Способ теплового расщепления высокоуглеродистых веществ в реакторе с подвижным слоем
Изобретение относится к способу теплового расщепления высокоуглеродистых веществ в реакторе с подвижным слоем, выполненном с возможностью прохождения сверху вниз сыпучего материала. Вертикальная колонна для подачи сыпучего материала дополнена вертикальной колонной для отвода сыпучего материала. Ширина и высота колонн, а также свойства сыпучего материала выбраны таким образом, что вследствие внутреннего падения давления колонн сыпучего материала осуществляется герметизация внутренней части реактора от атмосферы. При этом обеспечивается непрерывный и порционный поток сыпучего материала. В верхней зоне реактора предусмотрена первая полость, а в нижней зоне реактора предусмотрена вторая полость, между которыми создается разность Δp давлений по меньшей мере в 50 мбар, которая стабилизирована за счет падения давления в столбе сыпучего материала внутри реактора с подвижным слоем. Изобретение обеспечивает безопасный производственный процесс с надежно герметизированной внутренней частью реактора. 14 з.п. ф-лы, 1 ил.
Настоящее изобретение относится к способу теплового расщепления высокоуглеродистых вещества в реакторе с подвижным слоем, выполненном с возможностью прохождения сверху вниз сыпучего материала, включающему подачу потоков материала посредством вертикальной колонны сыпучего материала.
Подобный способ известен, например, из DE 102007062414 A1. При эксплуатации подобного устройства могут возникать трудности, когда внутри реактора должны задаваться определенные режимы давления, чтобы, с одной стороны, получить устойчивые химические реакции, а с другой стороны, при необходимости, способствовать противотоку газов в реакторе.
Термическая утилизация высокоуглеродистых веществ, прежде всего газификация полимерсодержащих отходов, загрязненных носителей углерода или даже биомассы, много лет вызывает большой интерес. Прежде всего, для осуществления газификации полимерсодержащих отходов в прошлом прилагались большие усилия. Многочисленные способы были реализованы в промышленном масштабе, причем применялись различные типы реакторов, как, например, вращающиеся трубчатые реакторы, реакторы с псевдоожиженным слоем или же реакторы с подвижным слоем.
Известные устройства и способы имели существенные недостатки, которые почти во всех случаях приводили к прекращению этих крупных проектов. Прежде всего, речь идет о проблемах на участке подачи полимеров в реактор, а также вывода отходов. Проблематичным было также протекание через реактор и поддержание непрерывного противотока газообразной рабочей среды.
Для подачи и отвода исходных продуктов и отходов в большинстве случаев применялись дорогостоящие шнековые, шлюзовые или же плунжерные устройства, которые обычно имеют сложные конструктивные признаки, такие как, например, вращающиеся части, механизмы с заслонками, а также статические или динамические герметизирующие системы. Один пример такого устройства без использования огнестойкого сыпучего материала известен из DE 102007017402 A1. Прежде всего, при использовании низкоплавких материалов, таких, как, например, полимеры, в этих устройствах возникали серьезные проблемы вследствие наплавлений, налипаний и закупорок. Вследствие этого происходил простой установки, т.к. нужно часто было очищать подающие и отводящие устройства, или же возникали неплотности относительно внутренней части реактора. Особенно неблагоприятны связанные с этим колебания режима давления или выброс неопределенных газовых смесей.
Задача данного изобретения состоит в том, чтобы усовершенствовать способ ранее описанного типа в том отношении, чтобы был возможен безопасный производственный процесс с надежно герметизированной внутренней частью реактора и установление предпочтительного режима давления.
Согласно изобретению задача решена посредством того, что потоки материала отводят из реактора с подвижным слоем посредством вертикальной колонны сыпучего материала, а ширину и высоту колонн сыпучего материала, а также свойства сыпучего материала выбирают таким образом, что колонны сыпучего материала, с одной стороны, вследствие их внутреннего падения давления осуществляют герметизацию внутренней части реактора от атмосферы, а с другой стороны, обеспечивают непрерывный или порционный поток сыпучего материала, причем в верхней зоне реактора предусматривают первую полость, а в нижней зоне реактора предусматривают вторую полость, между которыми создают разность Δp давлений по меньшей мере в 50 мбар, которую стабилизируют за счет падения давления в столбе сыпучего материала внутри реактора с подвижным слоем.
Оказалось, что с помощью подобного способа можно термически утилизировать высокоуглеродистые вещества, причем установка имеет высокую готовность и в области подачи и отвода обходится без легкоповреждаемой арматуры. Способ особенно пригоден, прежде всего, для получения синтез-газа, который может собираться в верхней полости реактора и отводиться с помощью подходящих устройств.
