Комплекс для переработки твердого топлива на основе биоресурсов и получения тепловой энергии

 

Изобретение относится к области комплексной переработки твердого топлива на основе биоресурсов и может быть использовано в энергетике и химической промышленности, конкретно, при газификации твердого топлива на основе торфа, угольной мелочи и опилок в газогенераторах. Комплекс выполнен в виде энергоблока, включающего блок оборудования подготовки и подачи топлива, воздуха и воды, по крайне мере один комплект разделения топлива на газообразную и твердую фракции, содержащим по крайне мере один газогенератор. При этом блок оборудования подготовки и подачи топлива выполнен в виде линии производства брикетов твердого топлива на основе биоресурсов, например, торфа, угольной мелочи и опилок. Линия производства твердого топлива включает блок подготовки смеси к брикетированию, который в свою очередь связан с процессом для брикетирования, причем блок снабжен системой для подготовки сырьевой смеси, состоящей, например, из торфа, угольной мелочи и опилок. Для каждого вида сырья предусмотрена своя система подготовки, включающая устройства для подачи, измельчения, переработки, дозатор. Кроме системы для подготовки сырьевой смеси, блок включает смеситель для смешивания подготовленных сырьевых компонентов смеси, насос для подачи воды, пресс-экструдер, сушку. Линия в свою очередь технологически связана с процессом газификации. Причем комплект разделения топлива на газообразную и твердую фракции содержит газогенераторную установку для газификации топливных брикетов на основе биоресурсов. Для осуществления газификации брикетов комплекс содержит газогенераторную установку, которая состоит из газогенератора и камеры окисления. Газогенератор состоит из бункера-питателя, дутьевой коробки, жестко смонтированной на раме, укрепленной на стойках. Непосредственно к дутьевой коробке снизу установлен золосборник, состоящий из корпуса, водооросительной системы и шнека выгрузки золы. Генераторный газ из газогенератора выводится по газоходу и направляется в газовую форсунку камеры окисления. Полученный теплоноситель по газоходу направляется к водогрейным котлам или теплообменнику. Основное назначение изобретения производство теплоносителя из нетрадиционных видов топлива для обеспечения существующих и действующих водогрейных котлов и теплообменников с суммарной мощностью до 1 Гкал. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области комплексной переработки твердого топлива на основе биоресурсов и может быть использовано в энергетике и химической промышленности, конкретно, при газификации твердого топлива в газогенераторах.

Изобретение относится в частности к комплексу утилизации биоресурсов с получением тепловой энергии, а также к производству твердого топлива из биоресурсов, то есть органических промышленных отходов (торфа, торфяных брикетов, древесных отходов и т.д.) такой формы, которая может подходить к, в частности, брикетам с определенной теплотворной способностью.

Изобретение направлено на создание комплекса для получения твердого топлива на основе биоресурсов, а именно, торфа, угольной мелочи и опилок, и его переработку, что способствует получению высококачественного коммунально-бытового топлива определенного класса, а также включает его газификацию с целью получения конечного продукта в виде тепловой энергии.

Известны установки для сжигания мусора с одновременным получением энергии. Однако функционирование таких установок с применением промышленных отходов, в частности, таких, которые могут использоваться для нетрадиционных отходов, зачастую содержащих галогены, может привести к повреждению установок. Кроме того, такое сжигание нетрадиционного топлива требует постоянства температуры, при которой происходит сжигание, которую очень трудно поддерживать, так как введение различных отходов с разной теплотворной способностью приводит к нежелательному изменению температуры сжигания отходов.

Эта проблема до настоящего времени в основном решалась за счет того, что для сжигания применялось большое количество дополнительных энергоносителей. Опасные вещества, например, диоксины, получающиеся при сжигании специфического мусора, также создают проблему, которая может быть решена только за счет того, что постоянно поддерживается температура сжигания выше 1260°С.

Кроме того, большинство горючих материалов склонны к образованию плотного поверхностного слоя во время сжигания или газификации, препятствующего или полностью исключающего сжигание или газификацию.

Другая проблема возникает при промежуточном или постоянном складировании токсических, твердых отходов, требующих дорогостоящих предохранительных мероприятий. Кроме того, в настоящее время становится все труднее найти новые места как для хранения специфического мусора, так и для размещения установок для сжигания его.

Кроме того, значительную, широко известную проблему представляет собой транспортировка.

