Реактор для плазмово-дугової газифікації водовугільного палива

Реферат: Реактор для плазмово-дугової газифікації водовугільного палива містить реакційну камеру, електроди, соленоїд, енергетичний конус, який сформований обертовим дуговим розрядом, вузли вводу палива та окислювача. Додаткова окислювальна камера, діаметром на 20-30 % більше від реакційної, розміщується над нею по осі реактора. Положення енергетичного конуса, відносно рівня зливу шлаку через діафрагму, може регулюватися переміщенням обох електродів вдовж осі реактора, причому торцева частина анода утворює рухоме днище реакційної камери, виконана у вигляді тигля, заповненого металом і з'єднаного безпосередньо з струмопідвідною клемою. UA 81087 U (54) РЕАКТОР ДЛЯ ПЛАЗМОВО-ДУГОВОЇ ГАЗИФІКАЦІЇ ВОДОВУГІЛЬНОГО ПАЛИВА UA 81087 U UA 81087 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до енергетики, зокрема до термічної переробки водовугільного палива (ВВП), відходів вуглезбагачення та інших середовищ, що містять вуглець, і може бути використана в енергетиці для отримання калорійного екологічно чистого синтез-газу, як вихідної сировини для синтезу метанолу або моторного палива, електроенергії або тепла. Відомо, що навколо вуглезбагачувальних фабрик, шахт, підприємств комунального господарства та інших накопичені величезні запаси відходів у вигляді пилу, шламів та інших середовищ, що містять вуглець. Їх економічно вигідна та екологічно безпечна переробка є надважливим завданням. Як показує накопичений досвід, термічна переробка такої сировини є альтернативним джерелом енергії. Відомий плазмово-дуговий реактор [1] для газифікації вугілля, який містить циліндричну камеру, охоплену електромагнітною котушкою, кришку, стержневі електроди, пристрої для вводу палива та виводу газів, діафрагму для виводу шлаків. Додатково реактор оснащений патрубками для відводу газів, які встановлено у верхній частині камери напроти один одного, причому патрубки вводу реагентів і виводу газів розташовані у взаємно перпендикулярних площинах. Цей плазмовий реактор вертикальний прямоточний. В ньому реагенти, що газифікуються, та окислювач проходять через дуговий розряд до діафрагми найкоротшим шляхом. Час перебування частинки вугілля в реакційній зоні такого реактора обмежений, можливе прослизання окремих часток вугілля через реакційну зону в діафрагму. З цих причин повнота переробки вуглецю не може бути достатньою. Крім того, одним із електродів в реакторі є графітова футерівка внутрішньої поверхні реакційної камери. Довговічність конструктивно не простої футерівки камери, дуже обмежена. Вона залежить від: взаємодії з опорною плямою 4 дугового розряду, де температура досягає (1,5-1,8)*10 K; агресивного середовища водяної пари; величини струму дугового розряду, швидкості його обертання під дією магнітного поля соленоїда та інтенсивності охолодження електрода (поверхні камери). Відомий плазмовий реактор для газифікації вугілля [2], який містить циліндричну камеру з кришкою, охоплену електромагнітною котушкою, пристрій для підпалювання електродугового розряду в камері, вузли вводу реакційних компонентів, діафрагму для виводу з реактора шлаків розміщену в доній частині реактора. В основу винаходу покладено те, що пристрій для запалювання дугового розряду в реакторі з'єднано з вузлом вводу вугілля та електричного струму, а весь об'єм вугілля попередньо підігрівається шляхом пропускання через нього електричного струму дугового розряду. Одним з недоліків такого реактора може бути нестійке горіння самого дугового розряду при використанні як одного із електродів вугільного палива. Дисперсне середовище з вугілля відрізняється нестабільним електричним опором, що в значній мірі може впливати на стабільність дугового розряду. Другим недоліком представленої конструкції реактора, як і всіх однокамерних вертикальних конструкцій з діафрагмою, це малий час перебування часток вугілля в реакційній камері, що обумовлює достатньо невисокий ступінь (80-90 %) переробки вуглецю. Відомий плазмовий реактор для газифікації вугілля [3], де як газифікуючий агент використовують димові гази, які вводяться в реактор через тангенціальні канали, а вугілля вводиться через вертикальні канали, рівномірно розміщені по поперечному перерізу реактора. Крім того, на внутрішній поверхні стінки реактора виконано кільцевий паз, рівний висоті електромагнітної котушки соленоїда. В основу винаходу покладено розподіл потоків вугілля і димових газів різними каналами рівномірно по поперечному перетину реактора та збільшення часу перебування реакційної маси в реакційній зоні затримкою стікання її по стінках реактора через кільцевий паз. Використання димових газів як газифікуючого агента в значній мірі знижує галузь застосування