Пароплазмовий реактор для газифікації середовищ, що містять в собі вуглець

Пароплазмовий реактор для газифікації середовищ, що містять вуглець, який включає охолоджувану реакційну камеру, охоплену електромагнітною котушкою, стрижневі електроди, розташовані по осі камери, пристрої для введення реагентів і виведення продуктів газифікації, який 3 Відомий плазмовий реактор [2] для газифікації вугілля, виконаний у вигляді вертикальної циліндричної камери, яка охоплена електромагнітною котушкою, в якому пристрій для підпалу електричної дуги розміщений на кришці камери і поєднаний з вузлом вводу вугілля. В середині вузла вводу розміщено мідний електрод для вводу електричного струму. Вертикальний прямоточний плазмовий реактор не може забезпечити високий ступінь газифікації вугілля, через дуже малий проміжок часу перебування частинки в реакційній високотемпературній зоні. Наприклад, для часток розміром 100-200 мкм цей час повинен бути не меншим за 0,5-1 секунди, а у згаданому випадку він не перевищує 10-20 мілісекунд. Крім того, проходження струму через товщу вугілля з нерегульованими та низькими показниками провідності не може гарантувати стабільність горіння плазмодугового розряду в реакторі. Початкове підпалювання дуги не регламентоване і в даній конструкції не гарантоване. Відомий плазмовий реактор [3] для газифікації вугілля, який додатково забезпечений патрубками для виводу газів, що відходять. Патрубки встановлено у верхній частині циліндричної камери навпроти один одного, при цьому патрубки вводу реагентів та виводу газів розташовані у взаємно перпендикулярних площинах. Наведений плазмовий реактор вертикальний, прямоточний, в якому агент, що газифікується та окислювач проходять зверху, крізь дуговий розряд, і через діафрагму попадають у шлакозбирач. Час перебування часток в реакційній зоні такого реактора невеликий, з цієї причини повнота переробки вуглецю не може бути достатньою. Одним з електродів у реакторі є внутрішня поверхня камери, яка футерована графітом. Конструктивно виконаний він непросто, довговічність його від взаємодії з електричною дугою в середовищі водяної пари обмежена, залежить від величини струму дуги, швидкості її обертання в магнітному полі та інтенсивності охолодження електрода. Відомий трифазний плазмовий реактор [4], який являє собою вертикальну камеру, що охолоджується водою. Всередині камера футерована графітом, а стрижневі електроди введені у камеру крізь верхню кришку. Зовні камера реактора охоплена соленоїдом, який живиться постійним струмом від незалежного джерела. Знизу до камери примикає шлакозбирач, який поєднується з реакційною камерою крізь дроселюючий отвір. Подрібнене вугілля та водяна пара подаються в камеру реактора суцільним струменем крізь канали у кришці. Реагенти, потрапивши у камеру, підхоплюються плазмовими потоками та відкидаються на стінки камери. В об'ємі камери реактора проходить газифікація палива. Шлак крізь дроселюючий отвір стікає в шлакозбирач, а синтез-газ видаляється для подальшого використання. Наведена конструкція забезпечує ступінь газифікації не більше 93 %. В даній конструкції камера реактора футерована графітом. Ця ж футеровка є одним з електродів реактора. Використання водяної пари як 65662 4 компонента газифікації істотно прискорює електроерозію графітової футерівки, що в значній мірі знижує ресурс роботи всього реактора та підвищує витрати коштовних електродів, спеціальної конструкції. Крім того, прямоточна, вертикальна конструкція камери не забезпечує необхідну тривалість перебування палива в реакційній зоні, тому ступінь переробки вуглецю невисока. Найбільш близьким до корисної моделі, що заявляється, є плазмовий реактор [5] для газифікації вугілля (прототип), який являє собою вертикальний водоохолоджуваний циліндр, футерований графітом, зовні охоплений електромагнітною котушкою, що має стрижневий електрод і патрубки для введення реагентів та виведення продуктів газифікації. Реактор відрізняється особливим розташуванням патрубків для введення