Известен топливный брикет (патент РФ № 2091446, МПК C 10 L 5/14, 27.09.97), содержащий следующие компоненты в мас.%: измельченный торф - 27,5-32,5; измельченный уголь бурый или каменный 27,5-32,5 и нитрат целлюлозы до 100. Топливный брикет получают смешиванием компонентов с добавлением в качестве растворителя этилацетата, массу прессуют на гидравлическом прессе через матрицы при давлении 15 МПа. Готовые шнуры режут на длину 200 мм и сушат при температуре 50°С до постоянного веса.

Недостатком известного является то, что рецептура и технология изготовления этих брикетов предусматривает применение растворителя. Это делает технологический процесс опасным. А также введение в состав брикета химических веществ окислителя усложняют технологических процесс и увеличивают стоимость брикетов.

К недостаткам известной системы относится и то, что в ней готовый продукт для сжигания используется в обезвоженном и необогащенном виде, что приводит к недожегу топлива и ухудшению экологии.

Известен способ газификации твердого топлива, измельченного до фракции мельче 100 мкм, в прямоточном газогенераторе вертикального типа под давлением на парокислородном дутье (патент США № 4272255, кл. 48-63, оп. 1981).

Известен генератор, включающий в себя корпус, горелку для ввода топлива и парокислородной смеси или кислорода, размещенную в верхней части аппарата, патрубки отвода газа и шлака в нижней части газогенератора (заявка ФРГ №3534015, кл. C 10 J 3/00, 1986).

Недостатком известного решения является невысокий КПД газификации в результате того, что температура газа и шлака на выходе из генератора должна быть не ниже температуры нормального жидкого шлакоудаления во избежание шлакования стенок реактора. Эта температура для различных углей составляет 1650-1800К. При столь высокой температуре газа, требуется громоздкий и дорогой радиационный теплообменник, работающий в жестких условиях в коррозионной среде. Недостатком известной конструкции является наличие футеровки внутри аппарата, что усложняет монтаж аппарата, требует периодических остановок газогенератора для замены футеровки.

Известен способ газификации твердого топлива в стационарном слое с использованием отсева мелкофракционного топлива (авторское свидетельство СССР № 106090, кл. C 10 J 3/08, оп. 1956). Этот способ реализуется в газогенераторе, представляющем собой вертикальную реакционную камеру, в которую сверху подают топливо, а снизу осуществляют эвакуацию золы. Загружаемое топливо образует стационарный слой, лежащий на распределительной решетке, через которую подают газифицирующий агент (первичный воздух с добавлением пара). Слой топлива в нижней части газогенератора раскален, и в нем происходит активное реагирование между углеродом топлива и подаваемым в газогенератор дутьем. Образовавшиеся высокотемпературные продукты реагирования, поднимаются вверх, подсушивая и пиролизуя вышележащие слои топлива. При этом продукты полного сгорания (СО, Н₂О) реагируют с углеродом и восстанавливаются, образуя горючие компоненты (СО, Н₂). Выходящий из слоя генераторный газ отводится в верхней части газогенератора. Для более интенсивного протекания реакции газификации топливо подвергают предварительной подготовке, дробя и измельчая его до размера частиц 0-25 мм, в газогенератор подают топливо 6-25 мм. Реализация этого способа включает трудо- и энергоемкую стадию предварительной подготовки топлива с дроблением, измельчением и отсевом мелких фракций.

К недостаткам известного способа можно отнести наличие операции отсева мелкофракционных частиц на стадии топливоподготовки и организацию пневмотранспорта для вдувания отсеянных частиц в стационарный слой. Кроме этого, теплотворная способность генераторного газа низка и не превышает значение 1400 ккал/куб.м.

Как видно из приведенного выше анализа, известны установки отдельно по производству твердого топлива; его переработки; сжиганию; газификации; известны установки для газификации твердого топлива. Но нет единого комплекса по переработки твердого топлива, включающего стадии подготовки и получения коммунально-бытового топлива на основе биоресурсов и последующую его газификацию с целью получения тепловой энергии.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и принятому за прототип является известен энергоблок (патент РФ № 2174611, МПК⁷ F 01 K 21/04, F 23 B 1/14, оп. 10.10.2001 г.), включающий оборудование подготовки и подачи топлива, воздуха и воды, подогрева и циркуляции воды и/или теплоносителя, по крайне мере один электрогенератор с расширительной машиной, также снабжен по крайне мере одним комплектом оборудования для термического разделения топлива на газообразную и твердую фракции, содержащим по крайне мере один газогенератор в виде полой камеры сгорания с полой герметичной вставкой, соединенной с затворами.

