Способ и устройство для термохимической переработки твердых органических материалов
Изобретение относится к области переработки твердых веществ полимерного строения, в частности углеводного или углеводородного сырья, с целью получения энергии и различных видов топлива. Способ осуществляют методом контактного нагрева без доступа кислорода с переходом части твердого органического вещества в паровую фазу и последующей конденсацией части продуктов переработки, при этом нагрев органического вещества осуществляют путем прогона твердого органического вещества внутри канала сечением, уменьшающимся в направлении потока твердого органического вещества, образованного нагретой поверхностью материала с высоким коэффициентом теплопроводности, причем температуру в сужающемся канале повышают в направлении потока твердого органического вещества от 400 до 750°С, а отбор газифицированных продуктов термохимической переработки, имеющих различные температуры газификации, производят в соответствующих температурных зонах канала на пути прохождения органического вещества. Изобретение позволяет обеспечить непрерывность процесса, обеспечить фракционное разделение продуктов непосредственно в процессе образования парогазовой фазы, упростить конструкцию и повысить долговечность оборудования. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к области переработки твердых веществ полимерного строения, в частности углеводного или углеводородного сырья, с целью получения энергии и различных видов топлива.
Известен способ термохимической переработки твердых органических веществ в реакторах псевдокипящего слоя (Neri G.ENEL Pilot Plant. PyNe, issue 11, May 2001, p.10).
Наиболее существенными недостатками этого способа являются:
- наличие сыпучего теплоносителя;
- низкая энергетическая эффективность;
- громоздкость технологического оборудования;
- загрязнение продуктов переработки частицами теплоносителя.
Наиболее близким по сути предлагаемого изобретения является способ переработки органического вещества путем одновременного термического и механического воздействия, при котором деструкция вещества происходит при непосредственном контакте с нагретой поверхностью теплопроводящего материала (Bridgewater A.Towards the "bio-refinery" - Fast Pyrolysis of Biomass //Renewable Energy World. V 4, 2001, No.1, Jan. - Feb., pp.71-73).
К существенным недостаткам этого способа следует отнести следующее:
- необходимость применения механических прижимных устройств;
- ввиду цикличного характера работы прижимных устройств трудно обеспечить непрерывность процесса переработки;
- отсутствие возможности разделения газифицированных продуктов по фракционному составу непосредственно в процессе газификации органического вещества.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение непрерывности процесса термохимической переработки твердого органического вещества, обеспечение фракционного разделения продуктов термохимической переработки органического вещества непосредственно в процессе образования парогазовой фазы, упрощение конструкции и повышение долговечности технологического оборудования.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе термохимической переработки твердого органического вещества для обеспечения термического и механического воздействия перерабатываемое твердое органическое вещество подвергают одновременному нагреву и механическому сжатию путем пропускания его сквозь канал сечением, уменьшающимся в направлении потока твердого органического вещества, образованного поверхностью материала с высоким коэффициентом теплопроводности, нагретой до температуры 400...750°С.
Технический результат достигается также тем, что для разделения фракций газифицированных продуктов, имеющих различные температуры газификации, переработку твердого органического вещества и отбор газифицированных продуктов осуществляют путем многократного прогона твердого органического вещества вдоль сужающегося канала с нагретой внутренней поверхностью, и при каждом последующем прогоне твердого органического вещества вдоль канала температуру его внутренней поверхности повышают на величину, обеспечивающую выделение и переход в паровую фазу той фракции твердого органического вещества, температура газификации которой лежит в диапазоне между температурой поверхности канала при данном прогоне твердого органического вещества через канал и температурой поверхности канала при данном прогоне твердого органического вещества через сужающийся канал.
Технический результат достигается также тем, что для разделения фракций газифицированных продуктов переработку твердого органического вещества и отбор газифицированных продуктов осуществляют за один прогон твердого органического вещества вдоль сужающегося канала с нагретой внутренней поверхностью, при этом в канале и на поверхности, образующей канал, создают положительный градиент температуры в направлении перемещения твердого органического вещества от 400 до 750°С, а отбор газифицированных продуктов, имеющих различную температуру выделения и перехода в парогазовую фазу, осуществляют раздельно из соответствующих зон канала, в которых температура стенок и перерабатываемого твердого органического вещества лежит в требуемых для выделения данной фракции пределах.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве для термохимической переработки твердого органического вещества, содержащем бункер загрузки, камеру переработки с нагревателем, устройствами загрузки органического вещества и выгрузки твердого остатка, патрубками для выхода газифицированных продуктов и твердого осадка, а также устройство конденсации, камера переработки выполнена в виде двух коаксиальных барабанов, вставленных один в другой. Внешний неподвижный барабан имеет цилиндрическую форму, а внутренний, вращающийся вокруг общей оси барабан выполнен в форме усеченного конуса и имеет на внешней поверхности выступ в виде спирали, высота которого уменьшается в направлении к большему основанию внутреннего конического барабана, выполненный таким образом, что вершина выступа по всей его длине касается внутренней поверхности внешнего барабана, образуя спиральный сужающийся книзу канал. В стенке внутреннего барабана имеется множество сквозных отверстий для выхода газифицированных продуктов в его внутреннюю полость, соединенную с патрубком вывода газифицированных продуктов.