реагентів і кільцевим пазом на внутрішній стінці реактора. Як окислювач використані димові гази, що вводяться в реактор тангенціальними патрубками. Головний недолік такого плазмового реактора полягає в малому часі перебування палива в реакційній зоні, що зумовлено особливістю його конструкції. Слід припустити, що не всі частинки твердої фази палива, що подаються в реактор, захоплюються обертовим дуговим розрядом. Частина палива, в залежності від швидкості обертання дугового розряду, проходить повз дуговий розряд до дна реакційної камери і через дроселюючий отвір потрапляє до шлакозбирача, Час перебування частинки палива в високотемпературній зоні малий, обчислюється мілісекундами, тоді як для газифікації твердого палива, в залежності від розміру частинок, необхідно 0,5-1 сек. Звідси, головним недоліком вертикальних прямоточних реакторів є низька ступінь газифікації палива. Запропонований кільцевий паз на внутрішній стінці реактора в початковий момент може затримувати стікання частинок палива, відкинутих на стінку дуговим розрядом, проте по мірі його заповнення розплавом мінеральної частини, функції гальмування нівелюються. Використання як окисне середовище димових газів не може забезпечити отримання чистого синтез-газу. У продуктах газифікації неминучий вміст азоту (баласту) до 12 %, який міститься у складі такого окислювача. Крім того, недоліком є обмежений ресурс роботи одного з електродів реактора, виконаного з графіту і який представляє собою футерівку реактора, він постійно знаходиться під дією опорної плями дуги, що обмежує ресурс його роботи. Його виготовлення, ремонт і обслуговування є дорогими і вимагають зупинки реактора. Спільними суттєвими ознаками відомого плазмового реактора і того, що заявляється, є охолоджувана циліндрична реакційна камера, охоплена електромагнітною котушкою, стрижневі електроди, пристрої для введення реагентів і виведення продуктів газифікації. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити конструкцію пароплазмового реактора для газифікації середовищ, що містять вуглець, в якому за рахунок формування зустрічнопересічниго конуса розпилення палива та енергетичного конуса, утвореного обертанням дугового 5 розряду, і попадання палива в ванну шлакового розплаву, яка утворюється внутрішньою поверхнею футерівки реакційної камери, забезпечується багаторазове збільшення часу перебування в реакційній зоні палива, що газифікується, внаслідок чого підвищується ступінь переробки вуглецю до 98-99 %, досягається висока якість одержаного синтез газу, унеможливлюються шкідливі викиди в навколишнє середовище, завдяки застосуванню як окислювача води і водяної пари. Поставлена задача вирішується тим, що пароплазмовий реактор для газифікації середовищ, які містять в собі вуглець, включає охолоджувану реакційну камеру, охоплену електромагнітною котушкою, стрижневі електроди, розташовані по осі камери, пристрої для введення реагентів і виведення продуктів газифікації, згідно з корисною моделлю, стрижневі рухливі електроди розташовуються в реакційній камері горизонтально, а окислювальна камера і шлакозбирач вертикально, подача палива проводиться примусово через осьову порожнину одного з електродів, а торцева поверхня другого електрода розміщується перпендикулярно до осі розпилювання палива, при цьому внутрішня поверхня оболонки, що армує реакційну камеру, утворює ванну для збору розплавленої мінеральної частини, з довжиною більшою довжини дугового розряду в номінальному робочому режимі плазмотрона, а рівень зливу розплаву спрямований у бік окислювальної камери і шлакозбирача, що на порядок забезпечує збільшення часу перебування палива в реакційній високотемпературній зоні. Конус розпилювання палива та енергетичний конус спрямовані зустрічно, перетинаються, що створює додаткові умови для перемішування компонентів палива. Крім того, конус розпилювання палива своєю основою впирається в торцеву поверхню електрода, що унеможливлює часткам палива вийти з реакційної зони шлакозбирача без