Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА И ГАЗОГЕНЕРАТОР ОБРАЩЕННОГО ПРОЦЕССА ГАЗИФИКАЦИИ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Группа изобретений относится к области горения и газификации твердых топлив и предназначена для получения генераторного газа, в том числе силового или синтетического газа, в области производства электрической и тепловой энергии или полигенерации, т.е. одновременной выработки продукции с высокой добавочной стоимостью, таких как, синтетическое жидкое топливо (СЖТ), метанол и пр., и электрической и тепловой энергии из подготовленного низкосортного твердого топлива. В качестве топлива могут быть использованы брикеты, полученные из отходов углеобогащения, высоковлажных и высокозольных низкосортных углей, местных низкосортных топлив, таких как, торф, биомасса, различного рода отходов, включая твердые бытовые отходы.

Газификация прямого процесса в плотном слое является исторически наиболее ранним и, к настоящему времени, наиболее отработанным практически на всех видах твердого топлива, включая биомассу, и надежным методом. Однако существует серьезная проблема использования газогенераторов этого типа - это наличие в составе газа большого количества продуктов пиролиза органического топлива в виде различного рода смол, фенолов, аммиака и других загрязняющих веществ, препятствующих прямому использованию газа. Очистка газа от этих вредных примесей требует значительных затрат и является серьезной экологической проблемой.

Используемые в настоящее время в мире газогенераторы обращенного процесса (ГОП) в плотном слое, производящие газ с минимальным количеством вредных смол, являются относительно маломощными и не превышают 1,5 МВт по генераторному газу. Увеличению единичной мощности ГОП препятствует невозможность получения равномерного горизонтального фронта горения без дополнительных технических мер, таких, как выравнивающие сетки, пережимы, вращающийся наклонный реактор, вращающаяся штанга и колосниковая решетка в установках Lurgi и атмосферных газогенераторах, которые все равно не гарантируют требуемый результат. Нарушение равномерности горения по слоям приводит к тому, что часть процессов развивается параллельно. В итоге из аппарата выносятся кроме конечных продуктов, в случае газификации - СО и Н₂, еще и промежуточные продукты экзотермических реакций, необходимых для поддержания автотермичности процесса, таких как продукты пиролиза топлива и сажи.

При анализе существующего уровня техники можно отметить, что большинство современных конструкций отечественных и зарубежных ГОП реализуют классическую схему «Имберт» (первого поколения), ранее широко использовавшуюся в транспортных газогенераторах, характеризующихся однозонным подводом воздуха и «низким слоем» (Рамбуш Н.Е. Газогенераторы. ГОНТИ. 1939. С. 413). Результатом является газ с теплотой сгорания Q_i^r ~ 4,6-6,2 МДж/нм³ и содержанием смол до 1000 мг/м³ и сажи до 300 мг/м³, что почти на порядок превышает допустимые даже для ДВС и ГТУ пределы загрязненности.

Сегодня в мировой практике к качеству генераторного газа предъявляются более жесткие требования. Для обеспечения срока службы стационарных двигателей 50000-60000 часов концентрация смол в газе не должна превышать 10÷100 мг/м³, а твердых частиц - 10÷50 мг/м³. Что касается требований к чистоте газа для синтеза СЖТ, метанола и др. химической продукции, то по содержанию масел, частиц и сероводорода их количество должно приближаться к нулю.

Для снижения смолосодержания создаются установки малой мощности по схеме с двумя подводами воздуха в плотный слой, за счет чего высокотемпературная кислородная зона горения летучих растягивается по высоте, а в зону пиролиза подается воздух для частичного сжигания пиролизных газов и прогрева слоя мелких топливных частиц, практически непроницаемого для токов свободной конвекции из зоны горения. При этом конечное содержание смолы в полученном сыром газе составляет 1-35 мг/нм³ (A review of the primary measures for tar elimination in biomass gasification processes. L. Devi, K.J Ptasinski, F.J.J.G. Janssen // Biomass and Bioenergy. 2003. №24. pp. 125-140).

