Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА ГОРЮЧЕГО ГАЗА И РЕАКТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области переработки конденсированных топлив с получением горючего газа и может быть использовано для переработки различных твердых топлив для выработки энергии и, возможно, получения попутных целевых продуктов.

Известно достаточно большое число способов газификации различных твердых топлив в вертикальных многоподовых печах. Во всех этих способах топливо (уголь, сланец, биотопливо, изношенные шины и др.) загружают в реактор через шлюзовую камеру, подают в реактор кислородсодержащий газ (воздух, кислород, парокислородную смесь), а получаемый при неполном сгорании топлива горючий газ выводят из реактора. В некоторых из процессов из реактора выгружают ококсованный твердый материал (например, древесный уголь), являющийся целевым продуктом. Существенным ограничением возможности последующего использования получаемого генераторного газа является наличие в нем пиролизных смол, которые образуют отложения, приводящие к закупорке линий подачи генераторного газа, делают невозможным использование генераторного газа в двигателях внутреннего сгорания (газопоршневых моторах или газовых турбинах). Так, в патенте США 4100032 (МПК² С10В 49/00, опуб. 1977-07-25) описан процесс получения ококсованного лигнита и горючего газа при проведении окислительного пиролиза в реакторе типа вертикальной многоподовой печи. Лигнит загружается на верхний под, откуда карбонизуемый материал последовательно пересыпается на нижележащие поды под действием гребков, закрепленных на центральном валу. Температура в печи после первоначального разогрева инициирующей горелкой поддерживается за счет подачи воздуха на горение на одном или нескольких подах. Поток горячих пиролизных газов направляют с нижележащих подов на вышележащие и выводят из печи с верхнего пода. Горячий ококсованный материал выгружают с нижнего пода в дополнительный охладитель, где остужают через стенку камеры охладителя с тем, чтобы исключить воспламенение ококсованного материала на воздухе. Для того чтобы не допустить отложения пиролизных смол на верхних подах и в магистралях, подают достаточно воздуха для полного их сгорания.

Известен способ сжигания/газификации твердого топлива, фильтрационного осадка канализационного ила, наиболее близкий к заявляемому, описанный в патенте США 5094177 (МПК⁵ F23G 5/0, опуб. 1992-03-10), где также предлагается проводить процесс в вертикальной многоподовой печи. Так же как и в US 4100032, твердое топливо загружается на верхний под, откуда последовательно пересыпается гребками на нижележащие поды. На верхнем поде устанавливается горелка, которая обеспечивает поддержание в печи высокой температуры. Температура в печи поддерживается также за счет подачи дополнительного воздуха на горение на одном или нескольких подах. Однако, в отличие от вышеупомянутого процесса, в процессе US 5094177 газовый поток в реакторе направляют спутно движению твердого материала и отбор пиролизного газа производится с нижнего пода. Твердый остаток горения выгружается горячим с нижнего пода. Спутная организация потоков обеспечивает длительное время пребывания пиролизных газов при высокой температуре и поэтому полноту разложения пиролизных смол.

Однако описанный способ не свободен от недостатков. При необходимости обеспечить полное выгорание углерода из золы (как, например, при сжигании илового осадка, описанном в US 5094177) требуется подавать в реактор дополнительное количество воздуха, что приводит к потере калорийности получаемого газа. При выгрузке из реактора горячего твердого остатка теряется его физическое тепло, с другой стороны, требуется организация специальных устройств для охлаждения твердого остатка (в US 5094177 описывается устройство гидрозатвора).

Из вышесказанного следует техническая задача, решаемая настоящим изобретением, - получение при газификации и пиролизе твердого топлива свободного от пиролизных смол горючего газа с высоким энергетическим выходом, т.е. при низком уровне теплопотерь и высокой калорийности генераторного газа. Дополнительной задачей является обеспечение в процессе управляемого соотношения между получением горючего газа и твердого ококсованного материала. Ококсованным материалом здесь и далее называется твердый материал, подвергнутый нагреванию и содержащий только минеральные компоненты, в том числе углерод (кокс), и не содержащий летучих горючих (например, древесный уголь или каменноугольный кокс).