Технический результат достигается также тем, что устройство для термохимической переработки твердого органического вещества содержит несколько камер переработки, имеющих спиральный сужающийся в направлении перемещения твердого органического вещества канал, соединенных последовательно таким образом, что патрубок вывода твердого остатка каждой предыдущей камеры соединен с патрубком загрузки твердого органического вещества следующей камеры переработки. При этом устройство загрузки твердого органического вещества каждой последующей камеры переработки совмещено с устройством выгрузки твердого остатка каждой предыдущей камеры переработки, а зазор между внешней поверхностью внутреннего барабана и внутренней поверхностью внешнего барабана по всей длине спирального сужающегося канала каждой последующей камеры переработки меньше, чем соответствующий зазор в предыдущей камере переработки.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве для термохимической переработки твердого органического вещества камера переработки имеет несколько патрубков для вывода газифицированных продуктов, а внутренняя полость внутреннего барабана разделена горизонтальными перегородками, образуя несколько находящихся в разных уровнях и изолированных друг от друга областей, каждая из которых соединена с одним из патрубков для вывода газифицированных продуктов, имеющих разные температуры выделения и газификации.
Сущность изобретения поясняется с помощью фиг.1, 2 и 3.
На фиг.1 показана схема устройства для термохимической переработки твердого органического вещества с одним патрубком для вывода газифицированных продуктов в конденсатор.
На фиг.2 показано устройство, содержащее несколько камер переработки.
На фиг.3 представлено устройство с одной камерой переработки и несколькими патрубками для вывода различных фракций газифицированных продуктов.
Устройство, изображенное на фиг.1, содержит бункер загрузки 1, камеру переработки 2, а также устройство конденсации 3. В состав камеры переработки входят устройство загрузки органического вещества 4, патрубок загрузки органического сырья 5, нагреватель 6, неподвижный барабан 7, вращающийся барабан 8, устройство выгрузки твердого осадка 9, патрубок выгрузки твердого остатка 10, патрубок вывода газифицированных продуктов 11. Внутренний вращающийся вокруг оси барабан имеет форму усеченного конуса. На его внешней поверхности имеется спиральный выступ 12, высота которого уменьшается в направлении к большему основанию таким образом, что вершина выступа по всей его длине касается внутренней поверхности внешнего барабана, образуя канал переменного сечения 13. В стенке внутреннего барабана имеется множество сквозных отверстий 14 для выхода газифицированных продуктов в его внутреннюю полость 15, которая сообщается с патрубком вывода газифицированных продуктов 11.
Устройство работает следующим образом.
Твердое органическое топливо из бункера 1 с помощью устройства загрузки 4 подается через патрубок 5 в спиральный канал переменного сечения 13, образованный спиральным выступом 12 и стенками барабанов 7 и 8. В спиральном сужающемся канале 12 с помощью нагревателя 6 поддерживается температура в диапазоне 400...750°С, требуемая для термической деструкции твердого органического вещества и выделения парогазовой компоненты продуктов деструкции. Вращение внутреннего барабана осуществляется таким образом, что твердое органическое вещество захватывается в спиральный канал и транспортируется вдоль канала в направлении уменьшения его сечения. При этом происходит нагрев органического вещества при его одновременном сжатии. За счет уплотнения органического вещества по мере сжатия обеспечивается хороший тепловой контакт с нагретыми стенками канала и перенос тепла внутрь слоя органического вещества. Газифицированные продукты переработки через отверстия 14 поступают во внутреннюю полость 15 вращающегося барабана 8 и через патрубок 11 выводятся в конденсатор 3. Остаток твердого органического вещества, не перешедший в парогазовое состояние, выйдя из спирального канала, попадает в устройство выгрузки твердого остатка 9 и через патрубок 10 выводится из камеры переработки 2. Температура стенок канала и органического вещества, а также скорость вращения барабана, и соответственно скорость транспорта твердого органического вещества вдоль сужающегося канала, подбираются таким образом, чтобы обеспечить требуемое соотношение количества твердого остатка и газифицированных продуктов, выводимых в конденсатор.