Недостатками подобных конструкций являются невозможность обеспечения полного сжигания продуктов пиролиза и последующего восстановления продуктов сгорания в реакторе газогенератора для получения максимального количества СО. Кроме того, увеличение производительности более 100 кВт по топливу на мелком топливе невозможно в силу значительного гидравлического сопротивления слоя и его тепловой неравномерности, ведущей к ухудшению разложения парогазовых продуктов пиролиза в процессе газификации.

Ближайшим аналогом заявленной группы изобретений, выбранным в качестве прототипа, является предложенная в патенте на полезную модель экспериментальная лабораторная установка с тремя зонами горения для получения генераторного газа (RU №66007, F23C 3/00, 27.08.2007), исследованная в Уральском Федеральном Университете (УГТУ-УПИ).

Установка для получения силового газа содержит реактор, выполненный в виде кварцевой трубы, в верхней части которого установлен топливный бункер, в нижней части реактора размещена колосниковая решетка, а в средней его части расположены воздухоподводящие трубы. Реактор снабжен каверной для сжигания продуктов пиролиза, размещенной между зонами пиролиза и газификации и образованной с помощью решетки, площадь которой составляет 35-45% площади поперечного сечения реактора. Объем каверны определяется нормативным объемным теплонапряжением при сжигании бедных газов.

Топливо поступает в реактор из бункера под действием силы тяжести и образует плотный слой на колосниковой решетке.

Первичный воздух подают в первую зону - зону горения (пиролиза) с примерным расходом в количестве 25-30% от общего расхода воздуха на установку для организации окислительной среды пиролиза, в которой осуществляют частичное окисление парогазовых продуктов пиролиза, снижающее концентрацию углеводородов как конденсирующихся, так и газообразных.

Вторичный воздух подают в каверну, расположенную во второй – средней, зоне установки с примерным расходом в количестве 25-30% для дожигания продуктов пиролиза до конечных продуктов полного сгорания. Теплоту этого процесса используют для прогрева слоя и интенсификации пиролиза. Каверна организована в слое газифицируемого топлива путем размещения специальной решетки, занимающей 35-45%) сечения площади реактора. Высота каверны составляет 100-120 мм и обеспечивает необходимую гидравлическую неравномерность в слое, которая и определила преимущественное движение парогазовых продуктов из зоны пиролиза через решетку в полость каверны.

Третичный воздух подают в третью – нижнюю, зону лабораторной установки с примерным расходом в количестве 40-50% от общего расхода для повышения температуры в зоне газификации, увеличения доли СО в газе и снижения концентрации конденсирующихся углеводородов.

Отработанный на лабораторной установке способ газификации, заключающийся в разделении процесса на три зоны горения и раздельной подаче воздуха по этим зонам, позволяет получить из слабометаморфизированного топлива газ с максимальным содержанием СО, превосходящим его количество в газе древесно-угольных газогенераторов горизонтального процесса, минимальным - СО₂, Н₂ и СН₄. Состав полученного газа: СО=34-37%, Н₂=2,5%, СН₄=0%, СО₂=0%, N₂ - по разности. Смолы обнаружены не были.

Основным недостатком прототипа является невозможность его масштабирования для увеличения его единичной мощности. Связано это в основном с невозможностью организации в реакторе каверны или нескольких каверн для окисления пиролизного газа без нарушения равномерности потока топлива, в то время как современное производство малотоннажных установок по производству СЖТ, метанола и др. химических продуктов из твердого топлива, с генерацией максимального количества электрической и тепловой энергии для покрытия собственных нужд, требует газогенераторы с единичной мощностью по топливу более 30 МВт.

Следует добавить, что в любом промышленном газогенераторе, даже малой мощности, любое конструктивное вмешательство в поток топлива в реакторе, связанное с организацией в нем каверны, значительно снижает надежность работы газогенератора в целом. По сути дела каверна будет представлять препятствие на пути потока столба топлива, идущего вниз под силой тяжести.

Задачей заявленной группы изобретений является создание газогенератора, использующего широкий спектр низкосортных твердых топлив с заданной единичной мощностью и заданными характеристиками генераторного газа, в том числе силового или синтетического, для установок когенерации (выработки электрической и тепловой энергии) или полигенерации (совместной выработки конкретного углеводородного или химического продукта с энергетическими продуктами).

