Газогенератор для термічної конверсії твердого палива

Реферат: Газогенератор для термічної конверсії твердого палива містить корпус переважно циліндричної форми із зовнішньою та внутрішньою обичайками, засоби подачі окислювача, розташовані в нижній частині корпуса, засоби подачі палива, розташовані у верхній частині корпуса, засоби збору коксо-зольного залишку і колосникову решітку, розташовані у нижній частині корпуса, засоби збору генераторного газу та засіб відведення генераторного газу на утилізацію, причому додатково обладнаний засобами збору генераторного газу у верхній частині корпуса, сполученими із засобами для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса, теплообмінником для охолодження отриманого генераторного газу та засобами для регулювання швидкості подачі окислювача, причому засоби для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса та теплообмінник розташовані по периметру корпуса, при цьому засіб збору генераторного газу, розташований у нижній частині корпуса, сполучений із засобом відведення генераторного газу на утилізацію, а діаметр колосникової решітки дорівнює внутрішньому діаметру корпуса або відрізняється від нього у межах 10 %. UA 99716 U (12) UA 99716 U UA 99716 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель, що заявляється, належить до галузі термічної переробки та обробки твердих матеріалів, що містять сполуки водню та вуглецю, в тому числі відходів, зокрема мулових відходів, а саме до апаратів газифікації, що виробляють генераторний газ (газогенераторів, газифікаторів), який використовується в подальшому як паливо в енергетичному обладнанні, а тверді залишки, які утворилися в процесі газифікації в залежності від глибини переробки, використовуються як паливо, наповнювач фільтруючих елементів, основа добрив або утилізуються. Основною вимогою до генераторного газу, що використовується в енергетичному обладнанні як паливо, є мінімізація сторонніх домішок - смол та твердих часток. Зокрема стандартом [U.S. EPA. Locating and Estimating Air Emissions From Sources of Dioxins and Furans. EPA-454/R-97-003. Research Triangle Park, North Carolina 27711, 1997], розробленим в США, обмежено викиди таких хімічних сполук як діоксини та споріднені з ними фурани, попадання яких у навколишнє середовище є дуже шкідливим для людини та природи. Найбільш близьким з відомих газогенераторів для термічної конверсії твердого палива є газогенератор, описаний у патенті на корисну модель "Пристрій для переробки твердого палива" (патент RU 2299901С2, опублікованого 27.05.2007 у бюлетені №15, МПК-2006.01: С10В 47/04, С10В 53/08, C10J 3/20), що містить корпус циліндричної форми із зовнішньою та внутрішньою обичайками, засоби подачі окислювача, розташовані в нижній частині корпуса, засоби подачі палива, розташовані у верхній частині корпуса, засоби збору коксо-зольного залишку і колосникову решітку, розташовані у нижній частині корпуса, засоби збору генераторного газу та засіб відведення генераторного газу на утилізацію. При цьому засіб відведення генераторного газу на утилізацію обладнаний гідрозатвором. Колосникова решітка встановлена на меншому перерізі зрізаного конусу, приєднаного до циліндричного корпусу більшою основою. Додатково корпус газогенератора обладнаний водяною сорочкою, яка виконує роль теплообмінника для всього газогенератора та утворена як простір між внутрішньою та зовнішньою обичайками корпуса, заповнений водою. У генераторі за прототипом зазначене розташування колосникової решітки призводить до погіршення розподілення повітря в матеріалі, який обробляється, виникнення нерівномірності температур в реагуючому шарі, погіршення якості переробки матеріалу та виробленого газу. Наявність конусу, що звужується, в нижній частині корпусу газогенератора призводить до зависання палива в газогенераторі і унеможливлює переробку палив, зола яких схильна до злипання. При цьому розташування та конструкція водяної сорочки призводить до того, що вода використовується для охолодження тільки стінок корпусу газогенератора, що веде до зниження ефективності використання потенціалу вихідного палива і ускладнює застосування виробленого газу. