Способ термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя, установка для осуществления способа, реактор для разложения твердых углеродсодержащих материалов и нагреватель- газификатор твердого теплоносителя

 

Использование: в области обработки твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя для термического разложения низкосортных твердых топлив, твердых бытовых и промышленных отходов. Сущность изобретения: установка для осуществления способа термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя содержит реактор 1, имеющий вертикальный корпус 2 переменного сечения с патрубком 3 для отвода парогазовых продуктов из верхней части, нагреватель-газификатор 4, имеющий вертикальный корпус 5 с патрубком 6 для отвода газообразных продуктов газификации. Нагреватель-газификатор 4 расположен над реактором 1 и соосно с ним. Напорный стояк 7 для ввода твердого теплоносителя в нагреватель-газификатор 4 подсоединен верхним концом к нижней части корпуса 5 нагревателя-газификатора 4, а нижним концом книжней части корпуса 2 реактора 1. Спускной стояк 8 для отвода нагретого твердого теплоносителя подсоединен верхним концом к нижней части корпуса 5 нагревателя-газификатора 4, а нижним концом - к средней части корпуса 2 реактора 1. 4 с.п. ф-лы, 14 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к термическому разложению различных твердых углеродсодержащих материалов: низкосортных твердых топлив (бурый уголь, сланец, лигнит, торф), твердых бытовых и промышленных отходов (лигнин, бумага, древесина, полимерные материалы) с применением твердого теплоносителя (зола собственного топлива, известь, речной песок) с целью получения высококалорийной парогазовой смеси, которая используется как энергетическое топливо или как источник ценных химических продуктов при дальнейшей переработке, энергоносителей (высокотемпературные дымовые газы) для использования в паровых котлах или котлах-утилизаторах и получения твердых продуктов для использования в качестве строительных материалов или адсорбентов для очистки замазученных стоков.

Предлагаемый способ и установка применяются в безотходных и экологически чистых технологиях при производстве тепловой и электрической энергий, в химической промышленности и в производстве строительных материалов.

Известен способ термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя, включающий измельчение и сушку исходных углеродсодержащих материалов, подачу в реактор, имеющий переменное поперечное сечение, частиц углеродсодержащих материалов в его среднюю часть, подачу пара в нижнюю часть реактора и подачу нагретого твердого теплоносителя, контактирование частиц материала и теплоносителя в режиме кипящего слоя, нагрев частиц до температуры термического разложения, отделение пыли от образующихся парогазовых продуктов, возврат пыли в кипящий слой частиц, отвод парогазовых продуктов на разделение, отвод смеси отработанных твердых частиц и твердого теплоносителя из нижней части реактора, подачу их в нагреватель-газификатор в восходящем потоке газа, нагрев смеси частиц в зоне окисления нагревателя-газификатора в присутствии газа окислителя и подачу нагретых частиц в качестве твердого теплоносителя в реактор, отделение образующихся в зоне окисления газов от твердых частиц и возврат твердых частиц в зону окисления газификатора-нагревателя [1] Известна установка для термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя, содержащая реактор, имеющий вертикальный корпус переменного поперечного сечения, снабженный средством для ввода обрабатываемого материала в среднюю часть, средством для ввода пара в нижнюю часть и патрубком для отвода парогазовых продуктов из верхней части, нагреватель-газификатор, имеющий вертикальный корпус, снабженный средством для подвода газа-окислителя и патрубком для отвода газообразных продуктов из верхней части и твердого теплоносителя из нижней части, напорный стояк, подсоединенный к реактору и верхним концом к нагревателю-газификатору, спускной стояк, подсоединенный верхним концом к нижней части нагревателя-газификатора и нижним концом к реактору, циклоны парогазовых продуктов, расположенные внутри корпуса реактора в его верхней расширенной части с патрубками для отвода пыли в кипящий слой смеси частиц обрабатываемого материала и твердого теплоносителя и патрубками для отвода парогазовых продуктов, систему для разделения парогазовых продуктов, включающую ректификационную колонну, подсоединенную к патрубку для отвода парогазовых продуктов, циклоны продуктов газификации с патрубками для отвода пыли и отвода продуктов газификации, подсоединенные к нагревателю-газификатору [1] В известном способе и установке твердый теплоноситель вводят в нижнюю часть реактора и отводят из средней части, пар подают в две точки: в нижнюю и среднюю часть реактора, что приводит к увеличению расхода пара, к увеличению габаритов реактора и ректификационной колонны за счет разбавления парогазовых продуктов паром, т.е. к увеличению капитальных и эксплуатационных затрат. Кроме того, в нагревателе газификаторе газ-окислитель подают путем радиальных струй в его нижнюю часть, а смесь теплоносителя и отработанных частиц топлива (углеродсодержащего материала) вводят в верхнюю часть нагревателя-окислителя сверху вниз, что не обеспечивает эффективного сжигания органической массы полукокса и как следствие приводит к значительному недожогу и снижению суммарного энергетического коэффициента полезного действия установки в целом. Кроме того, при этом возрастают эксплуатационные расходы.

Целью изобретения является повышение эффективности способа и установки при обработке различных углеродсодержащих материалов в безотходных и экологически чистых технологиях при производстве тепловой и электрической энергии с получением при этом продуктов с pазличными свойствами.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей установки, повышение ее надежности, уменьшение капитальных и энергетических затрат.