Технический результат группы изобретений заключается в увеличении мощности газогенератора и получении газа без смол, сажи и углеводородов.

Указанный технический результат при реализации заявленного способа получения генераторного газа достигается за счет разделения процесса на три зоны горения и раздельной подачи воздуха по этим зонам, позволяющего структурно отделить процессы, происходящие в этих зонах, друг от друга, причем процесс газификации осуществляют в автотермическом режиме под заданным давлением от атмосферного до 3,0 МПа, зависящим от способа использования генераторного газа, и при регулируемой подаче воздуха в каждую зону горения, при этом в первую зону подают воздух в количестве 15-20% от общего расхода воздуха на газогенератор и осуществляют пиролиз топлива, при котором из него выделяются все парогазовые вещества и конечным продуктом получают полукокс; во вторую зону подают воздух в количестве 50-60% от общего расхода воздуха на газогенератор для дожигания парогазовых продуктов пиролиза топлива, при котором конечным продуктом является парогазовые продукты сжигания пиролизных газов, включающие безопасные элементы - влагу, углекислый газ и азот дутьевого воздуха; в третьей зоне регулируют подачу воздуха и водяного пара и осуществляют газификацию полукокса, при этом в нее поступают три потока - полукокс из первой зоны, парогазовые продукты сжигания пиролизных газов из второй зоны и воздух в количестве 30-35% от общего расхода воздуха на газогенератор, определяемого заданным режимом газификации, при этом воздух, подаваемый в третью зону, смешивают с паром для регулирования температуры газификации и предотвращения зашлаковки процесса, в результате получают генераторный газ с заданными количественными и качественными характеристиками без содержания смол и других вредных веществ.

Указанный технический результат при реализации газогенератора обращенного процесса газификации с тремя зонами горения достигается тем, что он включает топливный бункер, колосниковую решетку, систему раздельной подачи воздуха по всем зонам горения, причем газогенератор состоит из двух блоков, основного и вынесенного. Основной блок выполнен в виде реактора пиролиза и газификации топлива, в котором части реактора, осуществляющие пиролиз топлива и газификацию полукокса, выполнены в виде вертикальных цилиндрических каналов, а промежуточная между ними часть реактора, осуществляющая спуск полукокса из зоны пиролиза топлива в зону газификации полукокса, выполнена конически сужающейся. Дополнительно, основной блок содержит систему подачи воздуха в первую зону горения - зону пиролиза топлива, выполненную в виде раздающих сопел, фурмы сбора и отвода пиролизных газов, которые расположены в нижней части верхнего цилиндрического канала, систему ввода продуктов дожигания пиролизных газов и воздуха в зону газификации через сопла, установленные в сечении перехода от конической части в нижнюю цилиндрическую часть канала, фурмы сбора и отвода генераторного газа, расположенные в нижней части зоны газификации полукокса и зольный канал, заканчивающийся колосниковой решеткой.

Вынесенный блок представляет собой систему дожигания пиролизных газов из фурм сбора и отвода пиролизных газов и выполнен в виде сосуда, состоящего из двух последовательных камер, работающих под давлением, - камеры сгорания, в которой дожигают пиролизные газы и смолы, выполненной в виде цилиндрической камеры, экранированной системой охлаждения, и конвективной камеры, в которой охлаждают продукты сжигания пиролизных газов, а также горелки низконапорной по газу с вихревым подводом горячего воздуха, расположенной в верхней части камеры сгорания.

Газогенератор дополнительно снабжен трубопроводом отвода охлажденных продуктов сгорания пиролизных газов из верхней части конвективной камеры в сопла, расположенные в сечении перехода от промежуточной конусной части реактора основного блока в цилиндрическую часть газификации полукокса, колосниковой решеткой с устройством сброса золы в зольную камеру, являющейся промежуточной камерой между зольным каналом и зольной шлюзовой камерой. Система управления приводом колосниковой решетки и клапанами топливной и зольных шлюзовых камер гидравлическая, от единой маслостанции.

