК C10J 3/54, 27.12.2006).

Недостатки известного устройства:

1. Для первоначального запуска в работу реактора кипящего слоя для конверсии углерода, реактора кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃ и последующего поддержания реакции газификации необходим подвод тепловой энергии в кипящий слой, который на практике осуществляется путем разогрева кипящего слоя с помощью погружных газовых горелок, а при последующей работе для нагрева угля расходуется теплота перегретого водяного пара, что увеличивает топливные затраты на получение нагретых газов.

2. Для поддержания температуры кипящего слоя необходим подвод перегретого высокотемпературного водяного пара, получение которого связано сжиганием топлива в дополнительном парогенераторе, что также увеличивает топливные затраты на получение нагретых газов.

3. Для поддержания реакции окисления оксида железа FeO до Fe₂O₃ кислородом воздуха в известном устройстве расходуется теплота на нагрев частиц FeO, выделяющаяся при сгорании угля, что увеличивает топливные затраты на получение нагретых газов.

Задачей изобретения является разработка конструкции установки для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала, в которой устранены недостатки прототипа.

Техническим результатом является снижение топливных затрат при получении нагретых газов.

Технический результат достигается тем, что в установке для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала, содержащей технологически связанные между собой реактор кипящего слоя для конверсии углерода с трубопроводом подачи водорода потребителям, реактор кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃ с трубопроводом подачи углекислого газа потребителям, циклон с трубопроводом подачи горячего воздуха с недостатком кислорода потребителям и реактор для окисления оксида железа FeO, при этом реактор кипящего слоя для конверсии углерода имеет загрузочную горловину для загрузки углеродсодержащего материала, трубопровод подачи перегретого водяного пара, канал добавочной загрузки оксида кальция CaO, канал удаления отработанного оксида кальция CaO и золы, реактор кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃ соединен верхним и нижним технологическими перетоками с реактором кипящего слоя для конверсии углерода и имеет трубопровод подачи перегретого водяного пара, канал добавочной загрузки углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃, канал удаления отработанного углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃, а реактор для окисления оксида железа FeO имеет трубопровод подачи сжатого нагретого воздуха и связан нижним линейным перетоком с реактором кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃, а верхним линейным перетоком с циклоном, который соединен с реактором кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃, согласно настоящему изобретению в качестве углеродсодержащего материала используют измельченную древесину, из которой получают древесный уголь, для чего в установку дополнительно введена пиролизная печь, которая содержит топку с каналом отвода печных продуктов сгорания, загрузочный шлюз с каналом подачи измельченной древесины, выгрузочный шлюз для частиц древесного угля, наклонную форкамеру, реторту для пиролиза древесины с каналом отвода пиролизного газа потребителям, связанную через выгрузочный шлюз и наклонную форкамеру с загрузочной горловиной реактора кипящего слоя для конверсии углерода, при этом реторта для пиролиза древесины имеет пароперегреватель с трубопроводом подачи влажного водяного пара на перегрев и внутреннюю горелку для сжигания пиролизного газа в топке, причем пароперегреватель соединен с трубопроводом подачи перегретого водяного пара в реактор кипящего слоя для конверсии углерода и реактор кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃, а также внешнюю горелку с дутьевым вентилятором и воздухоподогреватель сжатого воздуха, соединенный с нагнетателем сжатого воздуха, который соединен с каналом всасывания атмосферного воздуха, причем воздухоподогреватель сжатого воздуха соединен трубопроводом подачи сжатого нагретого воздуха с реактором для окисления оксида железа FeO.

Таким образом, технический результат достигается путем применения для разогрева кипящего слоя теплоты получаемого древесного угля, а также путем получения перегретого водяного пара и нагревом воздуха непосредственно в самой установке.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена конструкция предлагаемой установки для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала.

На фиг. 1 позициями обозначены следующие элементы и узлы:

1 - реактор кипящего слоя для конверсии углерода,

2 - реактор кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃,

3 - реактор для окисления оксида железа FeO,

4 - трубопровод подачи перегретого водяного пара,

5 - трубопровод подачи сжатого нагретого воздуха,

6 - трубопровод подачи водорода потребителям,

7 - трубопровод подачи углекислого газа потребителям,

8 - трубопровод подачи горячего воздуха с недостатком кислорода потребителям,

9 - канал добавочной загрузки углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃,

10 - канал удаления отработанного углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃,