Cущность предлагаемого способа термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя состоит в том, что он включает измельчение и сушку исходных углеродсодержащих материалов, подачу в реактор, имеющий переменное поперечное сечение, частиц углеродсодержащих материалов в его среднюю часть, подачу пара в нижнюю часть реактора и подачу нагретого твердого теплоносителя, контактирование частиц материала, и теплоносителя в режиме кипящего слоя, нагрев частиц до температуры термического разложения, отделение пыли от образующихся парогазовых продуктов, возврат пыли в кипящий слой частиц, отвод парогазовых продуктов на разделение, отвод смеси отработанных твердых частиц и твердого теплоносителя из нижней части реактора, подачу их в нагреватель-газификатор в восходящем потоке инертного газа, нагрев смеси частиц в зоне окисления нагревателя-газификатора в присутствии газа-окислителя и подачу нагретых частиц в качестве твердого теплоносителя в реактор, отделение образующихся в зоне окисления газов от твердых частиц и возврат твердых частиц в зону окисления нагревателя-газификатора.

В предлагаемом способе нагретый твердый теплоноситель подают в среднюю часть реактора в кипящий слой смеси частиц материала и теплоносителя, отводят смесь отработанных твердых частиц материала и теплоносителя из нижней части реактора. Смесь отработанных твердых частиц материала и теплоносителя подают в нижнюю часть нагревателя-газификатора и нагрев смеси частиц в нагревателе-газификаторе ведут в режиме кипящего слоя.

Для обработки различных углеродсодержащих материалов обработку смеси твердого теплоносителя и твердых частиц материала ведут с добавлением в кипящий слой воды и/или водяного пара, жидкого и/или газообразного топлива.

Предлагаемая установка для термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя содержит реактор, имеющий вертикальный корпус переменного сечения, снабженный средством для ввода обрабатываемого материала в среднюю часть, средством для ввода пара в нижнюю часть и патрубком для отвода парогазовых продуктов из верхней части, нагреватель-газификатор, имеющий вертикальный корпус, снабженный средством для подвода газа-окислителя и патрубками для отвода газообразных продуктов газификации из верхней части и твердого теплоносителя из нижней части, напорный стояк, подсоединенный к реактору и верхним концом к нагревателю-газификатору, спускной стояк, подсоединенный верхним концом к нижней части нагревателя-газификатора и нижним концом к реактору, циклоны парогазовых продуктов, расположенные внутри корпуса реактора в его верхней части с патрубками для отвода пыли в кипящий слой частиц обрабатываемого материала и твердого теплоносителя и патрубками для отвода парогазовых продуктов, систему для разделения парогазовых продуктов, включающую ректификационную колонну, подсоединенную к патрубку для отвода парогазовых продуктов, циклоны продуктов газификации с патрубками для отвода пыли и отвода продуктов газификации, подсоединенные к нагревателю-газификатору.

В предлагаемой установке нижний конец спускного стояка подсоединен к средней части корпуса реактора, верхний конец напорного стояка подсоединен к нижней части корпуса нагревателя-газификатора, а нижний конец напорного стояка подсоединен к нижней части корпуса реактора.

Дополнительные отличия установки состоят в том, что нагреватель-газификатор расположен над реактором и соосно с ним, нижняя часть нагревателя-газификатора выполнена с диаметром большим диаметра верхней расширенной части реактор, напорный и спускной стояки снабжены температурными компенсаторами, расположены вертикально и симметрично относительно оси реактора и на расстоянии L от оси, удовлетворяющему соотношению 0,5Д₁ > L > 0,5Д₂ где Д₁ диаметр нижней части корпуса нагревателя-газификатора; Д₂ наибольший диаметр верхней части корпуса реактора.

Нагреватель-газификатор снабжен средствами для подвода жидкого и/или газообразного топлива, воды и/или водяного пара, подсоединенные к средней части корпуса. Циклоны продуктов газификации расположены внутри корпуса нагревателя-газификатора в его верхней части, причем патрубки для отвода пыли направлены в кипящий слой твердого теплоносителя и отработанных частиц топлива.

Установка снабжена котлом, подсоединенным к патрубку для отвода газообразных продуктов газификации из нагревателя-газификатора, а также закалочным устройством, подсоединенным входом к патрубку для отвода парогазовых продуктов из реактора и одним выходом к ректификационной колонне, а другим выходом к емкости для сбора жидких продуктов закалки. Установка отличается тем, что она снабжена холодильником твердого материала со средствами для ввода водяного пара и/или воды, подсоединенным входом к нижней части реактора и выходом к верхней части нагревателя-газификатора.

Реактор для разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя содержит вертикальный корпус переменного поперечного сечения с патрубком для отвода парогазовых продуктов, средство для ввода обрабатываемых материалов, подсоединенное к средней части корпуса, спускной стояк для ввода нагретого твердого теплоносителя, напорный стояк для отвода твердого теплоносителя, средство для ввода пара в нижнюю часть корпуса, циклоны парогазовых продуктов, расположенные внутри корпуса в его верхней части с патрубками для отвода пыли в кипящий слой частиц материала и твердого теплоносителя и патрубками для отвода парогазовых продуктов, и отличается тем, что нижний конец спускного стояка подсоединен к средней части корпуса, а нижний конец напорного стояка подсоединен к нижней части корпуса.

Дополнительные отличия реактора состоят в том, что он снабжен наклонными съемными перегородками, расположенными в нижней части корпуса, смежные перегородки смещены относительно друг друга и в горизонтальной проекции частично перекрывают друг друга. В предложенном реакторе средство для ввода пара выполнено в виде горизонтальных труб, расположенных под нижними наклонными перегородками и снабженных соплами, направленными вниз под острым углом к оси корпуса и в сторону оси корпуса. Реактор снабжен дополнительным средством для отвода твердых продуктов, подсоединенным к нижней части корпуса.