реактора. Всі конструкції прямоточного типу з діафрагмою, мають загальний недолік - малий термін перебування газифікуючих компонентів в реакційній зоні, який обмежується довжиною реакційної камери. Кільцевий паз на стінці реактора, для збільшення часу перебування компонентів в реакційній зоні, може працювати тільки в початковій стадії, до моменту його зашлаковування. В подальшому зашлакований паз не буде утримувати стікаючу масу. Вибраний за прототип плазмово-дуговий реактор для газифікації водовугільного палива [4], який містить циліндричну камеру з кришкою, шлакозбирач, стержневий та циліндричні електроди, соленоїд, який охоплює камеру, енергетичний конус, сформований обертовим дуговим розрядом, вузли вводу палива. Згідно з корисною моделлю електроди встановлені на різних рівнях по осі реакційної камери. При цьому нерухомий електрод (анод) встановлюється з кільцевою щілиною між внутрішньою поверхнею реакційної камери та зовнішньою самого 1 UA 81087 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 анода. Анод виконано у вигляді циліндра з конусною порожниною із кутом конусності 30-110° та каналу у вершині цього конуса, який з'єднаний з патрубком подачі водовугільної суспензії. Недоліками прототипу є те, що кільцева щілина не регулює час перебування реакційної маси в реакційній зоні. Цей час занадто малий (0,01-0,1 с), щоб повністю закінчилась реакція газифікації коксового залишку. В залежності від фізико-хімічних характеристик вугілля, для його переробки потрібно від сотої частини до секунди. Крім того, реакційні процеси при високій температурі в середовищі з водою проходять дуже інтенсивно з викидом реакційної маси в навколишній простір, в тому числі в кільцеву щілину. Таким чином, частина реакційної маси може потрапляти в шлакозбирач не прореагованою. Ці недоліки сприяють умовам, що ведуть до зниження ступеня переробки вуглецю. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалення реактора для плазмово-дугової газифікації водовугільного палива таким чином, щоб збільшити його продуктивність. Поставлена задача вирішується наступними технічними рішеннями: розділенням процесу газифікації на дві послідовні фази; регулюванням часу перебування реагентів в реакційній зоні; армуванням одного з електродів металевим струмопідводом. Це дозволить більш раціонально використати енергію, що вводиться для здійснення процесу газифікації, збільшити глибину переробки вихідної сировини, покращити ресурсні характеристики електродної групи реактора. Дані технічні рішення досягають тим, що заявлений реактор містить циліндричну реакційну камеру, шлакозбирач, соленоїд для обертання дугового розряду, електроди розміщені послідовно впродовж осі реактора, енергетичний конус сформований обертовим дуговим розрядом, вузли вводу вугілля та окислювача. Відміною особливістю запропонованого реактора є те, що окисна камера, яка розміщена над реакційною по осі реактора, діаметром на 20-30 % більша реакційної, що зумовлює зниження в ній щільності теплового потоку та температури на 20-30 % порівняно з реакційною, а положення енергетичного конуса, відносно рівня зливу шлаку через діафрагму, може регулюватися переміщенням обох електродів впродовж осі реактора. При цьому торцева частина анода, яка утворює рухоме днище реакційної камери, виконана у вигляді тигля, що заповнений металом, з'єднаним безпосередньо з струмоведучою клемою. Розділення реакційної камери на дві частини - дугову реакційну камеру і окисну 3 4 2 пояснюється тим, що в реакційній камері з високою щільністю енергії (10 -10 Вт/см ) проходять найбільш енергоємнісні ендотермічні процеси - нагрів палива, видалення летучих та коксового залишку. Подальший крекінг коксового залишку проходить в екзотермічному режимі, коли частина тепла виділяється за рахунок внутрішніх реакцій. Велика щільність енергії дугового розряду в цьому випадку вела б тільки до перегріву газів і не раціонального використання енергії. Розрахунки показали, що для продовження реакцій з коксовим залишком досить енергії горіння летючих, при більш низькій температурі 1200-1500 K, але потрібно збільшити час перебування коксових залишків в реакційній зоні. Тому об'єм окисної камери на 20-30 % більший від об'єму дугової камери. Густота енергії в окисний камері буде на стільки ж нижчою, а час перебування коксового залишку в реакційній зоні збільшується за рахунок зменшення швидкості його переміщення з дугової в окисну камеру, і далі крізь діафрагму до виходу, під дією динаміки руху газів. Таким чином, досягається рівень максимального використання тепла для нагріву частинок палива в реакційній зоні за більш короткий час. В цьому випадку можуть проходити не тільки процеси нагріву частинок, а і їх подрібнення за рахунок внутрішньої