Газогенератор обращенного процесса газификации с тремя зонами горения, работающий под давлением, характеризуется следующими особенностями:

В газогенераторе осуществлена декомпозиция процесса газификации, которая подразумевает разложение летучих и восстановление продуктов полного сгорания в отдельных структурных элементах установки. Поскольку процесс протекает в автотермическом режиме, необходимую температуру в каждом элементе поддерживают путем горения. Для этого в каждую зону горения осуществляют регулируемую подачу воздуха с определенным расходом. Декомпозиция процесса газификации позволяет получить практически бессмольный газ, а выбор рабочих режимов каждой зоны горения позволяет получить газ с заданным соотношением СО/Н₂.

Газогенератор структурно выполнен в двухблочном варианте - основной блок - это реактор пиролиза и газификации и вынесенный блок - блок дожигания пиролизных газов.

Газогенератор выполнен для работы под заданным давлением до 3,0 МПа. При этом рабочее давление газогенератора определяется как технологическим процессом потребителя газа (давление газа перед электрогенерирующим устройством или перед соответствующим реактором синтеза СЖТ или метанола), так и требуемой производительностью установки по газу.

Конструкция газогенератора позволяет получить высокий (до 90%) термический КПД его работы, при химическом КПД газификации до 85-87%.

На Фиг. 1 представлена конструкция газогенератора обращенного процесса газификации, который состоит из двух блоков, основного и вынесенного. Основной блок включает в себя топливный бункер 1; топливную шлюзовую камеру 2, работающую под переменным давлением; систему подачи дутьевого воздуха в первую зону горения, выполненную в виде раздающих сопел 3; реактор 4, который состоит из вертикального цилиндрического канала 5 футерованного изнутри теплоизоляционным и износоустойчивым материалом, расположенного в верхней части реактора 4 и являющегося первой зоной горения (зона пиролиза); вертикального канала 6, конически сужающегося по высоте, футерованного изнутри теплоизоляционным и износоустойчивым материалом и служащего для спуска полукокса из зоны пиролиза в зону газификации; цилиндрического канала 7, расположенного в нижней части реактора, являющегося третьей зоной горения - зоной газификации полукокса. В сечении перехода от конически сужающегося вертикального канала 6 к цилиндрическому каналу 7 расположены сопла 8 ввода продуктов сжигания пиролизных газов и паровоздушного дутья. Фурмы 17 сбора и отвода генераторного газа расположены в нижней части цилиндрического канала 7. Реактор 4 также включает в себя зольный канал 10, располагающийся ниже цилиндрического канала 7 и выполняющий роль «зольной подушки», предохраняющей от пережога колосниковую решетку 11, выполненную в виде плоского дна со спиральным оребрением и устройством сброса золы в зольную камеру 19, работающую под давлением и служащую в качестве соединяющей промежуточной камеры между зольным каналом 10 и зольной шлюзовой камерой 13. Гидравлическая система управления приводом колосниковой решетки 11 и клапанами 12 топливной 2 и зольной 13 шлюзовых камер работает от единой маслостанции. Часть реактора 4, включающая в себя зону газификации полукокса 7 и зольный канал 10, выполнена водоохлаждаемой и включена в единый контур охлаждения газогенератора с единым паросборником.

Вынесенный блок 14 предназначен для дожигания пиролизных газов и представляет собой двухкамерный сосуд, установленный непосредственно у основного блока, работающий под давлением и состоящий из двух последовательных камер - камеры сгорания 15, имеющей цилиндрическую форму, и конвективной 16; трубопровода сбора и отвода пиролизных газов из фурм 9, установленных в нижней части вертикального цилиндрического канала 5 реактора 4, и подачи их в горелку 18, являющуюся низконапорной по газу с вихревым вводом горячего воздуха, установленную в верхней части камеры сгорания 15, трубопровода отвода продуктов сжигания пиролизных газов из верхней части конвективной камеры 16 в сопла 8 ввода продуктов сжигания пиролизных газов и паровоздушного дутья, реактора 4. Камера сгорания 15 и конвективная 16 камеры выполнены водоохлаждаемыми и включены в единый контур охлаждения газогенератора с единым паросборником.