Предлагаемый нагреватель-газификатор твердого теплоносителя, используемый при разложении твердых углеродсодержащих материалов, содержит вертикальный корпус, напорный стояк для ввода твердого теплоносителя, подсоединенных верхним концом к корпусу, спускной cтояк для отвода нагретого твердого теплоносителя, подсоединенный верхним концом к нижней части корпуса, средство для подвода газа-окислителя, патрубок для отвода продуктов газификации, подсоединенный к верхней части корпуса, и циклоны продуктов газификации с патрубками для отвода пыли и патрубками для отвода газообразных продуктов газификации, подсоединенные к корпусу, отличается тем, что он снабжен средствами для подвода жидкого и/или газообразного топлива, воды и/или водяного пара, подсоединенными к средней части корпуса, средство для подвода газоокислителя выполнено в виде радиальных труб и подсоединенных к ним распределительных труб с соплами, причем сопла подсоединены к нижним секторам труб, расположены под острыми углами к горизонтали и направлены вниз в различные стороны от оси распределительной трубы, напорный стояк для ввода твердого теплоносителя подсоединен верхним концом к нижней части корпуса.

Дополнительные отличия нагревателя-газификатора состоят в том, что циклоны продуктов газификации расположены внутри корпуса в его верхней части, патрубки для отвода пыли направлены в кипящий слой твердого теплоносителя и твердого материала, и средства для подвода жидкого или/газообразного топлива, воды и/или водяного пара расположены выше средства для подвода газа-окислителя.

На фиг.1 представлена схема установки для осуществления способа; на фиг. 2 продольный разрез реактора и нагревателя-газификатора; на фиг.3 разрез по А-А на фиг. 2; на фиг.4 разрез по Б-Б на фиг.3; на фиг.5 разрез по В-В на фиг.2; на фиг.6 разрез Г-Г на фиг.2; на фиг.7 разрез по Д-Д на фиг.6.

Установка для осуществления способа термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя (фиг.2) содержит реактор 1, имеющий вертикальный корпус 2 переменного сечения с патрубком 3 для отвода парогазовых продуктов из верхней части, нагреватель-газификатор 4, имеющий вертикальный корпус 5 с патрубком 6 для отвода газообразных продуктов газификации. Нагреватель-газификатор 4 расположен над реактором 1 и соосно с ним. Напорный стояк 7 для ввода твердого теплоносителя в нагреватель-газификатор 4 подсоединен верхним концом к нижней части корпуса 5 нагревателя-газификатора 4, а нижним концом к нижней части корпуса 2 реактора 1. Спускной стояк 8 для отвода нагретого твердого теплоносителя подсоединен верхним концом к нижней части корпуса 5 нагревателя-газификатора 4, а нижним концом к средней части корпуса 2 реактора 1.

Установка дополнительно содержит (фиг.1) систему для разделения парогазовых продуктов, включающую ректификационную колонну 9 и закалочное устройство 10, подсоединенное входом к патрубку 3 для отвода парогазовых продуктов из реактора 1 и одним выходом к ректификационной колонне 9, а другим выходом к емкости 11 для сбора жидких продуктов закалки, котел 12, подсоединенный к патрубку 6 для отвода газообразных продуктов газификации корпуса 5 нагревателя-газификатора 4, холодильник твердого материала 13 со средством 14 для ввода водяного пара и/или воды, подсоединенным входом к нижней части корпуса 2 реактора 1 и выходом к верхней части корпуса 5 нагревателя-газификатора 4. Нижняя часть нагревателя-газификатора 4 выполнена с диаметром большим диаметра верхней, расширенной части реактора 1. Реактор cнабжен циклонами 15 и 16 парогазовых продуктов, расположенными внутри корпуса 2 в его верхней части с патрубками 17 и 18 для отвода пыли в кипящий слой обрабатываемого материала и теплоносителя и патрубками 19 и 20 для отвода парогазовых продуктов. Реактор снабжен средством 21 для ввода пара в нижнюю часть корпуса 1 и средством 22 для ввода обрабатываемого материала, подсоединенным к средней части корпуса 2, дополнительным средством 23 для отвода смеси твердых продуктов, подсоединенным к нижней части корпуса 2. Реактор снабжен наклонными съемными перегородками 24 и 25, расположенными в нижней части корпуса 2. Смежные перегородки 24, 25 смещены относительно друг друга и в горизонтальной проекции частично перекрывают друг друга.

Cредство 21 для ввода пара выполнено в виде горизонтальных труб 26, расположенных под нижними наклонными перегородками 24 и снабженных соплами 27, направленными вниз под острым углом к оси корпуса 2 и в сторону к оси корпуса 2.

Нагреватель-газификатор 4 снабжен циклонами 28 и 29 продуктов газификации, расположенными внутри корпуса 5 в его верхней части с патрубками 30 и 31 для отвода пыли в кипящий слой твердого материала и теплоносителя и патрубками 32 и 33 для отвода газообразных продуктов газификации, средствами 34 и 35 для подвода жидкого и/или газообразного топлива, воды и/или водяного пара, подсоединенными к средней части корпуса 5, средством 36 для подвода газообразного окисляющего агента и патрубком 37 для ввода газообразных продуктов и пыли, подсоединенным к верхней части корпуса 5 и патрубком 38 для вывода твердого материала и теплоносителя, подсоединенного к нижней части корпуса 5.

Cредство 36 для подвода газообразного окисляющего агента (фиг.3 и 4) выполнено в виде радиальных труб 39 и подсоединенных к ним распределительных труб 40 с соплами 41, причем сопла подсоединены к нижним секторам труб 40, расположены под острыми углами к горизонтали и направлены вниз в различные стороны от оси распределительной трубы 40.