Вертикальные колонны сыпучего материала в сочетании с вертикальным подвижным слоем допускают движение сыпучего материала исключительно вследствие собственного веса сыпучего материала, причем не нужно предусматривать подвижных элементов для обеспечения потока сыпучего материала.
Предпочтительно, вертикальную колонну сыпучего материала для подачи потоков материала соединяют с возможностью коммуникации, т.е. сообщают, с сыпучей массой в реакторе с подвижным слоем. Этот вариант осуществления особо предпочтителен при непрерывных потоках материала, т.к. вследствие транспортировки сыпучего материала без зон свободного падения в пространство реактора исключаются прерывистые режимы движения.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения вертикальную колонну сыпучего материала для отвода потоков материала отделяют посредством выполненной в нижней части реактора полости от сыпучего материала подвижного слоя самого реактора с подвижным слоем. Подобный прием оказался выгодным для предотвращения закупорок реактора и тем самым прерывания потоков материала из-за слипающихся частиц сыпучего материала.
Полость в нижней части реактора может быть создана, например, посредством дозатора сыпучего материала, который непрерывно или порциями дозирует сыпучий материал из реактора с подвижным слоем в образованную полость. В качестве дозаторов сыпучего материала могут применяться, например, устройства с дисковым питателем или подвижным столом, которые известны, например, в строительстве шахтных обжиговых печей.
В другом предпочтительном варианте осуществления изобретения сыпучий материал ниже полости в нижней части реактора соединяют с возможностью коммуникации, т.е. сообщают, с вертикальной колонной сыпучего материала для отвода потоков материала.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения выше входного отверстия для сыпучего материала в вертикальной колонне сыпучего материала для подачи потоков материала предусмотрено транспортное устройство, посредством которого сыпучий материал перемешивают с высокоуглеродистыми веществами, таким образом используя сыпучий материал в качестве транспортирующей среды для подачи высокоуглеродистых веществ в реактор с подвижным слоем.
Таким образом, путем целенаправленной настройки содержания углерода в благоприятных условиях может достигаться эксплуатация реактора без дополнительной подачи топлива.
В особо предпочтительном варианте осуществления изобретения посредством охлаждающего устройства с помощью охлаждающей среды опосредованно охлаждают, полностью или частично, трубчатый кожух вертикальной колонны сыпучего материала для подачи. Охлаждающей средой в простейшем случае может быть вода, причем возможны также варианты осуществления, в которых вода подается не в замкнутом цикле, а течет во внутреннюю часть реактора.
Охлаждение трубчатого кожуха препятствует тому, чтобы вследствие, возможно, преобладающих в этой области довольно высоких температур легкоплавкие полимеры в колонне сыпучего материала могли спекаться между собой.
Трубчатый кожух колонны сыпучего материала для подачи можно также полностью или частично погружать в верхнюю часть подвижного слоя реактора, тем самым создавая верхнюю полость в верхней части реактора с подвижным слоем.
Среднее рабочее давление в реакторе с подвижным слоем предпочтительно устанавливать меньшим 3 бар (избыточное давление), предпочтительно меньшим 1 бар (избыточное давление) и, особо предпочтительно, в области менее 0,1 бар (избыточное давление).
В примере геометрической формы колонн сыпучего материала, оказавшейся эффективной в эксплуатации, вертикальную колонну сыпучего материала для подачи выполняют таким образом, что она имеет коэффициент >10, полученный из ее высоты сыпучего материала (в метрах), деленной на максимальную разность между рабочим давлением (в бар) в головке реактора и существующим атмосферным давлением (в бар), а вертикальную колонну для сыпучего материала для отвода выполняют таким образом, чтобы она имела коэффициент >5, полученный из ее высоты сыпучего материала (в метрах), деленной на максимальную разность между рабочим давлением (в бар) на дне реактора и существующим атмосферным давлением (в бар). Различные коэффициенты получаются потому, что свойства сыпучего материала изменяются вследствие окисленных компонентов с углеродом.
Вышеупомянутая заданная разность давлений по меньшей мере в 50 мбар предпочтительно составляет максимально 1 бар, т.е. не более 1 бар, т.к. более высокие разности давления для безопасного производственного процесса, как правило, нецелесообразны.
Выгодно вести процесс с сыпучими массами из оксида кальция, карбоната кальция и/или гидроксида кальция как компонентами, особенно когда они в случае галогенсодержащих полимеров, обладающих положительными свойствами, связывают галогены и выводят их из процесса. Особо выгодно при этом каталитическое действие соединений кальция, прежде всего, оксида кальция при тепловом расщеплении. Способ может объединяться с получением негашеной извести, так что устройство можно эксплуатировать экономично. Относительно самого процесса расщепления оказалось выгодно, если общая Δ процессов окисления в реакторе с подвижным слоем на всех ступенях составляет менее 0,5. В целом окисление происходит также при отрицательном кислородном балансе, причем значение Δ можно снижать далее, и хорошие результаты достигнуты даже в области Δ порядка 0,3.