перешкод. Частки палива, впираючись в протилежний електрод, змінюють траєкторію польоту, а початкова швидкість їх падає до 0. Далі, під дією сили тяжіння, частки палива потрапляють у ванну розплаву мінеральної частини або, підхоплені стовпом дугового розряду, спрямовуються до стінок реакційної камери, звідки також потрапляють у ванну розплаву. Таким чином, час перебування частинок палива в реакційній зоні багаторазово збільшується. Таке конструктивне розміщення елементів в реакторі забезпечує високу інтенсивність використання енергії дугового розряду в процесі газифікації, шляхом інтенсивного перемішування компонентів палива в реакційній зоні і штучне багаторазове збільшення часу перебування в ній частинок що газифікуються. Корисна модель пояснюється кресленням. Плазмово-дуговий реактор складається з реакційної камери 1, що охолоджується водою. Камера розміщується горизонтально, по торцях її на одній вісі розміщені два електроди - катод 2 і анод 3, які ізольовані від металевого корпусу камери і один від одного ізоляторами 4 з жаростійкого матеріалу. Обидва електрода можуть переміщуватись вздовж осі реактора. Переміщенням катода регулюється 65662 6 довжина дугового розряду, потужність реактора, виконується його запуск. Катод 2 переміщується за допомогою регулятора потужності 5, керованого з пульта управління (на кресленні не показаний). Анод, по мірі його вигоряння, переміщується періодично, за допомогою спеціального механізму 6. Паливо примусово подається через осьову порожнину 7 в аноді 3, шнеком 8 з наступним його розпиленням сопловою насадкою 9. У якості транспортуючого газу в сопловій насадці використовується перегріта водяна пара, що отримується в теплообміннику 10, який розташований у шлакозбирачі 11. Шлакозбирач розміщується у вертикальній площині по відношенню до реакційної камери і з'єднується з нею окислювальною камерою 12. Внутрішня поверхня реакційної камери армована оболонкою 13 з графіту і розміщується на ізоляторах 14. Геометрія внутрішньої поверхні оболонки увігнута, утворює поглиблення, витягнуте уздовж осі камери 1 і являє собою ванну 15, в якій збирається рідкий розплав мінеральної частини палива і твердий залишок, який не завершив процес газифікації. Так як середньомасова температура у ванні така ж, як і в реакційній камері, процес газифікації тут продовжується. Щоб всі частинки палива потрапили у ванну, її довжина повинна бути більше відстані між електродами в режимі нормальної роботи реактора. По мірі наповнення ванни розплавом, останній переливається через зливний рівень 16, спрямований у бік окислювальної камери 12, і виливається в шлакозбирач 11. Газоподібна частина продуктів газифікації також потрапляє до шлакозбирача через окислювальну камеру. У шлакозбирачі тверда і газова частини продуктів газифікації розділяються, тверда осідає на його дні, а газоподібна йде через патрубок 17 і циклон 18 в теплообмінники: 19 - для підігріву пилоподібного або водовугільного палива в бункері 20, та 21 - де тепло вихідних газів перетворюється на гарячу воду або пару для подальшого використання. Використання як окислювач води у суміші палива та частково пари, як пневмотранспорту в системі паливоподачі, дозволяє збільшити ефективність процесу плазмової газифікації, отримати синтез-газ з вмістом компонентів (СО і Н2) у співвідношенні 1: 3, яке добре поєднується з технологією виробництва метилового спирту та синтетичного палива, а також знизити кількість шкідливих викидів в атмосферу. У випадку плазмової конверсії води утворюються кисень і водень. Вільний кисень використовується як окислювальне середовище, а водень входить в продукт газифікації додатковим елементом, збільшуючи енергоємність синтез-газу. Відомо, що продукти парової газифікації за теплотою згоряння в 3 рази перевершують продукти повітряної газифікації, в той час як витрати електроенергії на одиницю маси палива збільшуються на 10 %. На цьому зроблений висновок про перспективність застосування води і водяної пари як газифікуючого агента в