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення універсальності та надійності роботи газогенератора за рахунок забезпечення можливості переробки твердого палива або відходів з різним вмістом шкідливих речовин, а також забезпечення отримання коксо-зольного залишку попередньо заданого складу. Додатковою задачею корисної моделі є розширення номенклатури твердих палив, що використовуються для термічної конверсії (газифікації), включаючи підготовлені відходи, підвищення загального ККД газогенератора, підвищення якості обробки твердих матеріалів, що містять водневі та вуглецеві сполуки, поліпшення якості генераторного газу, покращення екологічних показників процесу газифікації. Поставлена задача вирішується таким чином, що газогенератор для здійснення способу термохімічної конверсії твердого палива, який містить корпус переважно циліндричної форми із зовнішньою та внутрішньою обичайками, засоби подачі окислювача, розташовані в нижній частині корпуса, засоби подачі палива, розташовані у верхній частині корпуса, засоби збору коксо-зольного залишку і колосникову решітку, розташовані у нижній частині корпуса, засоби збору генераторного газу та засіб відведення генераторного газу на утилізацію, відповідно до корисної моделі, додатково обладнаний засобами збору генераторного газу у верхній частині корпуса, сполученими із засобами для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса, теплообмінником для охолодження отриманого генераторного газу та засобами для регулювання швидкості подачі окислювача, причому засоби для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса та теплообмінник розташовані по периметру корпуса, при цьому засіб збору генераторного газу, розташований у нижній частині корпуса, сполучений із засобом відведення генераторного газу на утилізацію, а діаметр колосникової решітки дорівнює внутрішньому діаметра корпуса або відрізняється від нього у межах 10 %. При цьому корпус може бути виконаний переважно циліндричної форми постійного перерізу. 1 UA 99716 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 При цьому засоби для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса можуть бути виконані як вертикальні трубопроводи, розташовані між зовнішньою та внутрішньою обичайками корпуса. При цьому теплообмінник для охолодження отриманого генераторного газу може містити вертикальні канали для подачі теплоносія, розташовані між зовнішньою та внутрішньою обичайками корпуса та між трубопроводами з можливістю контакту теплоносія з поверхнею трубопроводів. Під відведенням генераторного газу на утилізацію мається на увазі відведення генераторного газу з газогенератора для його подальшого використання (наприклад у системах опалення), транспортування та зберігання. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак, що заявляються, та технічним результатом є наступний. Відомо, що при здійсненні високотемпературного піролізу (більше 850 °C) в зоні реакції горіння температура газоподібних продуктів спалювання дорівнює температурі у реагуючому шарі палива 1000….1300 °C, що дозволяє здійснити руйнування складних молекулярних зв'язків, в тому числі діоксинів у структурі матеріалу, відносно якого проводиться піроліз усередині реактора, але не запобігає повторному синтезу діоксинів та подібних до них сполук (зокрема фуранів). При цьому для відповідності процесу термічної конверсії твердого палив (зокрема відходів різного типу) екологічним нормативам з викидів шкідливих речовин, зокрема приведеним вище (U.S. ЕРА) здійснюють додаткове очищення генераторного газу, для чого необхідне застосування сорбційних установок (наприклад з використанням активованого вугілля) або інших методів, що призводить до підвищення вартості реалізації способу та застосування газогенераторів зі зворотною схемою газифікації. З рівня техніки, зокрема з [Лунева О.В., Матлак Е.С., Костенко В.К., ОБОСНОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОВТОРНОГО СИНТЕЗА ДИОКСИНОНОПОДОБНЫХ СОЕДИНЕНИЙ "ЗАКАЛИВАНИЕМ" ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ, Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: "Хімія і хімічна технологія". Випуск 108 - Донецьк: ТОВ "Лебідь", 2006. - С. 132-136], відомо застосування так званого "закалювання" генераторного газу для нейтралізації умов для повторного виникнення діоксиноподібних сполук. При цьому, під "закалюванням" мається на увазі різке охолодження отриманих у процесі піролізу газів до температури нижче 250 °C, при якому зникають умови сполуки галогенів з киснем, тобто утворення діоксіноподобних сполук. В цьому випадку виникає ефект "замороженого стану" термодинамічної рівноваги системи, яка утворюється при високій температурі в газогенераторі. При цьому, відповідно до зазначеного джерела, запропоновано створювати умови для "закалювання" газу з використанням вихрового ефекту за допомогою вихрової установки. Такий спосіб є дещо складним та потребує додаткового обладнання для його реалізації. Для отримання більш оптимальних умов отримання ефекту "закалювання" газу та забезпечення стабільності теплового режиму процесу термохімічної конверсії було запропоновано використання теплообмінника, використання якого у газогенераторі також відомо з рівня техніки. Для цього винахідниками було проведено численні дослідження стосовно досягнення різкого зниження температури газу отриманого під час піролізу з наступним його відведенням на утилізацію. Під час досліджень винахідниками було