Способ газификации твердого топлива и устройство для его осуществления

Изобретение относится к химической технологии и теплоэнергетике на основе переработки местного низкосортного углеродсодержащего сырья, в том числе битуминозного (древесины, торфа, бурых углей, различных отходов), путем газификации с получением горючего газа, содержащего оксид углерода и водород, для последующего использования в качестве силового газа в транспортных и энергетических установках. Способ предусматривает переработку твердого измельченного топлива в газификаторе в составе двух совместно работающих наклонных вращающихся цилиндрических реакторов, в каждом из которых осуществляют процесс газификации в плотном слое с последовательным чередованием фаз (режимов) - фазы обращенного процесса и фазы прямого процесса, причем реакторы работают противофазно. Реакторы работают в двухтактном рабочем цикле с синхронной сменой фаз. Смену фаз в реакторах осуществляют посредством их поворота в вертикальной плоскости для обеспечения реверсивного перемещения топлива. Каждый реактор оснащен пароводяной рубашкой с перфорированной внутренней стенкой рабочей камеры для инжекции перегретого пара в зону активации, а также расширительным поршнем для поддержания слоя топлива и регулирования объема буферной зоны с полым штоком для отбора газа. Охлаждение топливного газа осуществляют посредством теплообменников для водяного испарительного и воздушного охлаждения газа. Полученный активированный уголь аккумулируют в буферной зоне, а парогазовую смесь транспортируют в противофазный реактор, где газификация реверсивно перемещающегося из его буферной зоны слоя активированного угля завершается в режиме прямого процесса с встречной фильтрацией получаемого газа, который выводят из реактора и после охлаждения подают потребителю. Технический результат заключается в повышении полноты переработки топлива, качества и теплотворной способности получаемого топливного газа, уменьшении потерь тепла, а также повышении компактности, экономичности, надежности и долговечности газификатора. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области химической технологии и теплоэнергетике на основе использования возобновляемых источников энергоресурсов и местных видов топлива, в частности, биомассы и местного низкосортного углеродсодержащего сырья, в том числе битуминозного (древесины, торфа, бурых углей, различных сельскохозяйственных отходов), включая утилизацию твердых бытовых и промышленных углеродсодержащих отходов, путем газификации с получением горючего топливного газа, содержащего оксид углерода и водород, для последующего использования в качестве силового газа в транспортных и энергетических установках.

Приоритетным направлением научно-технического прогресса в энергетике является создание и развитие эффективных технологий использования местных энергоресурсов для построения устойчивой системы децентрализованного энергоснабжения с сопутствующим решением все более актуальной задачи утилизации твердых городских (бытовых) отходов.

Так, «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» предусматривает «…развитие малой энергетики в зоне децентрализованного энергоснабжения за счет повышения эффективности использования местных энергоресурсов, в том числе новых видов топлива, получаемых из различных видов биомассы», которая относится к низкосортным видам топлива с высокой влажностью (до 85% и более), малой энергетической плотностью, низкой теплотой сгорания, неоднородностью фракционного состава, но при этом обладает весомыми преимуществами по сравнению с ископаемыми углеродсодержащими видами сырья: возобновляемость, почти полное отсутствие серы, а также других вредных для оборудования и окружающей среды химических элементов и соединений, распространенность и доступность. Нерафинированная некондиционная биомасса (древесные отходы, отходы сельскохозяйственной деятельности, отходы производства и потребления, в том числе твердые коммунальные отходы.), а также иные местные виды топлив, прежде всего на основе низкосортного твердого углеродсодержащего сырья (торф и продукты его переработки, бурые угли), в совокупности составляют топливные ресурсы, использование которых потенциально возможно в районах (территориях) их образования, производства, добычи и экономическая эффективность потребления которых ограничена районами (территориями) их происхождения /Постановление Правительства РФ от 22.022012 г. N 154 «О требованиях к схемам теплоснабжения, порядку их разработки и утверждения»/. Они представляют собой дешевый (с низкой, нулевой или отрицательной стоимостью) и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов.

Наиболее универсальным способом, позволяющим использовать такие виды сырья, является их высокотемпературная термохимическая конверсия, или газификация - сжигание при температурах 800-1300°С в присутствии воздуха или кислорода и водяного пара с получением топливного (иначе генераторного) газа - смеси H2, СО, СО2, NOx, СН4 /ГОСТ Р 54531-2011 Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения/, проводимая в газификаторах (иначе: реакторах-газификаторах, газогенераторах, конвертерах), который в зависимости от его качества используется в дальнейшем в энергетической установке (сжигается в котельном агрегате или используется в качестве силового газа, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателе - газопоршневой или газотурбинной установке).