Недостатками известного технического решения в основном является то, что установка может работать на газообразном, жидком топливе, а также на указанных видах топлива с небольшой добавкой твердого топлива, например, каменного угля, сланцев, торфа, опилок и, во-вторых, система является конструктивно сложной.

Предлагаемое изобретение направлено на решение вышеуказанных недостатков и от его использования может быть получен следующий технический результат:

создание цикла без остаточной переработки твердого топлива на основе утилизации биоресурсов с полным извлечением ценного продукта и направление его потребителю при сохранении чистоты окружающей среды.

Достигается это тем, что предлагаемый комплекс выполнен в виде энергоблока, включающего блок оборудования подготовки и подачи топлива, воздуха и воды, по крайне мере один комплект разделения топлива на газообразную и твердую фракции, содержащим по крайне мере один газогенератор. При этом блок оборудования подготовки и подачи топлива выполнен в виде линии производства брикетов твердого топлива на основе биоресурсов, например, торфа, угольной мелочи и опилок. Линия производства твердого топлива включает блок подготовки смеси к брикетированию, который в свою очередь связан с процессом для брикетирования, причем блок снабжен системой для подготовки сырьевой смеси, состоящей, например, из торфа, угольной мелочи и опилок. Для каждого вида сырья предусмотрена своя система подготовки, включающая устройства для подачи, измельчения, переработки, дозатор. Кроме системы для подготовки сырьевой смеси, блок включает смеситель для смешивания подготовленных сырьевых компонентов смеси, насос для подачи воды, пресс-экструдер, сушку. Линия в свою очередь технологически связана с процессом газификации. Причем комплект разделения топлива на газообразную и твердую фракции содержит газогенераторную установку для газификации топливных брикетов на основе биоресурсов. Для осуществления газификации брикетов комплекс содержит газогенераторную установку, которая состоит из газогенератора и камеры окисления. Газогенератор состоит из бункера-питателя, дутьевой коробки, жестко смонтированной на раме, укрепленной на стойках. Непосредственно к дутьевой коробке снизу установлен золосборник, состоящий из корпуса, водооросительной системы и шнека выгрузки золы. Генераторный газ из газогенератора выводится по газоходу и направляется в газовую форсунку камеры окисления. Полученный теплоноситель по газоходу направляется к водогрейным котлам или теплообменнику.

Предлагаемая установка газификации топливного брикета предназначена для газификации органического топлива на основе биоресурсов, например, торфа, угольной мелочи и опилок, сформированного в брикеты. В качестве топлива могут применяться и другие виды нетрадиционных энергоносителей: опилок, торфа, угольной пыли, бумаги, текстиля, резины и т.д.

Таким образом, основное назначение газогенератора-производство теплоносителя из нетрадиционных видов топлива для обеспечения существующих и действующих водогрейных котлов и теплообменников с суммарной мощностью до 1 Гкал.

Данный комплекс поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена технологическая схема комплекса; на фиг.2 - представлена газогенераторная установка.

Данный комплекс поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена технологическая схема комплекса; на фиг.2 - представлена газогенераторная установка, общий вид; на фиг.3 - то же, вид сбоку; на фиг.4 - то же, вид сверху; на фиг.5 - то же, вид в сечении А-А.

Позиции на технологической схеме (фиг.1) обозначают: склад торфа - 1; скребковый конвейер - 2; сепаратор - 3; устройство механической переработки - 4; бункер - 5; склад угольной мелочи - 6; скребковый контейнер - 7; магнитный сепаратор - 8; склад топлива - 9; участок механической переработки - 10; бункер - 12; дозаторы – 11, 13 и 14; смеситель - 15; пресс-экструдер - 16; сушка - 17; склад готовой продукции - 18; теплогенератор - 25; дозатор - 27; насос - 28.

Позиции на чертежах, где представлена газогенераторная установка (фиг.2, 3, 4, 5) обозначают: газогенератор - 29; камера окисления - 30; бункер-питатель - 31; шахта - 32; дутьевая коробка - 33; стойки - 34; вентилятор - 35; золосборник - 36; колосниковые решетки - 37; газоход - 38; газовая форсунка - 39; воздухонагреватель - 40; вентилятор - 41; канал - 42; площадка - 43; вентилятор - 44; вентилятор - 45.