Поставленная задача решается в предлагаемом способе получения из твердого топлива горючего газа и твердого остатка, включающем загрузку топлива в реактор, выполненный в виде многоподовой печи с числом подов не менее пяти. Твердое топливо загружают на верхний под через шлюзовой затвор. Организуют подачу в реактор кислородсодержащего газа (воздуха, кислорода или обогащенного кислородом воздуха), причем кислород подают в количестве, недостаточном для полного окисления топлива. В реакторе инициируют горение топлива при подаче кислородсодержащего газа и обеспечивают в основном непрерывное перемещение топлива с вышележащих подов на нижележащие. Выгрузку твердого остатка производят с нижнего пода. Газообразные продукты в виде горючего газа выводят из реактора и направляют их потребителю, например, для сжигания в энергопроизводящем устройстве. Новизна предлагаемого способа заключается в том, что кислородсодержащий газ подают на верхний под, инициируют горение на верхнем поде, при этом газовый поток с верхнего пода направляют на нижележащий под и при этом одновременно на нижнем поде организуют зону охлаждения твердого остатка посредством подачи на нижний под кислородсодержащего газа, и/или водяного пара, и/или воды в жидкой фазе и при этом газовый поток с нижнего пода направляют на вышележащий под, а отбор направляемых потребителю газообразных продуктов в виде горючего газа производят с пода не выше третьего сверху и не ниже третьего снизу. При этом поток направляемых потребителю газообразных продуктов складывается из потока газообразных продуктов, поступающих с верхних подов спутно перемещению топлива, и потока газообразных продуктов, поступающих с нижних подов противотоком к перемещению твердого остатка.

Такая организация процесса позволяет, во-первых, обеспечить полное протекание пиролиза твердого топлива, поскольку обеспечивается его длительное пребывание в контакте с потоком горячих продуктов горения. В то же время происходит полное разложение и частично сгорание смол, выделяемых топливом при пиролизе. Водяной пар, выделяемый из топлива при сушке и пиролизе и при частичном окислении пиролизных смол и газов, при высокой температуре реагирует с ококсованным топливом и образует водород, что повышает калорийность получаемого горючего газа. Эти достоинства, присущие процессу со спутными потоками пиролизуемого топлива и газа, удается совместить с достоинствами, присущими противоточным процессам, - возможностью провести охлаждение твердого остатка непосредственно в реакторе, причем физическое тепло твердого остатка передается получаемому горючему газу.

Технический результат при осуществлении предлагаемого способа заключается в получении в едином процессе и с высокой энергетической эффективностью генераторного газа, существенно свободного от пиролизных смол.

В тех случаях, когда ококсованный твердый материал представляет коммерческую ценность, возможно попутно с получением горючего газа добиться получения ококсованного материала с высоким содержанием углерода. Для достижения этой задачи отношение скорости подачи кислородсодержащего газа на нижний под и скорости подачи водяного пара и/или воды регулируют таким образом, чтобы влажное дутье вызывало гашение и остывание твердого ококсованного материала на подах, расположенных ниже пода, с которого производят отбор направляемых потребителю газообразных продуктов.

В случае если получение ококсованного материала не требуется, отношение скорости подачи кислородсодержащего газа на нижний под и скорости подачи водяного пара и/или воды регулируют таким образом, чтобы углерод твердого остатка возможно полно прореагировал с кислородом на подах, расположенных ниже пода, с которого производят отбор направляемых потребителю газообразных продуктов.