Cредства 34 и 35 для подвода жидкого и/или газообразного топлива, воды и/или водяного пара и верхние концы напорного и спускного стояков 7 и 8 расположены выше средства 36 для подвода газообразного окисляющего агента. Напорный и спускной стояки 7 и 8 снабжены температурными компенсаторами 42 и 43 и регулируемыми задвижками 44 и 45, установленными в их нижних частях. Стояки 7 и 8 расположены вертикально, симметрично относительно реактора 1 на расстоянии L от оси согласно соотношению 0,5Д₁ > L > 0,5Д₂, где Д₁ диаметр нижней части корпуса 5 нагревателя-газификатора 4, Д₂ наибольший диаметр верхней части корпуса 2 реактора 1. Напорный стояк 7 снабжен отбойной пластиной 46, расположенной над его верхним концом, а спускной стояк 8 снабжен воронкой 47.

В верхней части нагревателя-газификатора 4 установлена перегородка 48, к которой подсоединены патрубки 32 и 33 циклонов 28 и 29 продуктов газификации, и патрубок 6 для отвода газообразных продуктов газификации из нагревателя-газификатора 4. Верхняя часть корпуса 2 реактора 1 и нижняя часть корпуса 5 нагревателя-газификатора соединены между собой при помощи цилиндрической оболочки 49.

Установка (фиг. 1) содержит складское хозяйство 50 длительного хранения исходных твердых материалов низкосортного твердого топлива, твердого теплоносителя, в качестве которого используется зола топлива или речной песок, и известняка с машинами и механизмами (на фиг.1 не показаны), предназначенными для их транспортирования в пневмотранспортном или конвейерно-элеваторном исполнении, сушильно-размольное отделение 51, оборудованное дробильными и размольными механизмами (на фиг.1 не показаны), дробильно-мельничное устройство 52, в котором пpоисходит сушка топлива, бункеры 53, 54 и 55 для хранения твердого топлива, твердого теплоносителя и известняка, шнековый питатель 56 для подачи в реактор 1 исходного твердого материала и шнековый питатель 57 для подачи в реактор 1 твердого теплоносителя и известняка, автономную топку 58 для разогрева установки и подсоединенную к дробильно-мельничному устройству 52, воздухоподогреватель 59 парового котла 12, устройство тонкой пылеочистки 60, вентилятор 61 для подачи холодного воздуха или смеси холодного и горячего воздуха, насосы 62, 63, 64, 65, 66, 67 и 68, пневмотранспортные трубы 69, 70, 71, 72, 73 и 74, задвижки-вентили 75 и 76, холодильники 77 и 78, дефлегматор 79, а также ректификационное отделение 80, отделение производства битуминозных материалов 81 и производство строительных материалов 82.

Установка работает следующим образом (фиг.1). Исходные материалы железнодорожным или автомобильным транспортом в насыпном виде или в контейнерах доставляются в складское хозяйство 50. Низкосортное твердое топливо по классу крупности поставляется, как "рядовое", т.е. с размером кусков 0-200 мм. Твердый теплоноситель (зола или речной песок) и известняк могут поставляться с размерами частиц, пригодными для непосредственного использования на установке. В том случае, если необходима их подготовка, то они ее проходят аналогично исходному топливу, которое поступает в сушильно-размольное отделение 51. Технологическое оборудование складского хозяйства 50 и сушильно-размольного отделения 51 на фигурах не показаны,так как их номенклатура и схема работы являются широкоизвестными.

Последним конструктивным элементом в пылеприготовленных схемах перед подачей топлива на обработку является дробильно-мельничное устройство 52. В нем, помимо изменения частиц до требуемых размеров (0-10 мм), происходит сушка топлива по меньшей мере, до его воздушно-сухого состояния, что обеспечивает удовлетворительные сыпучие свойства при бункерном хранении. Сушку топлива производят либо горячим воздухом, подаваемым из воздухоподогревателя 59 парового котла 12, либо смесью горячего и холодного воздуха, подаваемого вентилятором 61, либо дымовыми газами, генерируемыми в автономной топке 58, температура которых должна быть не выше 450^oС, что достигается присадкой холодного воздуха. Вид сушильного агента и температурный режим сушки определяется свойствами перерабатываемого топлива.

Cушильный агент по пневмотранспортной трубе 69 подает твердые частицы поочередно, соответственно в приемные бункеры исходного топлива 53, твердого теплоносителя 54 и известняка 55. После этого сушильный агент сбрасывается в газовое сепарационное пространство нагревателя-газификатора 4 для пылеочистки. В случае остановки (аварийного или планового) во избежание слипания частиц твердых материалов с потерей ими сыпучих свойств при длительном хранении бункеры опорожняют по автономным трубопроводам соответственно исходного топлива 70, твердого теплоносителя 71 и известняка 72 в складское хозяйство 50.

Далее установку загружают твердым теплоносителем из бункера 54, который подают шнековым питателем 57 в реактор 1. Известняк из бункера 55 подают этим же питателем в случае переработки сернистого или высокосернистого топлива, а также малозольного топлива, когда в качестве твердого теплоносителя, используется инертный материал (например, речной песок) или когда зола собственного топлива содержит незначительное количество (менее 10%) окислов кальция и магния. При загрузке установки твердым теплоносителем производят ее разогрев при помощи дымовых газов, генерируемых в автономной топке 58 и подаваемых в средство 36 для подвода газообразного окисляющего агента нагревателя-газификатора 4, где формируется кипящий слой твердого теплоносителя. Автономная топка 58 работает либо на природном газе, либо на тяжелых жидких продуктах, выделяемых из перерабатываемого топлива. Твердый теплоноситель из реактора 1 подают в напорный стояк 7, снабженный регулирующей задвижкой 45, где он подхватывается транспортирующим воздухом, нагнетаемым вентилятором 61. Твердый теплоноситель выводится из нагревателя-газификатора 4 по спускному стояку 8, снабженному регулирующей задвижкой 45 в реактор 1. Тем самым замыкается контур циркуляции твердого теплоносителя между реактором 1 и нагревателем-газификатором 4.