Вариант осуществления данного изобретения показан на прилагаемом рисунке. В варианте осуществления показана шахтная обжиговая печь, например, применяемая в процессах обжига или спекания в промышленных масштабах, в модифицированном варианте осуществления, которая применяется как реактор 1 с подвижным слоем. В реактор 1 с подвижным слоем непрерывно загружается смесь из высокоуглеродистых веществ 2 и огнестойкого сыпучего материала 3. Подача происходит посредством транспортного устройства 4 и вертикальной колонны 5 сыпучего материала, сыпучая масса которой соединена с возможностью коммуникации с сыпучей массой 6 в реакторе с подвижным слоем. Течение сыпучего материала 6 в реакторе 1 с подвижным слоем происходит под действием силы тяжести сверху вниз, причем дозатор 7 сыпучего материала передает сыпучую массу из реактора 1 с подвижным слоем непрерывно или порциями в полость 8, расположенную на нижнем конце реактора 1 с подвижным слоем. Из-за такого отбора сыпучая масса непрерывно сыпется вниз, вследствие чего смесь из высокоуглеродистых веществ 2 и огнестойкого сыпучего материала 3 через колонну 5 сыпучего материала также может дополнительно сыпаться в реактор с подвижным слоем.
Реактор с подвижным слоем эксплуатируется как так называемый противоточный газогенератор, в котором газ 9 подается снизу возле дна реактора. Вследствие процесса газификации при этом образуются по меньшей мере три следующие рабочие зоны: в верхней части сыпучей массы 6 зона A пиролиза, в которой углеродсодержащие вещества уже частично реагируют или коксуются, дальше по ходу вниз более горячая зона B обжига, в которой остальные углеродные соединения преобразуются в синтез-газы, а в нижней части находится зона C охлаждения. Образующийся в рабочих зонах A и B синтез-газ выходит из реактора с подвижным слоем в головке в позиции 10.
Колонна 5 сыпучего материала для подачи сыпучего материала в данном случае выполнена в виде погружной трубы, опущенной в верхнюю часть реактора с подвижным слоем. С помощью выбора глубины погружения погружной трубы можно целенаправленно влиять на высоту сыпучего материала 6 в реакторе и, прежде всего, на объем возникающей вследствие этого газовой камеры 11.
Поскольку в газовой камере 11 в верхней области реактора могут возникать температуры выше 300°C, в показанном примере осуществления погруженный в реактор участок трубчатого кожуха колонны 5 сыпучего материала охлаждается водой при помощи выполненной двойной стенки 12 или системы охлаждающих змеевиков. Таким образом возможно даже при низких температурах беспроблемно перерабатывать в системе плавкие высокоуглеродистые вещества, например полимеры, без возникновения налипаний. От применения дорогостоящей арматуры или шлюзовых систем для подачи в реактор 1 с подвижным слоем 1 можно отказаться.
Имеющаяся в полости 8 смесь из огнестойкого сыпучего материала 3 и термически не утилизируемых отходов, например золы, соединена с возможностью коммуникации с колонной 13 сыпучего материала для отвода материала из реакторной системы.
Колонна 13 сыпучего материала стоит с возможностью коммуникации нижним выпускным отверстием непосредственно на отводящем устройстве 14, состоящем, например, из вибрационного лотка или отводного транспортера. Посредством этого отводящего устройства 14 колонна 13 сыпучего материала непрерывно или порциями разгружается из реакторной системы.
Управление реактором происходит посредством расхода окисляющейся смеси и доли высокоуглеродистых веществ. Такое управление может, с одной стороны, осуществляться в области перемешивающего устройства 4, а с другой стороны, посредством одного только расхода через дозатор 7 выше полости 8, регулирующий скорость прохождения сыпучего материала в реакторе. Чтобы иметь возможность надежно вести процесс термической утилизации, постоянно должна быть обеспечена надежная герметизация внутренней полости реактора относительно атмосферы. С одной стороны, это необходимо, чтобы воспрепятствовать выходу синтез-газа, а с другой стороны, чтобы в случае разрежения исключить проникновение кислорода воздуха и образование взрывоопасной смеси во внутренней полости реактора. Такая герметизация происходит за счет падения давления в обеих колоннах сыпучего материала для подачи и отвода. Поэтому нужно обеспечить, чтобы обе колонны сыпучего материала постоянно и в каждом режиме работы имели минимальный уровень заполнения. Поэтому, колонна 5 сыпучего материала для подачи материала оснащена уровнемером 15, действующим как на регулируемый параметр на частоту вращения транспортного устройства 4 для подачи материала в колонну 5 сыпучего материала и постоянно обеспечивающим минимальный уровень заполнения.