На фиг.2 показано устройство, образующее каскад, включающий в себя несколько последовательно соединенных камер переработки 2, имеющих такую же конструкцию и работающих таким же образом, как и в устройстве, показанном на фиг.1, и несколько устройств конденсации 3. Патрубок вывода твердого осадка каждой предыдущей камеры переработки соединен с патрубком загрузки следующей камеры переработки, образуя каскад последовательно соединенных камер переработки. А именно, патрубок вывода твердого осадка 10 первой камеры переработки соединен с патрубком загрузки 5 второй камеры переработки, патрубок вывода твердого осадка 10 второй камеры переработки соединен с патрубком загрузки 5 третьей камеры переработки и т.д. При этом устройство выгрузки твердого осадка 9 каждой предыдущей камеры переработки может быть совмещено с устройством загрузки 4 следующей камеры переработки. Температура в спиральном сужающемся канале камер переработки 2 устанавливается таким образом, что температура в каждой последующей камере больше, чем в предыдущей камере, на некоторую величину, например на величину 
T=(TN-T1)/N, где Т1 и TN - соответственно температура в первой и последней камерах переработки, а N - количество камер переработки. Величина T для каждой пары соседних камер переработки выбирается в зависимости от требуемого фракционного состава парогазовых продуктов деструкции твердого органического вещества.
Устройство работает следующим образом.
Твердое органическое топливо из бункера 1 первой камеры с помощью устройства загрузки 4 первой камеры подается в первую камеру переработки 2, где происходит термохимическое разложение твердого органического вещества при температуре T1 c выделением и переходом в парогазовое состояние той фракции продуктов переработки, температура выделения и газификации которой ниже или равна Т1. Эта фракция продуктов переработки в парогазовом состоянии подается в конденсатор 3 через патрубок отбора газифицированных продуктов 11 первой камеры переработки, а остаток твердого органического вещества с помощью устройства выгрузки 9 первой камеры переработки и устройства загрузки 4 второй камеры переработки подается во вторую камеру переработки, в которой поддерживается температура Т2 (Т2>Т1). Во второй камере переработки происходит термическое разложение твердого органического вещества с выделением и переходом в парогазовое состояние той фракции продуктов переработки, температура выделения и газификации которой лежит в диапазоне между Т1 и Т2. Эта фракция продуктов переработки в парогазовом состоянии подается в конденсатор, связанный со второй камерой переработки, а остаток твердого органического вещества подается в следующую камеру переработки. Таким же образом происходит термохимическая переработка остатка твердого органического вещества в последующих камерах переработки с последовательным выделением из него фракций газифицируемых продуктов, имеющих температуру выделения и перехода в парогазовое состояние в диапазоне от Т2 до TN, и передачей их в соответствующие конденсаторы. Твердый остаток органического вещества, не переходящий в парогазовое состояние в температурном диапазоне T1...TN, выводится из последней камеры переработки с помощью устройства выгрузки последней камеры переработки.
На фиг.3 показано устройство с одной камерой переработки и несколькими патрубками для вывода различных фракций газифицированных продуктов. Устройство аналогично устройству, показанному на фиг.1, за исключением того, что камера переработки имеет несколько патрубков 11 для вывода газообразных продуктов, а внутренняя полость внутреннего барабана разделена перегородками, образуя несколько изолированных друг от друга областей 16, расположенных одна за другой по направлению оси барабанов 7 и 8. Каждая из областей 16 сообщается с соответствующим патрубком 11 для вывода газообразных продуктов и отверстиями 14 в боковой стенке внутреннего барабана 8.
Устройство работает следующим образом.