Предлагаемая установка для газификации топливных брикетов состоит из газогенератора прямого действия 29 и камеры окисления 30. Газогенератор содержит бункер-питатель 31, который установлен в верхней части газогенератора и одновременно является верхним перекрытием шахты 32. Дутьевая коробка 33 жестко смонтирована на раме, укрепленной на стойках 34, во внутреннюю полость дутьевой коробки 33 нагнетается воздух вентилятора 35, который подается в зону горения.

Непосредственно к дутьевой коробке 33 снизу крепится золосборник 36, состоящий из корпуса, водооросительной системы и шнека выгрузки золы. В корпусе шахты 32 газогенератора выполнены два отверстия. Верхнее наклонное - для вывода генераторного газа, нижнее - дверца для розжига газогенератора и очистки колосниковой решетки 37. Футеровка газогенератора и окислительной камеры выполнены из шамотного кирпича (внутренняя) и шамотного легковеса (наружная).

Генераторный газ из газогенератора 29 выводится по газоходу 38 и направляется в газовую форсунку 39 камеры окисления 30. В камере окисления 30 расположен трубный воздухонагреватель 40, через который подают воздух вентилятором 41. Общий канал 42 - для вывода продуктов сгорания. Для обслуживания установки предусмотрена площадка 43.

Комплекс для переработки твердого топлива на основе биоресурсов и получения тепловой энергии работает следующим образом.

Согласно технологической схеме производства торф со склада 1 подается погрузчиком в приемный бункер скребкового конвейера 2, откуда подается на сепаратор 3, где отделяют крупные древесные включения (более 30 мм) и инородные включения. Отсепарированный торф поступает далее на устройство механической переработки 4, а затем с помощью ленточного конвейера накапливается в бункере 5.

Угольная мелочь со склада 6 скребковым конвейером 7 подают на магнитный сепаратор 8, где улавливаются металлические включения и далее ленточным транспортером направляется на механическую переработку 10, после чего ленточным конвейером подается в бункер 12.

Аналогично осуществляется подготовка опилок - отсев мелкой фракции на сепараторе и подачи в бункер.

Подготовленные таким образом компоненты сырьевой смеси через дозатор 11, 13 и 14 подают в смеситель 15. В зависимости от влажности компонентов сырья в смеситель возможна подача воды через дозатор 27 и насос 28.

После перемешивания смеси в смесителе 15 она поступает в приемный бункер шнекового пресса-экструдера 16, в котором происходит формование брикетов, которые далее подают на сетчатый транспортер тоннельной сушки 17.

Сушка сформованного топлива осуществляется путем продувания горячего воздуха теплогенератором 25.

Высушенные до определенной влажности топливные брикеты поступают на вентилируемый склад готовой продукции 18 для окончательной досушки и акклимации.

Отсевы от угля, опилок и торфа направляются на склад топлива 9 и далее сжигаются в топке теплогенератора 25. Готовые топливные брикеты направляются в установку для газификации.

Дальше происходит газификация брикетов в газогенераторной установке, состоящей из газогенератора прямого действия и камеры окисления. Установка работает в непрерывном режиме. Генераторный газ, полученный в газогенераторе, сжигается в окислительной камере, расположенной рядом с газогенератором. Полученный теплоноситель по газоходу направляется к водогрейным котлам или теплообменнику.

Топливные брикеты загружают в бункер-питатель. Проходя через шахту 32 газогенератора 29, брикет первоначально отдает “физическую воду”, подвергаясь сухой перегонке с образованием “летучих” и угольного остатка. Затем в нижней, активной зоне происходит окисление угольного остатка до СО₂, затем взаимодействие угольного остатка с СО₂ дает СО-основной компонент генераторного газа.

Генераторный газ проходит через выводной патрубок и попадает в газовую форсунку 39, где смешивается с подогретым в воздухонагревателе 40 окислителем и сгорает в окислительной камере 30. Продукты сгорания выводятся в общий канал 42, питающий котлы или теплообменник теплоносителем.

Запуск газогенератора осуществляется следующим образом.