енергії випарювання вологи з частинки вугілля. В той же час значно активізуються окисні процеси в реакційній зоні, а гази, які виділені з часток вугілля, не піддаються небажаному їх перегріву надвисокими температурами від дугового розряду. Слід відзначити ще одну особливість конструкції реактора, який заявляється. У від аналогів і прототипу реактор не прямоточний, де частки палива під дією розпилювача пересуваються до діафрагми, а потім в шлакозбирач-сепаратор. В реакторі, який запропоновано, частки палива викинуті в дугову реакційну камеру, крім того, що пересуваються по відповідній траєкторії, вимушені міняти напрямок руху на протилежний, що значно зменшує швидкість їх переміщення по реактору. Таким чином, час перебування частинок палива в реакційній зоні збільшується в декілька разів, а то і на порядок. Крім того, виключені випадки, коли частки палива без реакції можуть прослизнути прямо в діафрагму, що не виключено в прямоточних реакторах. Конструкцією заявленого реактора час перебування частинок палива в реакційній зоні може регулюватись переміщенням енергетичного конуса в номінальному режимі роботи реактора нижче або вище відносно рівня зливу шлаку з реактора через діафрагму. Корисна модель пояснюється кресленням. Плазмово-дуговий реактор, на загальній осі якого розміщуються реакційна камера 1, яка зсередини армована ізолюючою оболонкою 2 і охоплена котушкою соленоїда 3. По осі реактора розташовані електроди - катод 4 та анод 5. Над 2 UA 81087 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 реакційною камерою розміщується окисна камера 6, яка армована термоізолюючою оболонкою 7. Порожнини реакційної 1 та окисної 6 камер герметично закриваються головкою реактора 8, поверхня якої охолоджується, а по її осі і осі реактора проходить катодотримач 9. Він являє собою автономну конструкцію з концентричною порожниною 10, через яку в реактор подається окислювач (пара або повітря). На нижньому кінці катодоутримувача кріпиться катод 4, а в його осьовій порожнині 11 розміщується шнек 12. Нижній кінець катодоутримувача 9 виконано у вигляді сопла 13, через яке в реакційну камеру 1 подається розпорошене ВВП та пара. Шнек 12 своєю віссю з'єднаний з віссю розмішувача, в бункері-накопичувачі 14 для ВВП. Паливо подається в бункер через лійку 15. Шнек і розмішувач обертаються за допомогою двигуна 16. Вся конструкція катодотримача розміщується над реактором і утримується кронштейном 17 з регулюючим пристроєм 18 на стійці опорі 19. Окисна камера 6 оснащена діафрагмою 20, якою шлак і гази з камер 1 і 6 через патрубок 21 виводяться в шлакозбирач-сепаратор 22, де розміщено теплообмінник-пароутворювач 23. Вся конструкція плазмово-дугового реактора розміщується на столі-платформі 24 з ніжками-опорами 25. Електроди катод 4 і анод 5 можуть переміщатися по осі камери відносно один одного. Катод 4, періодично в процесі настрою реактора, переміщується з допомогою регулюючого пристрою 18, а анод в режимі оперативного керування з допомогою регулятора потужності 26 з приводом 27, які розташовані під столом-платформою 24. Переміщенням катода 4 відносно рівня зливу шлаку через діафрагму 20 регулюється шлях проходження частинок палива через реакційну зону, тобто регулюється час перебування палива в реакційній зоні. Електродуговий розряд горить між катодом 4 та анодом 5, обертається з допомогою магнітного поля соленоїда, з яким утворюється енергетичний конус 28, всередину якого подається паливо у вигляді конусарозпилу 29. Струм на електроди подається через клеми "+" та "-". Струмоведуча клема 30, розміщується в тиглі на торцевій поверхні електрода-анода 5. Електрична розв'язка між електродами та корпусними елементами реактора виконана за допомогою ізолюючих елементів і1-і8. Установлено, що від електронного перенесення часток на катод 4, він мало схильний до електроерозії і заміна його проводиться в періоди ремонту або обслуговування реактора з періодичністю, що залежить від величини робочого струму і типу графіту. Під впливом високої температури, великих значень струму дуги, агресивної дії водяної пари графітовий анод 5 більш схильний до ерозії. Конструкцією реактора передбачена його автоматична подача в зону реакції пристроєм 26 положення якого контролюється величиною струму дугового розряду. Для збільшення ресурсу роботи анода конструкцією передбачено використання металу як поверхні для анодної опорної плями як таку, що менше піддається ерозії. З цією метою верхня торцева частина анода 5, яка утворює рухоме днище реактора, виконана у вигляді циліндричного тигля, що заповнюється металом. Він з'єднується безпосередньо з струмоведучою клемою (дивись кресл.). Передбачається, що під дією енергії струму дугового розряду в його опорній плямі, поверхня