порівнянні з іншими окислювачами. Реактор працює наступним чином. Середовище, що містить вуглець, завантажують у бункер 20. Плазмохімічний реактор запускається в роботу шляхом подачі напруги на електроди 2 і 3 від дже 7 рела електроживлення 22. У цей час електроди зведені разом. При виникненні струму дуги, електроди розводять за допомогою регулятора потужності 5 до величини струму 250-300А. Послідовно в ланцюг живлення дуги включений соленоїд 23, який формує магнітне поле, що обертає електричну дугу 24. Обертова дуга утворює енергетичний конус 25. З включенням дуги, автоматично включається і шнековий подавач 8, який подає паливо в реакційну камеру без підігріву і розпилення. Протягом 5-7 хв. газогенератор розігрівається, також розігріваються його пароутворююча і пароперегріваюча системи 10. Після розігріву, відкриттям клапана 26, вода подається в теплообмінник 10. Пара високої температури, що утворюється в теплообміннику 10, автоматично подається в соплову насадку 9, розпилюючи паливо в реакторі. Утворюється конус розпилення палива 27. З цього моменту реактор повністю запущений в роботу. Паливо з бункера 20 подається в реактор безперервно з заздалегідь розрахованою продуктивністю, а в бункер паливо завантажується періодично, по мірі його витрати. Шлак накопичується в шлакозбирачі і періодично вивантажується через шлюзову камеру 28. Синтез-газ очищується від твердих часток мінеральної частини спочатку в шлакозбирачі, а потім в циклоні 18. Далі він проходитьчерез теплообмінник 19, для підігріву палива, потрапляючи в теплообмінник 21, де його температура падає до необхідної для подальшого використання. Газ може бути використаний не охолодженим у технологічних процесах, які намічені споживачем. Під впливом високої температури, великих струмів дуги і водяної пари графітові електроди інтенсивно зношуються. Для компенсації витрат електродів, конструкцією передбачена їх безперервна подача в зону реакції. Встановлено, що від перенесення частинок на катод, він мало схильний до електроерозії і замінюється періодично в період ремонту або обслуговування генератора. Анод більше схильний до ерозії, тому конструкцією реа 65662 8 ктора передбачена його автоматична подача в зону реакції пристроєм 6, який вмикається в залежності від величини струму дуги. Якщо струм дуги зменшується на 5-10 % від номінального, анод подається в реактор до моменту вирівнювання струму до номінального. Таким чином, забезпечується безперервна і тривала робота реактора. Випробуваннями експериментального реактора встановлено, що запропонована конструкція забезпечує ступінь переробки вуглецю до 98-99 %, а при використанні як окислювального середовища водяної пари, цільовий продукт синтез-газ на 96-98 % складається з оксиду вуглецю СО (35-37 %) і водню Н2 (60-62 %). Виконані розрахунки та експериментальні дослідження показують, що при пароплазмовій газифікації мінеральних середовищ, що містять вуглець, викиди шкідливих речовин в атмосферу практично відсутні, порівняно з іншими процесами їхнього спалювання чи газифікації. Це обумовлено тим, що при пароплазмовій газифікації встановлюється дозоване співвідношення вуглець палива окислювач. Заявлюваний пароплазмовий реактор для газифікації середовищ, що містять вуглець, дозволяє ефективно їх переробляти з максимальним вилученням вуглецю та отриманням якісних готових продуктів при мінімальному впливі на навколишнє середовище. Джерела інформації: 1. Плазмодуговий газогенератор. Патент України № 41722, U B23K10/00, опубл. 2009. 2. Плазменный реактор для газификации углей. Патент РФ № 2050705, С1 С10В53/04, публ. 1995. 3. Плазменный реактор для газификации углей. Патент РФ № 2031553, С1 Н05В7/18, публ. 1995. 4. А.с. СССР № 537459, Н05В7/18, публ. 1976. 5. Способ газификации углей и электродуговой плазменный реактор для газификации углей. Патент РФ № 2087525 C1 C10J3/18, публ. 1997. 9 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 65662 Підписне 10 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601