Перерабатываемое твердое органическое вещество из бункера 1 с помощью устройства загрузки 4 подается через патрубок 5 в спиральный канал переменного сечения 13, образованный спиральным выступом 12 и стенками барабанов 7 и 8. Вращение внутреннего барабана осуществляется таким образом, что твердое органическое вещество захватывается в спиральный канал и транспортируется вдоль этого канала в направлении уменьшения его сечения. При этом происходит нагрев органического вещества при его одновременном сжатии. За счет уплотнения органического вещества по мере сжатия обеспечивается хороший тепловой контакт с нагретыми стенками канала и перенос тепла внутрь слоя органического вещества. В спиральном канале 13 с помощью нагревателя 6 поддерживается положительный градиент температуры в направлении движения твердого органического вещества (для камеры переработки, изображенной на фиг.3, температура Твых нижней части барабанов и соответственно спирального канала выше температуры Твх их верхней части). Например, температура на входе канала может быть 400°С, а температура на выходе канала 750°С. При этом, если обозначить температуры на границах областей 11 через T1-2, Т2-3 и Т3-4 соответственно, где индексы соответствуют номерам областей 11 в направлении возрастания температуры, или, что то же самое, в направлении транспорта твердого органического вещества, то выполняется следующее соотношение: Твх<T1-2<Т 2-3<Т3-4<Твых. Таким образом, в области 11 через отверстия 14 будут поступать различные фракции газифицированных продуктов переработки твердого органического вещества, температуры выделения и газификации которых лежат соответственно в диапазонах: Твх...Т2, Т2...Т3, Т3...Т4 и Т4...Твых. Каждая из этих парогазовых компонент по одному из патрубков 11 поступает в соответствующий конденсатор 3. Остаток твердого органического вещества, не перешедший в парогазовое состояние, выйдя из спирального канала, попадает в устройство выгрузки твердого остатка 9 и через патрубок 10 выводится из камеры переработки 2.
Формула изобретения
1. Способ термохимической переработки твердого органического вещества методом контактного нагрева без доступа кислорода с переходом части твердого органического вещества в паровую фазу и последующей конденсацией части продуктов переработки, отличающийся тем, что нагрев органического вещества осуществляют путем прогона твердого органического вещества внутри канала сечением, уменьшающимся в направлении потока твердого органического вещества, образованного нагретой поверхностью материала с высоким коэффициентом теплопроводности, причем температуру в сужающемся канале повышают в направлении потока твердого органического вещества от 400 до 750°С, а отбор газифицированных продуктов термохимической переработки, имеющих различные температуры газификации, производят в соответствующих температурных зонах канала на пути прохождения органического вещества.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев твердого органического вещества от 400 до 750°С и отбор газифицированных продуктов термохимической переработки осуществляют ступенчато путем многократного прогона твердого органического вещества вдоль сужающегося канала, при каждом последующем прогоне твердого органического вещества вдоль канала температуру его внутренней поверхности повышают на величину, обеспечивающую выделение и переход в паровую фазу той фракции твердого органического вещества, температура газификации которой лежит в диапазоне между температурой поверхности канала при данном прогоне твердого органического вещества через канал и температурой поверхности канала при предыдущем прогоне твердого органического вещества через канал.
3. Устройство для термохимической переработки твердого органического вещества, содержащее бункер загрузки, камеру переработки с нагревателем, устройствами загрузки органического вещества и выгрузки твердого остатка, патрубками для ввода органического вещества и выхода газифицированных продуктов и твердого осадка, а также устройство конденсации, отличающееся тем, что камера переработки выполнена в виде двух коаксиальных барабанов, вставленных один в другой; внешний, неподвижный, барабан имеет цилиндрическую форму, а внутренний, вращающийся вокруг оси, барабан выполнен в форме усеченного конуса, расширяющегося книзу, и имеет на внешней поверхности выступ переменной высоты в виде спирали таким образом, что вершина выступа по всей его длине касается внутренней поверхности внешнего барабана; в стенке внутреннего барабана имеется множество сквозных отверстий для выхода газифицированных продуктов в его внутреннюю полость, сообщающуюся с патрубком вывода газифицированных продуктов.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что содержит несколько камер переработки, соединенных последовательно таким образом, что патрубок вывода твердого остатка каждой предыдущей камеры соединен с патрубком загрузки твердого органического вещества следующей камеры переработки, и устройство загрузки каждой последующей камеры совмещено с устройством выгрузки твердого остатка предыдущей камеры переработки, а зазор между внешней поверхностью внутреннего барабана и внутренней поверхностью внешнего барабана в верхней и нижней части каждой последующей камеры переработки меньше, чем предыдущей камеры переработки.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что камера переработки имеет несколько патрубков для вывода газообразных продуктов, а внутренняя полость внутреннего барабана разделена горизонтальными перегородками, образуя несколько находящихся в разных уровнях и изолированных друг от друга областей, соединенных с соответствующими патрубками для вывода газообразных продуктов, имеющих разные температуры газификации.
РИСУНКИ