11 - канал удаления отработанного оксида кальция CaO и золы,

12 - циклон,

13 - реторта для получения древесного угля,

14 - пиролизная печь,

15 - канал подачи измельченной древесины,

16 - топка пиролизной печи,

17 - загрузочный шлюз измельченной древесины,

18 - канал отвода печных продуктов сгорания,

19 - канал отвода пиролизного газа потребителям,

20 - внутреняя горелка для сжигания пиролизного газа в топке,

21 - внешняя горелка,

22 - дутьевой вентилятор,

23 - нагнетатель сжатого воздуха,

24 - канал всасывания атмосферного воздуха,

25 - канал добавочной загрузки оксида кальция CaO,

26 - пароперегреватель,

27 - выгрузочный шлюз для частиц древесного угля,

28 - воздухоподогреватель сжатого воздуха,

29 - трубопровод подачи влажного водяного пара на перегрев,

30 - частицы древесины,

31 - частицы древесного угля,

32 - частицы оксида кальция CaO,

33 - частицы оксида железа FeO,

34 - частицы гематита Fe₂O₃,

35 - частицы углекислого кальция CaCO₃,

36 - наклонная форкамера,

37 - верхний технологический переток,

38 - нижний технологический переток,

39 - нижний линейный переток,

40 - верхний линейный переток.

Стрелками обозначены направления технологического движения компонентов и рабочих сред.

Установка для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала содержит технологически связанные между собой реактор 1 кипящего слоя для конверсии углерода с трубопроводом 6 подачи водорода потребителям, реактор 2 кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃ с трубопроводом 7 подачи углекислого газа потребителям, циклон 12 с трубопроводом 8 подачи горячего воздуха с недостатком кислорода потребителям, а также реактор 3 для окисления оксида железа FeO. Реактор 1 кипящего слоя для конверсии углерода имеет загрузочную горловину для загрузки углеродсодержащего материала, трубопровод 4 подачи перегретого водяного пара, канал 25 добавочной загрузки оксида кальция CaO, канал 11 удаления отработанного оксида кальция CaO и золы. Реактор 2 кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃ соединен верхним 37 и нижним 38 технологическими перетоками с реактором 1 кипящего слоя для конверсии углерода. Реактор 2 кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃ имеет трубопровод 4 подачи перегретого водяного пара, канал 9 добавочной загрузки углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃, канал 10 удаления отработанного углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃. Реактор 3 для окисления оксида железа FeO имеет трубопровод 5 подачи сжатого нагретого воздуха и связан нижним линейным перетоком 39 с реактором 2 кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃, а верхним линейным перетоком 40 с циклоном 12. Циклон 12 соединен с реактором 2 кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃.

Отличием предлагаемой установки является то, что в качестве углеродсодержащего материала используют измельченную древесину, из которой получают древесный уголь, для чего в установку дополнительно введена пиролизная печь 14.

Пиролизная печь 14 содержит топку 16 с каналом 18 отвода печных продуктов сгорания, загрузочный шлюз 17 с каналом 15 подачи измельченной древесины, выгрузочный шлюз 27 для частиц 31 древесного угля, наклонную форкамеру 36, реторту 13 для пиролиза древесины с каналом 19 отвода пиролизного газа потребителям, а также внешнюю горелку 21 с дутьевым вентилятором 22 и воздухоподогреватель 28 сжатого воздуха.

Реторта 13 для пиролиза древесины технологически связана через выгрузочный шлюз 27 и наклонную форкамеру 36 с загрузочной горловиной реактора 1 кипящего слоя для конверсии углерода.

Реторта 13 для пиролиза древесины имеет пароперегреватель 26 с трубопроводом 29 подачи влажного водяного пара на перегрев и внутреннюю горелку 20 для сжигания пиролизного газа в топке 16, причем пароперегреватель 26 соединен с трубопроводом 4 подачи перегретого водяного пара в реактор 1 кипящего слоя для конверсии углерода и реактор 2 кипящего слоя для разложения углекислого кальция CaCO₃.

Воздухоподогреватель 28 сжатого воздуха соединен с нагнетателем 23 сжатого воздуха, который соединен с каналом 24 всасывания атмосферного воздуха. Воздухоподогреватель 28 сжатого воздуха соединен трубопроводом 5 с реактором 3 для окисления оксида железа FeO.

Назначение и взаимодействие элементов и узлов следующее.

Реактор 1 кипящего слоя для конверсии углерода конструктивно представляет герметичную теплоизолированную емкость (на фиг. 1 тепловая изоляция условно не показана), имеющую внизу на поде грибообразные сопла, через которые непрерывно продувается перегретый водяной пар, подаваемый через трубопровод 4. Необходимый для конверсии углерод в виде частиц 31 древесного угля размером до 12 мм получают непосредственно в составе установки в реторте 13, расположенной внутри пиролизной печи 14, из частиц 30 измельченной древесины, поступающих по каналу 15 подачи измельченной древесины через загрузочный шлюз 17.