виявлено, що під час подальшого руху газу крізь шар розігрітого зольного залишку температура газоподібних продуктів знижується за рахунок протікання реакцій відновлення і, в умовах відсутності кисню, утворюється генераторний газ, який під час проходження по трубопроводам теплообмінника, міжтрубний простір якого заповнений теплоносієм (водою) різко охолоджується (закаляється), що забезпечує створення умов, які унеможливлюють виникнення діоксинів і фуранів. Додатковим ефектом від цього є підвищення ККД газогенератора за рахунок утилізації теплоти газу та отримання більш сприятливих температурних параметрів для подальшого використання газу, що спрощує і використання заявленого способу і газогенератора у загальній системі термічної конверсії твердого палива. При цьому здійснення охолодження зольного залишку, який залишається після газифікації, за рахунок циркуляції охолодженого газу, або за допомогою пари, яке забезпечується розташуванням засобу збору генераторного газу у нижній частині корпуса та сполучення його із засобом відведення генераторного газу на утилізацію. Також виконання діаметра колосникової решітки рівним внутрішньому діаметру корпуса або таким, що відрізняється від нього у межах 10 %, дозволяє використовувати в процесі термічної 2 UA 99716 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 обробки температурні режими, які перевищують температуру спікання коксо-зольного залишку, що полегшує їх видалення. При цьому виконання корпусу газогенератора переважно циліндричної форми постійного перерізу, тобто без зрізаного конусу в нижній зоні газогенератора, як у конструкції газогенератора за прототипом, дозволяє стабілізувати роботу газогенератору, покращує контроль та регулювання процесу термічної обробки матеріалів. Заявлена корисна модель ілюструється наступним прикладом реалізації способу термічної конверсії твердого палива та газогенератора для його здійснення та наступними зображувальними матеріалами, а саме: на фіг. 1 зображено повздовжній переріз газогенератора, на фіг. 2 зображено поперечний переріз газогенератора. Зображувальні матеріали, що ілюструють заявлену корисну модель, а також наведений приклад газогенератора та способу, який він реалізує, ніяким чином не обмежують обсяг домагань, викладений у формулі, а тільки пояснюють суть корисної моделі. Газогенератор (фіг. 1) містить корпус 1, що включає в себе дві циліндричні обичайки, внутрішню 2 та зовнішню 3. Корпус 1 виконаний переважно циліндричної форми постійного перерізу. Зверху корпус 1 з'єднаний болтами з верхньою кришкою 4 газогенератора, на якій розташовано засіб подачі палива у вигляді люка для завантаження твердого палива 5, а також розпалювальний пристрій 6. В нижній частині внутрішнього циліндра корпусу 1 розташована колосникова решітка 7, розмір якої дорівнює розміру поперечного перерізу внутрішнього циліндра корпуса. Колосникова решітка 7 може мати діаметр менше або більше діаметра циліндра на 10 % у випадку виконання нижньої частини корпусу з невеличким конусом. Також в нижній частині корпуса 1 розташовано засіб для подачі окислювача 8 (наприклад повітря), що являє собою набір розгалужених патрубків. До нижньої частини корпуса 1 болтовим з'єднанням прикріплено засіб збору коксо-зольного залишку у вигляді золоуловлюючої камери 9, що містить люк для розвантаження зольного залишку 10. У верхній частині газогенератора розташовано засоби збору генераторного газу у вигляді газозбірної камери 11. Між внутрішньою 2 та зовнішньою 3 циліндричними обичайками корпуса 1 по його периметру утворено теплообмінник, який містить вертикальні трубопроводи 12, що виконують роль засобів для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса. Теплообмінник містить вертикальні канали для подачі теплоносія, розташовані між зовнішньою 3 та внутрішньою 2 обичайками корпуса та між трубопроводами 12 (у міжтрубному просторі) з можливістю контакту теплоносія з поверхнею трубопроводів. Газозбірна камера 11 сполучена з трубопроводами 12 теплообмінника, які у свою чергу сполучені із засобом збору генераторного газу, розташованого в нижній частині газогенератора та виконаного у вигляді газозбірної камери із засобом відведення генераторного газу на утилізацію - патрубком 13 для виходу отриманого генераторного газу з газогенератора. Біля газозбірної камери розташований патрубок для подачі води 14. Газогенератор використовують наступним чином. До камери в корпусі 1 газогенератора через люк завантаження твердого палива 5 в верхній кришці 4 завантажується підготовлене тверде паливо, після чого люк закривається. Тверде паливо подають на спалювання попередньо гранульованими з розміром гранул від 5,0 мм до 30,0 мм. Потім через патрубки подачі води 14 заповнюють теплоносієм (водою) міжтрубний простір теплообмінника 12, що розташований між