Обеспечение минимального уровня заполнения в колонне 13 сыпучего материала для отвода материала также происходит посредством уровнемера 16. Он может по выбору посредством регулятора 17 воздействовать как на регулируемый параметр D на скорость выгрузки дозатора 7 или в качестве альтернативы как на регулируемый параметр E на частоту вращения отводящего устройства 14. Раздельные контуры управления для колонн сыпучего материала обеспечивают, что даже при нестабильности потока сыпучего материала внутри реактора всегда остается достаточная высота в колонне сыпучего материала в зоне подачи и в зоне отвода.
1. Способ теплового расщепления высокоуглеродистых веществ в реакторе (1) с подвижным слоем, выполненном с возможностью прохождения сверху вниз сыпучего материала, включающий подачу потоков материала посредством вертикальной колонны (5) сыпучего материала, отличающийся тем, что потоки материала отводят из реактора (1) с подвижным слоем посредством вертикальной колонны (13) сыпучего материала, а ширину и высоту колонн (5, 13) сыпучего материала, а также свойства сыпучего материала выбирают таким образом, что колонны (5, 13) сыпучего материала, с одной стороны, вследствие их внутреннего падения давления осуществляют герметизацию внутренней части реактора от атмосферы, а с другой стороны, обеспечивают непрерывный или порционный поток сыпучего материала, причем в верхней зоне реактора предусматривают первую полость (11), а в нижней зоне реактора предусматривают вторую полость (9), между которыми создают разность Δρ давлений по меньшей мере в 50 мбар, которую стабилизируют за счет падения давления в столбе сыпучего материала (6) внутри реактора (1) с подвижным слоем.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вертикальную колонну (5) сыпучего материала для подачи потоков материала соединяют с возможностью коммуникации с сыпучей массой (6) в реакторе (1) с подвижным слоем.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вертикальную колонну (13) сыпучего материала для отвода потоков материала отделяют посредством выполненной в нижней части реактора полости (9) от сыпучего материала (6) подвижного слоя самого реактора (1) с подвижным слоем.
4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что полость (9) в нижней части реактора (1) создают посредством дозатора (7) сыпучего материала, который непрерывно или порциями дозирует сыпучий материал (6) из реактора (1) с подвижным слоем в образованную полость.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что для дозирования сыпучего материала используют устройство с дисковым питателем или подвижным столом.
6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что сыпучий материал ниже полости (9) в нижней части реактора (1) соединяют с возможностью коммуникации с вертикальной колонной (13) сыпучего материала для отвода потоков материала.
7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что выше входного отверстия для сыпучего материала в вертикальной колонне (5) сыпучего материала для подачи потоков материала предусмотрено транспортное устройство (4), посредством которого сыпучий материал перемешивают с высокоуглеродистыми веществами, таким образом используя сыпучий материал в качестве транспортирующей среды для подачи высокоуглеродистых веществ в реактор (1) с подвижным слоем.
8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что посредством охлаждающего устройства (12) с помощью охлаждающей среды опосредованно охлаждают, полностью или частично, трубчатый кожух вертикальной колонны (5) сыпучего материала для подачи.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что трубчатый кожух вертикальной колонны (5) сыпучего материала для подачи полностью или частично погружают в верхнюю часть реактора (1) с подвижным слоем, тем самым создавая верхнюю полость (11) в верхней части реактора (1) с подвижным слоем.
10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что среднее рабочее давление в реакторе с подвижным слоем устанавливают меньшим 3 бар (избыточное давление), предпочтительно меньшим 1 бар (избыточное давление) и, особо предпочтительно, в области менее 0,1 бар (избыточное давление).
11. Способ по п. 1 , отличающийся тем, что вертикальную колонну (5) сыпучего материала для подачи выполняют таким образом, чтобы она имела коэффициент >10, полученный из ее высоты сыпучего материала (в метрах), деленной на максимальную разность между рабочим давлением (в бар) в головке реактора и существующим атмосферным давлением (в бар), а вертикальную колонну (13) для сыпучего материала для отвода выполняют таким образом, чтобы она имела коэффициент >5, полученный из ее высоты сыпучего материала (в метрах), деленной на максимальную разность между рабочим давлением (в бар) на дне реактора и существующим атмосферным давлением (в бар).
12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что Δρ составляет максимально 1 бар.
13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сыпучая масса содержит доли оксида кальция, карбоната кальция и/или гидроксида кальция.
14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что общую Δ процесса окисления в реакторе (1) с подвижным слоем устанавливают на всех ступенях меньшей 0,5.
15. Способ по одному из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что процессом теплового расщепления управляют посредством изменения расхода сыпучего материала (6) и высокоуглеродистых веществ и/или долей добавляемых высокоуглеродистых веществ.