Для некоторых трудновоспламенимых, в т.ч. влажных, топлив можно добиться дополнительного улучшения предлагаемого метода. Для стабилизации горения на верхнем поде на верхний под совместно с кислородсодержащий газом подают дополнительное горючее (горючий газ и/или жидкое топливо) и организуют пламя, которое постоянно инициирует и стабилизирует горение топлива на верхнем поде. При этом предпочтительно дополнительное горючее подают в недостатке по отношению к подаваемому кислородсодержащему газу, что обеспечивает окисление пиролизных смол с выделением тепла при взаимодействии с кислородом, подаваемым избыточно по отношению к дополнительному горючему.

В частности, в качестве дополнительного горючего для горелки на верхнем поде подают горючий газ, отбираемый с одного из подов реактора ниже верхнего, но выше нижнего. Подача горючего газа из реактора на верхний под позволяет обеспечить стабилизацию горения без расходования поставляемого извне качественного топлива. Подачу горючего газа в качестве дополнительного горючего при этом осуществляют принудительно, например с помощью вентилятора или предпочтительно посредством эжекции подаваемым кислородсодержащим газом.

Возможно также добиться улучшения в рамках предлагаемого метода, например, в тех случаях, когда требуется перерабатывать медленно прогревающийся материал. Для поддержания высокой температуры на подах ниже верхнего дополнительно подают кислородсодержащий газ на по крайней мере один под, расположенный ниже верхнего, но выше пода, с которого производят отбор газообразных продуктов, направляемых потребителю. При этом подачу кислородсодержащего газа регулируют таким образом, что температуру, по крайней мере на одном из подов, расположенном выше пода, с которого производят отбор направляемых потребителю газообразных продуктов, поддерживают выше 800°С. При температуре ниже этого значения не обеспечивается реакция водяного пара с пиролизными смолами и коксовым остатком. При этом температуру в реакторе поддерживают ниже, чем максимальное значение температуры работоспособности конструкционных материалов.

При реализации описанного выше процесса температуру на нижнем поде предпочтительно поддерживают не выше 100°С посредством регулирования подачи на нижний под воды/пара/кислородсодержащего газа. При этом значении температуры осуществляется достаточно полная рекуперация тепла твердого остатка и исключается самовоспламенение на воздухе ококсованного материала после его выгрузки из реактора.

Для реализации предложенного способа можно использовать устройства многоподовых печей известной конструкции, причем устройство для реализации предлагаемого процесса требует определенных конструктивных изменений по сравнению с известными конструкциями.

Для реализации предлагаемого способа газификации конденсированного топлива предлагается реактор, выполненный в виде вертикальной многоподовой печи с числом подов не менее пяти, например, типа описанного в патенте US 4013023 (МПК² F23G 5/12, опуб. 1977-03-22) - включающее герметичный вертикальный цилиндрический корпус, снабженный теплоизоляцией из огнеупорного материала и подразделяемый горизонтальными подами на ряд подовых пространств, последовательно сообщающихся между собой посредством отверстий в подах, обеспечивающих поступление газов с пода на под, а также пересыпание сыпучих материалов с вышележащего пода на нижележащий. Реактор (многоподовая печь) снабжен загрузочным устройством на верхнем поде и устройством вывода газообразных продуктов, устройством подачи кислородсодержащего газа и устройством выгрузки твердого остатка горения в нижней части газогенератора - на нижнем поде, приводом вращения и вертикальным валом, к которому прикреплены перегребатели с гребками, осуществляющие при вращении оси перемещение сыпучего материала на подах и, таким образом, обеспечивающие пересыпание сыпучего материала с вышележащих подов на нижележащие, а также датчиками температуры в печи. Новизна конструкции печи заключается в том, что многоподовая печь снабжена устройством подачи кислородсодержащего газа и воспламенительным устройством, расположенными на верхнем поде, а устройство вывода газообразных продуктов расположено на поде не выше третьего сверху и не ниже третьего снизу, и при этом на нижнем поде дополнительно расположено устройство подачи кислородсодержащего газа, и/или водяного пара, и/или воды в жидкой фазе.