Конструктивно первая зона, зона пиролиза, включает в себя сопла ввода дутьевого воздуха 3, вертикальный цилиндрический канал 5 реактора 4 и фурмы 9 сбора и отвода пиролизных газов.

Вторая зона, зона дожигания парогазовых продуктов пиролиза, включает в себя камеру сгорания 15, конвективную камеру 16 и горелку 18 низконапорную по газу с вихревым подводом горячего воздуха.

Третья зона, зона газификации полукокса, включает в себя сопла 8 ввода продуктов сжигания пиролизных газов и паровоздушного дутья, цилиндрический канал 7 реактора 4 и фурмы сбора и отвода генераторного газа 17.

Газогенератор обращенного процесса газификации работает следующим образом.

Брикетированное топливо подают из топливного бункера 1 через топливную шлюзовую камеру 2 в первую зону горения, зону пиролиза, расположенную в верхней части реактора 4, в которую через систему раздающих сопел 3 подают регулируемый расход горячего воздуха. В первой зоне горения реактора газогенератора 5 осуществляют пиролиз - сушку топлива, его карбонизацию с выделением летучих и горючих компонентов. Количество подаваемого воздуха порядка 15-20% от общего расхода воздуха на газогенератор контролируют температурой пиролизных газов, которую необходимо поддерживать в пределах 500-550°C.

В нижней части первой зоны - зоны пиролиза происходит разделение газообразных и твердофазных продуктов термообработки топлива; парогазовые продукты отводят из первой зоны 5, расположенной в основном блоке, через фурмы сбора и отвода пиролизных газов 9 и подают в низконапорную по газу горелку 18 с вихревым подводом горячего воздуха порядка 50-60% от общего расхода воздуха на газогенератор, установленную в верхней части камеры сгорания 15, расположенной в вынесенном блоке. Камера сгорания 15 представляет собой цилиндрический канал, экранированный мембранной панелью из труб ∅60×6 мм и футерованный огнеупорным материалом с огневой стороны. В этой камере осуществляют выжигание смол, фенолов и других горючих веществ. Вихревую подачу воздуха в низконапорную горелку по газу 18 контролируют и осуществляют в количестве, близком к стехиометрическому, для сжигания пиролизных газов. В нижней части камеры сгорания 15 расположены проходы по периметру (фестонированные трубы экрана), через которые горячие дымовые газы поступают в конвективную камеру 16, где они охлаждаются до 500-600°C.

Поток полукокса из верхней части реактора 4 отдельно отводят вниз по конически сужающемуся каналу 6 в цилиндрический канал 7 - зону газификации газогенератора.

На вход в цилиндрический канал 7 газогенератора поступают три потока - полукокс по коническому каналу 6 из верхней части реактора 4, расположенному в основном блоке, раскаленные газы - продукты сгорания пиролизных газов из конвективной камеры 16, расположенной в вынесенном блоке, и контролируемое воздушное или паровоздушное дутье. Ввод воздушного или паровоздушного дутья осуществляют в трубопровод отвода продуктов сгорания из конвективной камеры 16 вынесенного блока непосредственно перед подачей их через сопла 8 в цилиндрический канал 7 - зону газификации полукокса.

Генераторный газ отбирают через фурмы 17, а золу сбрасывают в зольную шлюзовую камеру 13 через зольную камеру 19, которая работает под давлением и служит в качестве соединяющей промежуточной камеры между зольным каналом 10 и зольной шлюзовой камерой 13. Зольная шлюзовая камера 13 работает под циклически переменным давлением и служит в качестве приемника золы, выгружаемой из газогенератора, и периодически разгружается в механизмы транспортировки золы.

Данный способ газификации и реализующая его конструкция газогенератора позволяет:

- использовать в качестве топлива широкий спектр низкосортных твердых топлив;

- достичь значительного увеличения единичной мощности газогенератора до уровня, превышающего мощности существующих газогенераторов плотного слоя;

- повысить термический КПД установки в целом за счет более полной утилизации физического тепла генераторного газа.

- получить газ без смол, сажи и углеводородов с заданными характеристиками, в том числе с заданным соотношением СО/Н₂.