внутрішнім 2 і зовнішнім 3 циліндрами корпусу. Далі за допомогою розпалювального пристрою 6, що розташований на верхній кришці 4, розпалюють тверде паливо, що ініціює процес газифікації. Через серію розгалужених патрубків 8 в нижню зону газогенератора подають окислювач, а саме газову суміш, яка містить повітря або кисень або 3 повітря, збагачене киснем, з витратою 50…100 м /год. кисню на 1 м перерізу внутрішнього 2 циліндру корпусу газогенератора, які необхідні для термічної обробки твердого палива. Оптимальною концентрацією кисню у газовій суміші є 20…50 %. Після розпалу палива та подачі окислювача, процес газифікації на протязі кількох хвилин виходить на номінальний режим роботи, який характеризується температурами 1000…1300 °C, необхідними для повного розкладання складних вуглеводневих молекул. Утворюється шар розігрітого коксо-зольного залишку, на поверхні окремих часток в якому в процесі відновлювальних реакцій утворюється генераторний газ. Вироблений генераторний газ збирається в газозбірній верхній камері 11, що розташована в верхній зоні газогенератора, і розподіляється по трубам теплообмінника 12, рухаючись зверху до низу, швидко охолоджуючись (процес закалювання) та віддаючи теплову енергію воді, що знаходиться в міжтрубному просторі. В нижній газозбірній камері 9 збирається вже охолоджений генераторний газ, готовий до подальшого очищення та використання в енергетичному чи силовому обладнанні і виходить через газовий вихідний патрубок 13 до газопроводу. Вода, яку подавали до міжтрубного простору теплообмінника, долаючи шлях з 3 UA 99716 U 5 10 15 нижньої до верхньої частини газогенератора, нагрівається і використовується з метою виробництва пари або як гарячий теплоносій для потреб технології або опалення. Тверді матеріали після термічної обробки гасяться та охолоджуються газом після його очищення або парою, що подається через спеціальний патрубок розташований під колосниковою решіткою 7. Після гасіння та охолодження коксо-зольні залишки, які утворилися під час газифікації з вихідних матеріалів, що містять сполуки водню та вуглецю, в тому числі відходів, потрапляють до камери-приймальника, а далі видаляються з газогенератора через люк 10, що розташований в нижній кришці. Таким чином, здійснення корисної моделі дозволяє використовувати різні види та типи твердого палива, що містить сполуки водню та вуглецю, включаючи підготовлені (висушені до регламентованого вмісту вологи та гранульовані) біологічні відходи, а також буре вугілля. При цьому здійснюють регулювання розмірів та інших фізико-хімічних властивостей палива, що завантажується до газогенератора, та параметрів подачі окислювача та його складу, з метою отримання заданих характеристик газоподібного палива, коксо-зольного залишку та твердого палива на виході в залежності від потреб застосування способу та газифікатора. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 25 30 35 40 1. Газогенератор для термічної конверсії твердого палива, який містить корпус переважно циліндричної форми із зовнішньою та внутрішньою обичайками, засоби подачі окислювача, розташовані в нижній частині корпуса, засоби подачі палива, розташовані у верхній частині корпуса, засоби збору коксо-зольного залишку і колосникову решітку, розташовані у нижній частині корпуса, засоби збору генераторного газу та засіб відведення генераторного газу на утилізацію, який відрізняється тим, що додатково обладнаний засобами збору генераторного газу у верхній частині корпуса, сполученими із засобами для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса, теплообмінником для охолодження отриманого генераторного газу та засобами для регулювання швидкості подачі окислювача, причому засоби для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса та теплообмінник розташовані по периметру корпуса, при цьому засіб збору генераторного газу, розташований у нижній частині корпуса, сполучений із засобом відведення генераторного газу на утилізацію, а діаметр колосникової решітки дорівнює внутрішньому діаметру корпуса або відрізняється від нього у межах 10 %. 2. Газогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що корпус виконаний переважно циліндричної форми постійного перерізу. 3. Газогенератор за п. 1, який відрізняється тим, що засоби для подачі генераторного газу у нижню частину корпуса виконані як вертикальні трубопроводи, розташовані між зовнішньою та внутрішньою обичайками корпуса. 4. Газогенератор за п. 3, який відрізняється тим, що теплообмінник для охолодження отриманого генераторного газу містить вертикальні канали для подачі теплоносія, розташовані між зовнішньою та внутрішньою обичайками корпуса та між трубопроводами з можливістю контакту теплоносія з поверхнею трубопроводів. 4 UA 99716 U 5 UA 99716 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6