Можно достичь дальнейшего усовершенствования предложенной выше многоподовой печи, если выполнить ее под, на котором расположено устройство вывода газообразных продуктов, с высотой, не менее чем двукратно превышающей высоту остальных подов. Это увеличение высоты подового пространства способствует уменьшению скорости газового потока и, как следствие, уменьшению запыленности получаемого горючего газа.

Данный ниже пример возможной реализации процесса подтверждает, но не исчерпывает предлагаемый способ пиролиза и газификации конденсированного топлива с получением генераторного газа, свободного от пиролизных смол, и ококсованного твердого остатка. Фиг. 1 иллюстрирует, но не ограничивает возможные реализации процесса и схематически представляет предпочтительный конструктивный вариант предлагаемого реактора.

На Фиг. 1 представлена принципиальная схема возможной реализации процесса в реакторе типа многоподовой печи и показаны основные элементы соответствующего реактора.

Процесс протекает следующим образом.

Твердое топливо через затвор 2 загружают в реактор 1, выполненный в виде многоподовой печи с числом подов, равным двенадцати, на верхний под 3. Загруженные материалы в реакторе перемещаются с вышележащего пода 3 на нижележащий 4, и далее 5, 6… по 14, с помощью гребков 15, закрепленных на непрерывно вращающемся валу 16. На верхнем поде 3 инициируют горение и поддерживают его при подаче воздуха, нагнетаемого вентилятором 17. Воздух подают в количестве, недостаточном для полного окисления топлива. Топливо под действием высокой температуры нагревается и пиролизуется с выделением горючих газов и пиролизных смол и образованием твердого остатка в виде ококсованного материала, причем пиролизные смолы и горючие газы частично окисляются в токе воздуха, подаваемого на под 3, и тем самым поддерживают высокую температуру. Несгоревшие пиролизные смолы под действием высокой температуры разлагаются и частично реагируют с водяным паром, образуя водород и окись углерода. Газовый поток в верхней части реактора направлен спутно движению твердого топлива - последовательно с пода 3 на 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Газообразные продукты, содержащие водород и окись углерода и практически свободные от пиролизных смол, выводят с пода 10 по газоходу 20.

Для обеспечения устойчивого горения на поде 3 дополнительно к воздуху на под 3 также подают по газоходу 18 горючий газ, причем отбирают его с нижележащего пода 7. Переток горючего газа, имеющего сравнительно высокую температуру (ок. 800°С), с пода 7 на под 3 обеспечивают за счет эжекции горючего газа воздухом, который подают на под 3 с высокой скоростью через сопло 19.

На подах с 11 по 14 организуют зону охлаждения твердого остатка, для чего с помощью вентилятора 21 подают на под 14 воздух совместно с водяным паром. Если ставится задача получения ококсованного материала с высоким содержанием углерода, подачу водяного пара регулируют таким образом, чтобы влажное дутье вентилятора 21 вызывало гашение и остывание твердого коксового остатка на поде 14. При этом водяной пар на вышележащих подах 11-13 частично реагирует с нагретым ококсованным топливом, образуя водород и окись углерода. В нижней части реактора газовый поток направлен противотоком к движению твердого топлива - последовательно с пода 14 на 13, 12, 11, 10. Газообразные продукты из нижней части реактора также содержат водород и окись углерода и выводятся с пода 10 по газоходу 20 совместно с продуктами из верхней части реактора. Охлажденный твердый остаток по мере накопления выгружают с пода 14 через шлюзовой затвор 22.

В случае если получение ококсованного топлива не требуется, подачу водяного пара регулируют таким образом, чтобы углерод ококсованного топлива возможно полно прореагировал с воздухом, но при этом температура горения кокса не превышала опасной для конструкции реактора (ок. 1100°С). Твердый остаток при этом не содержит кокса, выгружается из реактора при низкой температуре (что облегчает обращение с ним), а калорийность коксового остатка преобразуется в калорийность газообразных продуктов и их физическое тепло.