металевого електроду в тиглі розплавиться, і передача енергії до дугового розряду буде відбуватися через розплав. Маючи високу електрону емісію, метал буде надійним захисником графітового електрода від ерозії. При відключенні реактора металевий електрод буде охолоджуватись. Реактор працює наступним чином. Середовище, що містить вуглець (ВВП), через лійку 15 завантажують в бункер 14. Після цього включають реактор шляхом подачі напруги на електроди 4 та 5 від джерела живлення реактора. У цей час електроди зведені разом. При виникненні струму дуги електроди розводять з допомогою регулятора потужності 26 та електропривода 27 до досягнення величини струму, який визначається режимами роботи реактора. Послідовно в ланцюг живлення дуги включено соленоїд 3, який своїм магнітним полем приводить до обертання дугового розряду і формуванню енергетичного конуса 28. З утворенням енергетичного конуса, вмикається шнековий подавач 12, який подає ВВП в середину енергетичного конуса. З моменту включення реактора, доки він холодний і система не вийшла в номінальний режим роботи, ВВП транспортується і розпилюється в реакторі повітрям з допомогою форсунки 13. Протягом 5-7 хвилин реактор та його паро утворююча і пароперегрівача система 23 розігріваються і при досягненні робочої температури пари (400-450 С) повітря автоматично відключається. Окисним агентом протягом роботи реактора являється пара. Розкриваючи суть роботи реактора слід зазначити, що паливо з бункера 14 подається в реактор безперервно шнеком 12 з продуктивністю, заздалегідь розрахованою в залежності від потужності реактора. Паливо в бункер завантажується періодично у міру його витрати. Отриманий синтез-газ і шлаки в рідкому стані через діафрагму 20 і патрубок 21 виходять в шлакозбирач-сепаратор 22. Останній використовується для розділення газової мінеральної 3 UA 81087 U 5 10 15 20 25 (рідкої або твердої) частин палива, складуванням мінеральної частини в нижній частині шлакозбирача і періодичного випуску шлаку через шлюзову камеру. Синтез-газ очищується від твердих мінеральних часток і проходить крізь теплообмінник 23 для випарювання води і перегріву пари. В подальшому газ може бути використаним в стані прямо з реактора, або проходити очистку і охолодження для використання у технологічних процесах, які намічені споживачем. Випробуваннями експериментального плазмово-дугового реактора встановлено, що запропонована конструкція забезпечує ступінь переробки вуглецю до 98-99 % за рахунок створення особливої схеми руху часток вугілля в реакційній зоні та виключення випадків проходження не перероблених часток через реакційну зону і діафрагму в шлакозбирач. Використання водяної пари, як окислювального середовища дає можливість одержати синтезгаз, який на 98-99 % складається з оксиду вуглецю (35-37 %) і водню (60-62 %). При цьому легко регулюється співвідношення компонентів синтез-газу, що дуже важливе в технології переробки його в синтетичне паливо. Розрахунки та експериментальні дослідження показують, що при пароплазмовій газифікації мінерального середовища, що містить вуглець, викиди речовин, шкідливих навколишньому середовищу, практично відсутні. Це обумовлено тим, що при пароплазмовій газифікації встановлюється строго дозоване співвідношення вуглець-окислювач. Крім того, висока температура в реакційній зоні сприяє перетворенню інших речовин (наприклад сірки) в газоподібне становище, що виходить разом з синтез-газом. Джерела інформації: 1. Плазменный реактор для газификации углей. Патент РФ № 2031553. Бюл. № 8. 20.03.95. 2. Плазменный реактор для газификации углей. Патент РФ № 2050705. Бюл. № 35. 20.12.95. 3. Способ газификации углей и электродуговой плазменный реактор для его осуществления. Патент РФ № 94011507. Бюл. № 34. 20.12.1995. 4. Спосіб плазмової газифікації водо вугільного палива та плазмово-дуговий реактор для його здійснення. Патент України № 97717. Бюл. № 1. 10.01.2012. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Реактор для плазмово-дугової газифікації водовугільного палива, що містить реакційну камеру, електроди, соленоїд, енергетичний конус, який сформований обертовим дуговим розрядом, вузли вводу палива та окислювача, який відрізняється тим, що додаткова окислювальна камера, діаметром на 20-30 % більше від реакційної, розміщується над нею по осі реактора, а положення енергетичного конуса, відносно рівня зливу шлаку через діафрагму, може регулюватися переміщенням обох електродів вдовж осі реактора, причому торцева частина анода утворює рухоме днище реакційної камери, виконана у вигляді тигля, заповненого металом і з'єднаного безпосередньо з струмопідвідною клемою. 4 UA 81087 U Комп’ютерна верстка С. Чулій 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 5