Из реторты 13 в реактор 1 частицы 31 нагретого древесного угля с остаточными нагретыми газообразными продуктами пиролиза поступают через наклонную форкамеру 36. Так как на нагрев древесного угля и газообразных продуктов не расходуется дополнительная теплота, то за счет этого достигается экономия топлива при получении нагретых газов в заявляемой установке по сравнению с известным устройством.

Получение перегретого водяного пара, который по трубопроводу 4 подается в реактор 1 и реактор 2, производится путем подачи через трубопровод 29 влажного водяного пара на перегрев в пароперегреватель 26, размещенный в реторте 13 и в топке пиролизной печи 14 за счет теплоты процесса пиролиза древесины в реторте 13 и за счет теплоты сжигания выделяющегося пиролизного газа во внутренней горелке 20. Так как перегрев влажного водяного пара производится непосредственно в составе пиролизной печи 14, то за счет этого достигается экономия топлива при получении нагретых газов в заявляемой установке по сравнению с известным устройством. При этом снижается температура отводимых по каналу 18 печных продуктов сгорания.

В реакторе 1 при температуре 800…850°C во псевдоожиженном кипящем слое происходит реакция взаимодействия углерода, находящегося в составе частиц 31 древесного угля, и перегретого водяного пара, подводимого по трубопроводу 4, с выделением углекислого газа CO₂ и водорода H₂:

C+2H₂O=CO₂+2H₂

В реакторе 1 также протекает реакция взаимодействия частиц 32 оксида кальция CaO с образующимся углекислым газом CO₂ с выделением некоторого количества дополнительной теплоты:

CaO+CO₂=CaCO₃

Необходимый для поглощения углекислого газа CO₂ мелкодисперсный порошок из частиц 32 оксида кальция CaO при первичном пуске и добавочной загрузке подается в реактор 1 сверху через герметичный канал 25 добавочной загрузки.

Псевдоожижение частиц 31 древесного угля перегретым водяным паром производится при давлении 6…8 кГ/см². Давление выбирается исходя из создания требуемой высоты кипящего слоя, обусловленной также размером частиц 32 оксида кальция CaO.

Отработанный оксид кальция CaO и зола удаляются из реактора 1 через канал 11 с герметичным затвором, расположенный в поде реактора 1 (на фиг. 1 конструкция затвора не показана). Отработанными считаются крупные частицы CaO в смеси с золой, которые непригодны для создания псевдоожиженного кипящего слоя.

Получающийся технически чистый водород H₂ со степенью чистоты 98…99% отводится через трубопровод 6 подачи водорода потребителям с регулировочным затвором (на фиг. 1 конструкция затвора не показана).

По верхнему технологическому перетоку 37, представляющему собой наклонный теплоизолированный трубопровод, с верхней зоны реактора 1 производится отвод частиц CaCO₃ и углерода C в составе древесного угля в реактор 2, в который также снизу подается перегретый водяной пар через трубопровод 4 при давлении 6…8 кГ/см² и сверху добавляются частицы 34 мелкозернистого гематита Fe₂O₃ из циклона 12.

В реакторе 2 при температуре около 1020…1050°C протекают реакции разложения CaCO₃ и соединения углерода, содержащегося в угле, с гематитом Fe₂O₃:

CaCO₃→CaO+CO₂

C+Fe₂O₃=CO₂+FeO

Образующийся в реакторе 2 нагретый углекислый газ CO₂ отводится потребителям через верхний трубопровод 7 с затвором (на фиг. 1 конструкция затвора не показана). Образующиеся частицы 33 оксида железа FeO отводятся через нижний линейный переток 39 в реактор 3.

По нижнему технологическому перетоку 38 частицы 32 оксида кальция CaO, получаемые в результате разложения углекислого кальция CaCO₃ в реакторе 2, отводятся в реактор 1.

Отработанные частицы углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃ удаляются через канал 10 с затвором, расположенный в поде реактора 2 (на фиг. 1 конструкция затвора не показана). Отработанными являются частицы, которые имеют большие размеры или неоднородный химический состав и плотность и не участвующие в создании псевдоожиженного кипящего слоя.

Через канал 9 с затвором (на фиг. 1 конструкция затвора не показана) вводится необходимое дополнительное количество углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃.