По достижении температуры в контуре циркуляции теплоносителя 400-600^oС (в зависимости от вида перерабатываемого топлива) в реактор 1 шнековым питателем 56 подают исходное топливо из бункера 53. После поступления топлива в реактор прекращают подачу дымовых газов в средство 36 для подвода газообразного окисляющего агента нагревателя-газификатора 4, куда подают воздух от вентилятора 61. При этом автономную топку 58 отключают. Низкосортное твердое топливо, поступившее в реактор 1, подвергается термическому разложению без доступа воздуха в кипящем слое твердого теплоносителя. Кипящий слой формируется за счет выделения из исходного топлива продуктов термического разложения (газов и смол) и испарения оставшейся после сушки внешней влаги топлива, а также за счет водяного пара, который подают через средство 21 для ввода пара, расположенное в нижней части реактора 1. Водяной пар, поднимаясь вверх навстречу нисходящему по полкам потому смеси твердого теплоносителя и полукокса, десорбирует из их поверхностных пор увлекаемые углеводороды. В то же время водяной пар в нижней десорбционной зоне реактора играет роль гидравлического затвора между реактором 1, в котором основная газовая среда состоит из углеводородов, и напорным стояком 7, заполненным воздухом. Высоту кипящего слоя регулируют задвижкой 44. Температура в реакторе поддерживается в пределах 450-750^oC в зависимости от вида перерабатываемого топлива. Низкие температуры процесса поддерживают при переработке менее термически стабильных топлив (сланец, лигнит, торф), а более высокие температуры процесса применяют при термическом разложении бурых углей и промышленных отходов. Регулирование температуры процесса термического разложения осуществляют в основном за счет регулирования температуры твердого теплоносителя, подаваемого из нагревателя-газификатора 4, в пределах 600-950^oC.

Балансовую часть твердого материала, накапливающегося в контуре установки, которую необходимо вывести, отбирают из нижней части реактора через задвижку 76 по трубопроводу 74, в том случае, если образующийся полукокс по своим свойствам отвечает требованиям, предъявляемым к адсорбентам для очистки замазученных стоков, и используется в качестве готовой продукции, или может служить основным компонентом при изготовлении топливных брикетов. Как правило, такими свойствами обладает полукокс, полученный при термическом разложении малозольного топлива (зольность около 10%).

Cмесь твердого теплоносителя и полукокса, участвующая в контуре циркуляции, выводится через смесительный узел напорного стояка 7, где подхватывается транспортирущим агентом-воздухом (или водяным паром) и подается в кипящий слой нагревателя-газификатора. Горение полукокса происходит в температурном диапазоне 650-950^oC в кипящем слое твердого теплоносителя, который формируется подачей воздуха через средство 36 для подвода газообразного окисляющего агента. Регулирование температуры горения осуществляют по трем вариантам. При незначительных отклонениях температуры от заданных значений изменяют расход воздуха в коллектор. При значительном увеличении температуры в кипящий слой через средство 35 вводят воду или водяной пар для осуществления эндотермической реакции разложения водяного пара на поверхности углеродистых частиц с образованием водорода и окиси углерода. При значительном уменьшении температуры в кипящий слой через средство 34 для подвода жидкого и/или газообразного топлива вводят либо тяжелые продукты, выделяемые из перерабытываемого топлива, либо замазученные стоки, либо высокосернистый мазут для их сжигания, тем самым осуществляя их термическое и огневое обезвреживание. Дымовые газы, образующиеся в процессе сжигания различных органических компонентов в кипящем слое твердого теплоносителя и прошедшие сепарационную зону нагревателя-газификатора и двухступенчатую циклонную очистку в циклонах продуктов газификации 28 и 29,выводят для дожигания в паровой котел 12. Вывод балансовой части твердого продукта из нагревателя-газификатора осуществляют из нижней части кипящего слоя через задвижку 75 по трубопроводу 73 в том случае, если твердый озоленный продукт по своим свойствам может быть использован в производстве строительных материалов. Этот продукт в большинстве случаев получается при переработки высокозольных топлив.

Балансовый твердый продукт (полукокс из реактора или озоленный продукт из нагревателя-газификатора) периодически выводят по трубопроводам соответственно 74 и 73 и подают в холодильник твердого материала 13 в зону кипящего слоя. Кипящий слой формируется путем подачи в холодильник водяного пара через средство 14 для ввода водяного пара и/или воды, а основным охлаждающим агентом является техническая вода, подаваемая насосом 62. Водяные пары отводят из верхней части холодильника и подают их для обеспыливания в сепарационную зону нагревателя-газификатора 4, где вместе с дымовыми газами они проходят двухступенчатую циклонную очистку в циклонах продуктов газификации 28 и 29 перед сбросом в паровой котел 12. Температура охлаждения твердого продукта в холодильнике не должна быть ниже 110-120^oC во избежание интенсивной конденсации водяных паров в охлажденном твердом продукте. По достижении этой температуры прекращается подача воды в холодильник, а затем подача водяного пара. Твердый продукт выгружается из установки и используется по назначению. При выводе полукокса из реактора 1 его направляют в производство битуминозных материалов 81 для изготовления топливных брикетов, а озоленный продукт из нагревателя-газификатора 4 направляют в производство строительных материалов 82.

Парогазовую смесь, образующуюся в процессе термического разложения твердого топлива в кипящем слое твердого теплоносителя и прошедшую сепарационную зону реактора 1 и двухступенчатую циклонную очистку в циклонах парогазовых продуктов 15 и 16, выводят из реактора и подают либо непосредственно на сжигание в паровой котел 12, либо на дальнейшую химическую переработку.