Горючий газ, выводимый с пода 10 по газоходу 20, свободен от пиролизных смол и может быть эффективно использован как топливо.

Пример

В реакторе, представленном на Фиг. 1, проводится переработка лузги подсолнечника с получением горючего газа и ококсованного материала - биоугля. Лузгу с влажностью 11% загружают через затвор 2 на верхний под 3 реактора 1 в количестве 800 кг/час. На верхнем поде 3 с помощью инициирующей горелки (на чертеже не показана) инициируют горение шелухи, затем после прогрева реактора горелку отключают и вентилятором 17 подают на верхний под 500 м³ в час воздуха для поддержания горения на поде 3. Для обеспечения устойчивого горения совместно с воздухом на под 3 также подают по газоходу 18 горючий газ с нижележащего пода 7. Переток горючего газа, имеющего температуру около 800°С, с пода 7 на под 3 обеспечивают за счет эжекции горючего газа воздухом, который подают на под 3 с высокой скоростью через сопло 19. Частично пиролизованная лузга с помощью гребков 15, закрепленных на валу 16, пересыпается на нижележащий 4 и далее 5, 6… по 14. Пиролизные смолы и горючие газы, выделяемые при пиролизе, частично окисляются в токе воздуха, подаваемого на под 3, и тем самым поддерживают высокую температуру. Несгоревшие пиролизные смолы под действием высокой температуры разлагаются и частично реагируют с водяным паром, образуя водород и окись углерода. Газовый поток в реакторе направлен спутно движению твердого топлива - последовательно с пода 3 на 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10. Газообразные продукты, содержащие водород и окись углерода и практически свободные от пиролизных смол, выводят с пода 10 по газоходу 20. Для того, чтобы поддержать необходимую для пиролиза и конверсии пиролизных смол с паром высокую температуру 850-900°С на поды 4-7 дополнительно подают от вентилятора 17 до 250 м³ в час воздуха (сопла ввода воздуха на чертеже не показаны).

На подах с 11 по 14 организуют зону охлаждения твердого продукта - ококсованной лузги (биококса), для чего с помощью вентилятора 21 подают на под 14 до 50 м³ в час воздуха и на тот же под подают 30 кг в час воды в жидкой фазе (форсунки ввода воды на чертеже не показаны).

Испарение воды, подаваемой на поде 14, обеспечивает гашение и остывание биококса. При этом водяной пар и кислород воздуха на вышележащих подах 11-13 частично реагируют с нагретым ококсованным топливом, образуя водород и окись углерода. В нижней части реактора газовый поток направлен противотоком к движению твердого топлива - последовательно с пода 14 на 13, 12, 11, 10. Газообразные продукты из нижней части реактора также содержат водород и окись углерода и выводятся с пода 10 по газоходу 20 совместно с продуктами из верхней части реактора.

Охлажденный биококс выгружают по мере накопления с пода 14 через шлюзовой затвор 22. Выход биококса составляет 155 кг/час.

Получаемый горючий газ выводится из реактора с пода 10 по газоходу 20 при температуре ок. 800°С; газ свободен от пиролизных смол, имеет калорийность около 4.9 МДж/нм³ и может быть эффективно использован как топливо. В результате производится 1200 нм³ в час горючего газа (кроме того, совместно с горючим газом выделяется 325 кг/час водяного пара). При сжигании горючего газа в энергетическом устройстве (например, паровом котле) физическое тепло горючего газа также используется для генерации энергии. Суммарная тепловая мощность на горелке составит 2.1 МВт.

Настоящее изобретение предлагает решение технической задачи - получения из твердого топлива в едином непрерывном процессе и с высокой энергетической эффективностью свободного от пиролизных смол генераторного газа и возможность одновременного получения твердого остатка в виде либо ококсованного топлива, либо зольного остатка, свободного от горючих составляющих.