В теплоизолированном реакторе 3 при температуре 1300…1370°C происходит окисление частиц 33 оксида железа FeO до частиц 34 гематита Fe₂O₃ кислородом нагретого сжатого воздуха, подаваемого по трубопроводу 5, по экзотермической реакции

4FeO+O₂=2Fe₂O₃

Атмосферный воздух по каналу 24 забирается снаружи нагнетателем 23, подогревается в воздухоподогревателе 28 топки 16 и далее под давлением 6…8 кГ/см² подается снизу в реактор 3. Подогрев атмосферного воздуха происходит за счет теплоты от сжигания в топке 16 пиролизного газа, который является побочным продуктом при получении древесного угля, с помощью внутренней горелки 20. За счет подогрева воздуха утилизируемым теплом продуктов сгорания пиролизного газа в процессе получения углерода в составе древесного угля достигается экономия топлива в заявляемой установке по сравнению с известным устройством.

В известном устройстве нагрев воздуха происходит за счет газовой турбины, работа которой связана с большими расходами топлива на привод компрессора, на нагрев топлива, на нагрев воздуха и на нагрев камеры сгорания. Кроме того, кислород воздуха в составе продуктов сгорания после газовой турбины является остаточным, и для окисления частиц 33 оксида железа FeO до частиц 34 гематита Fe₂O₃ воздуха требуется больше по сравнению с предлагаемой установкой, имеющей электропривод.

Пылегазовый поток из реактора 3 поступает по верхнему линейному перетоку 40 в циклон 12, в котором частицы 34 гематита Fe₂O₃ отделяются от нагретого воздушного потока с недостатком кислорода, и этот воздушный поток направляется по трубопроводу 8 потребителям для дальнейшего использования. Отделившиеся частицы 34 гематита Fe₂O₃ поступают в реактор 2.

Теплоизолированная пиролизная печь 14 предназначена для первоначального нагрева реторты 13 с помощью внешней горелки 21 путем сжигания газообразного или жидкого топлива в потоке воздуха, подаваемого дутьевым вентилятором 22. Топливоподающие элементы внешней горелки 21 условно не показаны.

После разогрева реторты 13 и начала процесса пиролиза древесины в реторте 13 подача топлива во внешнюю горелку 21 прекращается и дутьевой вентилятор 22 подает воздух только для сжигания пиролизного газа при помощи внутренней горелки 20, в которой сжигается только часть пиролизного газа, образующегося во внутренней реторте 13 при получении углерода в составе древесного угля. Остальная часть пиролизного газа отводится через канал 19 потребителям и в конечном итоге представляет собой экономию топлива по сравнению с известным устройством.

Предлагаемая установка для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала работает следующим образом.

Производится предварительная загрузка реакторов 1 и 2 необходимым для возбуждения реакций количеством частиц оксида кальция CaO, углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃.

Мелкоизмельченная древесина загружается через канал 15 и шлюз 17 в реторту 13. Включается внешняя горелка 21 с дутьевым вентилятором 22 и подается газообразное или жидкое топливо, воспламеняемое при помощи запальника (на фиг. 1 запальник условно не показан) для первоначального пуска пиролизной печи 14 в работу для разогрева реторты 13 и осуществления процесса получения углерода в составе частиц 31 древесного угля посредством пиролиза частиц 30 древесины.

Непосредственно процесс пиролиза протекает без доступа воздуха при некотором избыточном давлении в реторте 13 при температуре в реторте 500…600°C на завершающей стадии.

В процессе пиролиза образуется пиролизный газ следующего состава:

Начало активной стадии процесса пиролиза характеризуется выходом пиролизных газов через внутреннюю горелку 20 в топку 16, в которой пиролизные газы первоначально воспламенятся от факела внешней горелки 21 и затем сгорают с выделением теплоты, идущей на перегрев водяного пара и получение горячего воздуха.

С наступлением активной стадии пиролиза подача топлива во внешнюю горелку 21 прекращается. Подаются влажный пар на перегрев по трубопроводу 29 и воздух по каналу 24 нагнетателем сжатого воздуха 23 для нагрева с целью получения перегретого пара и получения горячего воздуха.

Количество используемого пиролизного газа в топке 16 регулируется задвижкой во внутренней горелке 20 (на фиг. 1 задвижка не показана).

После прогрева внутренних объемов реакторов 1, 2 и 3 перегретым водяным паром и горячим воздухом в реактор 1 подается нагретый древесный уголь из реторты 13 путем открытия выгрузочного шлюза 27. Высота псевдоожиженного слоя в реакторах 1 и 2 регулируется путем изменения количества подаваемого снизу через трубопровод 4 перегретого водяного пара и количества частиц оксида кальция CaO, углекислого кальция CaCO₃ и гематита Fe₂O₃.

Таким образом, использование заявленного изобретения позволит снизить топливные затраты при получении нагретых газов.