В этом случае парогазовую смесь из реактора подают в закалочное устройство 10 (авт. св. СССР N 1221227 от 23.05.83, кл. С 10 G 9/28), назначение которого помимо основной цели быстрого снижения температуры для прекращения реакций термического разложения и вторичных реакций полимеризации и поликонденсации и выделения тяжелой смолистой фракции заключается в том, что парогазовая смесь очищается от неуловленной пыли, что исключает забивание последующих газоходов коксосмолистыми фусами. Парогазовую смесь вместе с унесенными твердыми частицами вводят в закалочное устройство 10 тангенциально при температуре 450-750^oC. В образовавшийся вихревой поток через сопло, распложенное по оси аппарата, подают охлажденную техническую воду, при испарении которой температуру парогазовой смеси снижают до уровня, достаточного для прекращения нежелательных реакций (300-400^oC). Твердые частицы под действием центробежных сил отбрасываются на стенки закалочного устройства 10 и смываются пленкой термостабильной жидкости, которую подают в его верхнюю кольцевую крышку. В качестве термостабильной жидкости используют сконденсировавшуюся тяжелую фракцию парогазовой смеси, которую после охлаждения в водяном холодильнике поверхностного типа 77 и отстоя в емкости для сбора жидких продуктов 11, подают насосом 63 в качестве рециркулята. Балансовую часть тяжелой фракции с уловленными частицами выводят в производство битуминозных материалов 81 для изготовления топливных брикетов и рубероида.

Охлажденную парогазовую смесь вместе с водяными парами подают под нижнюю тарелку ректификационной колонны 9, создавая восходящее движение парогазового потока по всему сечению и высоте колонны. Снизу колонны отбирают при температуре 300-350^oC тяжелую фракцию сконденсировавшейся смолы, которую после охлаждения в водяном холодильнике 78 поверхностного типа подают насосом 66 на орошение в среднюю часть колонны при температуре 200-250^oC. Балансовую часть этой фракции смолы насосом 66 подают также на собственные нужды установки в качестве топлива для автономной топки 58 и нагревателя-газификатора 4, а также для дальнейшей переработки в ректификационном отделении 80 с целью производства битума. Таким образом, в нижней части колонны реализуется противоток, в котором восходящий газовый поток обогащается легколетучим компонентом, а нисходящая жидкость - высококипящими углеводородами.

C нижней тарелки верхней части колонны отбирают среднюю фракцию смолы (180-320^oC) и подают насосом 67 для дальнейшей переработки в ректификационное отделение 80. В верхней части колонны поддерживают температурный режим 100-150^oС путем подачи на орошение на верхнюю тарелку части легкой фракции (90-180^oC), выделенной в дефлегматоре 79, а остальную часть легкой фракции подают насосом 65 для дальнейшей переработки в ректификационное отделение 80.

Высококалорийный газ из дефлегматора подают на сжигание в паровой котел 12. Паровой котел таким образом работает на газообразном топливе: высококалорийном газе и высокотемпературном дымовом газе, в котором присутствуют мельчайшие твердые частицы, неуловленные двухступенчатой циклонной очисткой нагревателя-газификатора 4. Для улавливания этих частиц после воздухоподогревателя котла устанавливают дополнительную систему 60 тонкой пылеочистки (тканевый фильтр или электрофильтр). Из этом системы пылеочистки, а также из сухой воронки парового котла 5 пыль самостоятельными потоками направляют в производство строительных материалов 62 и производство битуминозных материалов 81. Последнее обстоятельство важно потому, что при производстве строительных материалов на разных стадиях требуются частицы различного, но довольно близкого дисперсного состава. На предлагаемой установке происходит технологическая фракционировка уловленных твердых частиц, поскольку отбор их ведется в пяти точках: реакторе 1, нагревателе-газификаторе 4, закалочном аппарате 10, паровом котле 12 и системе 60 тонкой пылеочистки. Обеспыленные дымовые газы выбрасываются в атмосферу. В паровой котел насосом 68 подаются химочищенная вода которая может частично отбираться после водяного экономайзера в качестве товарного продукта горячей воды, а остальная часть после перегрева в виде водяного пара. Кроме того, вода насосом подается в водяные холодильники 77, 78 поверхностного типа и дефлегматор 79, где, нагреваясь, является товарным продуктом горячей водой.

Предлагаемый способ и установка позволяют за счет противоточного движения в реакторе в режиме кипящего слоя смеси твердого углеродсодержащего материала и твердого теплоносителя и водяного пара, подаваемого в нижнюю часть реактора, обеспечить их интенсивное перемешивание, при этом снизить эксплуатационные и капитальные затраты, так как энергия вводимого пара расходуется только на преодоление гидравлического сопротивления газового тракта, а сокращение расхода пара, подаваемого в реактор, приводит к уменьшению габаритов ректификационной системы.

Нагрев твердого теплоносителя в нагревателе-газификаторе производят в режиме кипящего слоя, что обеспечивает длительное время контактирования твердого материала с газом-окислителем, способствуя полноте дожигания органической части топлива, и приводит к повышению энергетического коэффициента полезного действия установки в целом. Реализуемая в установке система подачи в кипящий слой частиц твердого теплоносителя и материала - воды, водяного пара, газообразного и жидкого топлива, а также известняка и песка позволяет перерабатывать по предложенному способу различные твердые углеродсодержащие материалы, существенно отличающиеся по своим характеристикам: влажности, зольности, содержанию сернистых соединений. При этом достигаются требуемые экологические показатели со снижением до допустимых норм выбросов в окружающую среду окислов серы, азота и мелких твердых частиц.