Через бункер-питатель шахта 32 и сам бункер-питатель полностью заполняются топливными брикетами. После этого включается система тягодутьевых машин (дымосос котлов, дутьевой вентилятор газогенератора, дутьевой вентилятор камеры окисления) и в нижней зоне шахты газогенератора открывается дверца и осуществляется поджог брикетов. Процесс активной газификации, на что показывают выбросы в трубу, переходящие из задымленных в прозрачные, начинается 10-15 минут после поджога брикетов. Окончательной стадией запуска является поджог генераторного газа в окислительной камере через люк на газовой форсунке 39.

Предлагаемая газогенераторная установка является простейшим и дешевым устройством. Использование ее позволит во многих случаях заменить дорогое и дефицитное привозное топливо (нефть, мазут, уголь) любыми, дешевыми, низкосортными горючими материалами (торф, опилки, угольная мелочь, шлак) и др., существенно снизить качество загрязняющих выбросов по сравнению с существующими в настоящее время устройствами для прямого сжигания.

Предлагаемое изобретение также позволяет осуществлять энергохимическую переработку нетрадиционного топлива. Такой путь является одним из наиболее перспективных в решении создания безотходных технологий переработки органического топлива.

Особенностью заявляемого технического решения также является

1. Предлагаемое формованное композиционное коммунально-бытовое топливо на основе торфа и отходов промышленного производства (опилки, угольная мелочь, шлак) отличается по целому ряду признаков от традиционных видов аналогичного назначения. Главное для формования топливного брикета дополнительно не применяются связующие вещества (отходы ЦБК), отходы НМП и химические вещества.

2. Предлагаемая генераторная установка в составе газогенератора и окислительной камеры позволяет получить энергоноситель путем газификации топливных брикетов и последующим сжиганием генераторного газа в окислительной камере.

При этом в зоне горения газогенератора температура не превышает 1200°С, а в окислительной камере - 800°С. Футеровка работает в более щадящем режиме и установку не требуется периодически останавливать для замены футеровки.

Пример.

Предлагаемое топливо имеет следующий состав, мас.%: торф - 50, угольная пыль (шлак) - 25; опилки - 25. При составляющих в общем составе торфа 45-50%, угольная мелочь (шлак) и опилки могут быть в составе в любой пропорции.

Предлагаемая цеховая технология производства коммунально-бытового топлива на основе торфа и промышленных отходов обладает всеми признаками новизны, а само КБТ отличается по целому ряду признаков от известных видов продукции аналогичного назначения.

Исследования, проведенные Сибирским теплотехническим научно-исследовательским институтом ВТИ (РАО “ЕЭС России”) показали хорошие теплотехнические характеристики топливных брикетов по влагопоглащению, влагоустойчивости, термической стойкости и механической прочности, а низшая теплота сгорания не уступает значениям Березовского угля (Красноярский край). Теплота сгорания 3400 ккал/кг, топливный эквивалент 48. На предлагаемое КТБ получены технические условия ТУ 0399920001-57326477 от 31.10.2002 г.

Формула изобретения

1. Энергоблок, включающий оборудование подготовки и подачи топлива, воздуха и воды, по крайней мере один комплект оборудования для термического разделения топлива на газообразную и твердую фракции, содержащий по крайней мере один газогенератор, отличающийся тем, что блок оборудования подготовки и подачи топлива выполнен в виде линии производства брикетов твердого топлива на основе биоресурсов; линия производства твердого топлива включает блок подготовки сырьевой смеси к брикетированию, который, в свою очередь, связан с процессом для брикетирования, причем блок снабжен системой для предварительной подготовки отдельно каждой сырьевой смеси, включающей устройства для подачи, измельчения, переработки и дозатор; кроме этого, блок включает смеситель для смешивания подготовленных сырьевых компонентов смеси, насос для подачи воды, пресс-экструдер, сушку; линия, в свою очередь, технологически связана с процессом газификации; причем комплект разделения топлива на газообразную и твердую фракции содержит газогенераторную установку для газификации топливных брикетов на основе биоресурсов, которая состоит из газогенератора и камеры окисления, при этом газогенератор представляет собой шахту, в нижней части которой смонтирован золоприемник, шнек удаления золы и устройства для подачи воздуха, а камера окисления имеет установленную в верхней части газовую форсунку.

2. Энергоблок по п.1, отличающийся тем, что в качестве твердого топлива на основе биоресурсов используют смесь торфа, угольной мелочи и опилок.

РИСУНКИ