Cнижение выбросов сернистых соединений обеспечивается за счет связывания серы на стадиях термического разложения углеродсодержащих материалов и дожигания твердого остатка окислами кальция, содержащимися в зоне материала или известняке, с образованием безвредных сульфатных соединений, типа гипса, которые выводят из установки. Уменьшение выбросов окислов азота достигается за счет дожигания органической части материала в нагревателе-газификаторе при относительно низких температурах (до 950^oC), при которых азот, содержащийся в твердом материале, практически не участвует в образовании окислов азота. Поэтому окислы азота могут образовываться только при сжигании парогазовой смеси термического разложения в паровом котле, как при сжигании, например, природного газа. Но и на этой стадии уменьшается образование окислов азота за счет подачи в зону горения газообразного топлива дымовых газов из нагревателя-газификатора с температурой до 950^oC, т.е. реализуется так называемая рециркуляционная система снижения температуры в зоне горения путем ввода дымовых газов. Уменьшение выбросов пыли в окружающую среду обеспечивается многоступенчатой циклонной очисткой на стадии разложения углеродсодержащих материалов, мокрой очисткой в закалочном устройстве, а также применением тонкой очистки дымовых газов после парового котла.

Кроме того, по предлагаемому способу осуществляется безотходная технология переработки различных углеродсодержащих материалов. Широкий ассортимент побочной товарной продукции, кроме производства тепловой и электрической энергии, включает в себя ценные жидкие химические продукты, а также твердые продукты (адсорбенты и строительные материалы). Помимо насыщения рынка потребительскими товарами, это приводит к сокращению сроков окупаемости установки.

Cоосное расположение реактора и нагревателя-газификатора в едином агрегате делает установку компактной, с минимальными количеством и линейными размерами напорного и спускного стояков, что уменьшает габариты установки и приводит к снижению капитальных затрат. Размещение циклонов продуктов газификации внутри корпуса нагревателя-газификатора обеспечивает возврат уловленной пыли в кипящий слой по прямым вертикальным стоякам, что способствует надежной работе пылепроводов в благоприятных гидравлических условиях, когда система циркуляционного контура твердого материала гидравлически замкнута.

Для улучшения смешения твердого материала и газа-окислителя, а также увеличения времени пребывания твердого материала в нагревателе-газификаторе, что способствует повышению энергетического коэффициента полезного действия установки за счет полноты дожигания топлива, средство для подвода газа-окислителя выполнено в виде радиальных труб и подсоединенных к ним распределительных труб с соплами. Сопла подсоединены к нижним секторам труб под острыми углами к горизонтам и направлены вниз в различные стороны от оси распределительной трубы, что способствует снижению абразивного износа сопел с обеспечением равномерного распределения газа-теплоносителя по всему поперечному сечению нагревателя-газификатора.

C целью снижения абразивного износа и увеличения межремонтного пробега установки средством для подвода пара в реакторе расположено под нижними наклонными перегородками и выполнено в виде горизонтальных труб, снабженных соплами, направленными вниз под острым углом к оси аппарата и в сторону его оси. Подобное расположение сопел позволяет создать равномерное по сечению реактора восходящее движение паровой фазы навстречу нисходящему потоку частиц, неоднократно меняющему направление при помощи наклонных перегородок, причем смежные перегородки смещены относительно друг друга и в горизонтальной проекции частично перекрывают друг друга.

Наклонные перегородки выполнены съемными, что позволяет производить краткосрочный ремонт и осмотр реактора во время остановок в минимальные сроки и с минимальными затратами. Выпускные устройства для пара в реакторе, как и для газа-окислителя в нагревателе-газификаторе, выполнены в виде сопел. За счет высоких скоростей газовых сред из сопел вокруг них создаются интенсивные вихревые газопылевые потоки, которые подвергают эрозии калиброванные отверстия сопел, требующие в этом случае замены. В предлагаемой установке сопла заменяются индивидуально без замены распределительных устройств, в которые они вмонтированы, что снижает эксплуатационные и капитальные затраты.

Формула изобретения

1. Способ термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя, включающий измельчение и сушку исходных углеродсодержащих материалов, подачу в реактор, имеющий переменное поперечное сечение, частиц углеродсодержащих материалов в его среднюю часть, подачу пара в нижнюю часть реактора и подачу нагретого твердого теплоносителя, контактирование частиц материалов и теплоносителя в режиме кипящего слоя, нагрев частиц до температуры термического разложения, отделение пыли от образующихся парогазовых продуктов, возврат пыли в кипящий слой частиц, отвод парогазовых продуктов на разделение, отвод смеси отработанных твердых частиц и твердого теплоносителя, подачу их в нагреватель-газификатор в восходящем потоке инертного газа, нагрев смеси частиц в зоне окисления нагревателя-газификатора в присутствии газа-окислителя и подачу нагретых частиц в качестве твердого теплоносителя в реактор, отделение образующихся в зоне окисления газов от твердых частиц и возврат твердых частиц в зону окисления газификатора-нагревателя, отличающийся тем, что нагретый твердый теплоноситель подают в среднюю часть реактора в кипящий слой смеси частиц материала и теплоносителя, отводят смесь отработанных твердых частиц материала и теплоносителя из нижней части реактора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь отработанных твердых частиц материала и теплоносителя подают в нижнюю часть нагревателя-газификатора и нагрев смеси частиц в нагревателе-газификаторе ведут в режиме кипящего слоя.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в кипящий слой частиц твердого теплоносителя и материала вводят водяной пар, и/или воду, и/или газообразное или жидкое топливо.

4. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что в кипящий слой частиц твердого теплоносителя и материала вводят известняк или песок.

5. Установка для термического разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя, содержащего реактор, имеющий вертикальный корпус переменного сечения, снабженный средством для ввода обрабатываемого материала в среднюю часть, средством для ввода пара в нижнюю часть и патрубком для отвода парогазовых продуктов из верхней части, нагреватель-газификатор, имеющий вертикальный корпус, снабженный средством для подвода газа-окислителя и патрубками для отвода газообразных продуктов газификации из верхней части и твердого теплоносителя из нижней части, напорный стояк, подсоединенный к реактору и верхним концом к нагревателю-газификатору, спускной стояк, подсоединенный верхним концом к нижней части нагревателя-газификатора и нижним концом к реактору, циклоны парогазовых продуктов, расположенные внутри корпуса реактора в его верхней части с патрубками для отвода пыли в кипящий слой частиц топлива и твердого теплоносителя и патрубками для отвода парогазовых продуктов, систему для разделения парогазовых продуктов, включающую ректификационную колонну, подсоединенную к патрубку для отвода парогазовых продуктов, циклоны продуктов газификации с патрубками для отвода пыли и отвода продуктов газификации, подсоединенные к нагревателю-газификатору, отличающаяся тем, что нижний конец спускного стояка подсоединен к нижней части корпуса нагревателя-газификатора, а нижний конец напорного стояка подсоединен к нижней части корпуса реактора.

6. Установка по п. 5, отличающаяся тем, что нагреватель- газификатор расположен над реактором и соосно с ним, нижняя часть нагревателя-газификатора имеет диаметр больше диаметра верхней расширенной части реактора, напорный и спускной стояки снабжены температурными компенсаторами, расположенными вертикально и симметрично относительно оси реактора и на расстоянии L от оси, удовлетворяющем соотношению 0,5D₁ > L > 0,5D₂, где D₁ диаметр нижней части корпуса нагревателя-газификатора; D₂ наибольший диаметр верхней части корпуса реактора.

7. Установка по пп.5 и 6, отличающаяся тем, что нагреватель-газификатор снабжен средствами для подвода жидкого, и/или газообразного топлива, и/или воды, и/или водяного пара, подсоединенными к средней части корпуса.

8. Установка по пп. 5-7, отличающаяся тем, что циклоны продуктов газификации расположены внутри корпуса нагревателя-газификатора, в его верхней части, причем патрубки для отвода пыли направлены в кипящий слой твердого теплоносителя и отработанных частиц топлива.

9. Установка по пп. 5-8, отличающаяся тем, что она снабжена паровым котлом, подсоединенным к патрубку для отвода газообразных продуктов газификации из нагревателя-газификатора.

10. Установка по пп. 5-9, отличающаяся тем, что она снабжена закалочным устройством, подсоединенным входом к патрубку для отвода парогазовых продуктов из реактора и одним выходом к ректификационной колонне, а другим выходом к емкости для сбора жидких продуктов закалки.

11. Установка по пп. 5-10, отличающаяся тем, что она снабжена холодильником твердого материала со средствами для ввода водяного пара и/или воды, подсоединенным входом к нижней части реактора и выходом к верхней части нагревателя-газификатора.

12. Реактор для разложения твердых углеродсодержащих материалов с использованием твердого теплоносителя, содержащий вертикальный корпус переменного поперечного сечения с патрубком для отвода парогазовых продуктов, средство для ввода обрабатываемых материалов, подсоединенное к средней части корпуса, спускной стояк для ввода нагретого твердого теплоносителя, напорный стояк для отвода твердого теплоносителя, средство для ввода пара в нижнюю часть корпуса, циклоны парогазовых продуктов, расположенные внутри корпуса в его верхней части с патрубками для отвода пыли в кипящий слой частиц материала и твердого теплоносителя и патрубками для отвода парогазовых продуктов, отличающийся тем, что нижний конец спускного стояка подсоединен к средней части корпуса, а нижний конец напорного стояка подсоединен к нижней части корпуса.

13. Реактор по п. 12, отличающийся тем, что он снабжен наклонными съемными перегородками, расположенными в нижней части корпуса, смежные перегородки смещены относительно друг друга и в горизонтальной проекции частично перекрывают друг друга.

14. Реактор по пп. 12 и 13, отличающийся тем, что средство для ввода пара выполнено в виде горизонтальных труб, расположенных под нижними наклонными перегородками и снабженных соплами, направленными вниз под острым углом к оси корпуса и в сторону оси корпуса.

15. Нагреватель-газификатор твердого теплоносителя, используемый при разложении твердых углеродсодержащих материалов, содержащий вертикальный корпус, напорный стояк для ввода твердого теплоносителя, подсоединенный верхним концом к корпусу, спускной стояк для отвода нагретого твердого теплоносителя, подсоединенный верхним концом к нижней части корпуса, средство для подвода газа-окислителя, патрубок для отвода продуктов газификации, подсоединенный к верхней части корпуса, и циклоны продуктов газификации с патрубками для отвода пыли и патрубками для отвода газообразных продуктов газификации, подсоединенные к корпусу, отличающийся тем, что он снабжен средствами для подвода жидкого и/или газообразного топлива, воды и/или водяного пара, подсоединенными к средней части корпуса, средство для подвода газа-окислителя выполнено в виде радиальных труб и подсоединенных к ним распределительных труб с соплами, причем сопла подсоединены к нижним секторам труб, расположены под острыми углами к горизонтали и направлены вниз в различные стороны от оси распределительной трубы, напорный сток для ввода твердого теплоносителя подсоединен верхним концом к нижней части корпуса.

16. Нагреватель-газификатор по п. 15, отличающийся тем, что циклоны продуктов газификации расположены внутри корпуса в его верхней части, патрубки для отвода пыли направлены в кипящий слой твердого теплоносителя и твердого материала.

17. Нагреватель-газификатор по пп. 15 и 16, отличающийся тем, что средства для подвода жидкого и/или газообразного топлива, воды и/или водяного пара расположены выше средства для подвода газа-окислителя.

18. Нагреватель-газификатор по пп. 15-17, отличающийся тем, что он снабжен средством для подвода известняка или песка.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7