В связи с этим актуальной является проблема создания высокотехнологичного компактного оборудования газификации для модульных автономных малых энергоустановок для применения в локальной малой энергетике, в качестве источников электроэнергии глубокого резерва на территориях с возможными долговременными чрезвычайными ситуациями, для оснащения станций зарядки электромобилей на природоохранных и иных территориях, при экологически чистой утилизации отходов (в качестве альтернативы мусоросжигательным технологиям).

Существующие технологии и конструкции газификации твердых (конденсированных) углеродсодержащих топлив весьма разнообразны /А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции газогенераторных установок. - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85; Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий газификации биомассы. - Пром. теплотехника, 2006, т. 28, №2, с. 61-75; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М: Инфра-Инженерия, 2012 - 504 с., с. 263-271/. С экологической точки зрения их главным преимуществом является сравнительно низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду. Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (особенно для газификации в плотном слое) нахождением газообразных продуктов газификации конденсированных топлив сначала в зоне окисления (горения) при температурах от 1000…1200°С и выше, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования горючего топливного газа. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ - диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.

Опыт долговременного использования топливного (генераторного) газа в двигателях или турбинах до сих пор невелик. С точки зрения капитальных затрат, которые выше по сравнению со станциями, работающими на ископаемом топливе, экономически рентабельная работа газификационной установки во многих случаях возможна только при использовании очень дешевого сырья. Интерес к газификационным технологиям все более смещается от производства только тепловой энергии к возможности комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

Несмотря на заметный прогресс, достигнутый в последние годы в области очистки газа, система очистки является критической составляющей любой газификационной установки. Продолжаются поиски оптимальных решений для достижения требуемых уровней очистки при минимальных затратах. Кроме того, существующее оборудование (установки, реакторы…) газификации имеет низкую энергоэффективность, не отвечает современным требованиям по ряду эксплуатационно-технических характеристик, и в первую очередь, по компактности, простоте и удобству обслуживания, надежности, рабочему ресурсу, универсальности по сырью, а также по экологической безопасности, что ограничивает его конкурентоспособность на мировом энергетическом рынке.

Известные технологии (схемы) газификации /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г. 360 с. с илл.; Биомасса как источник энергии. Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М., Мир, 1985; Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955; Колеров Л.К. Газомоторные установки. М., Машгиз 1951 г./ различаются по месту подвода воздуха и отбора горючего топливного газа в газификаторах и разделяются на технологии и, соответственно, реакторы-газификаторы прямого, обратного (обращенного) и горизонтального процесса.

В газификаторах прямого процесса перемещение твердого углеродсодержащего топлива (далее - топлива) и газообразного носителя кислорода (воздуха, воздуха с повышенным содержанием кислорода, кислорода) происходит в противоположных направлениях. Газификаторы такого типа достаточно широко распространены [1, 2] и представляют собой, как правило, шахту, внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом, сверху этой шахты загружается топливо, а снизу подается газообразный носитель кислорода. Слой топлива поддерживается либо колосниковой решеткой, либо слоем твердых остатков газификации - золы. Горючий топливный газ отводится в верхней зоне шахты. Конструкции газификаторов такого типа отличаются выполнением отдельных конструктивных элементов, взаимное расположение которых, как правило, остается неизменным. Процессы образования газов в слое топлива в таких газификаторах протекают следующим образом. Подаваемый через нижнюю зону газогенератора газообразный носитель кислорода вначале проходит через зону золы, где он немного подогревается, а далее поступает в раскаленный слой топлива (окислительная зона), где кислород вступает в реакцию с горючими элементами топлива. Образовавшиеся продукты горения, поднимаясь вверх и встречаясь с раскаленным топливом (зона восстановления), восстанавливаются до окиси углерода и водорода. При дальнейшем движении вверх сильно нагретых продуктов восстановления происходит термическое разложение (сухая перегонка) топлива (зона пиролиза) и продукты восстановления обогащаются продуктами разложения (газами, смоляными и водяными парами). В результате разложения топлива образуются вначале полукокс, а затем и кокс, на поверхности которых при их опускании вниз происходит восстановление продуктов горения. При опускании еще ниже происходит горение кокса. В верхней части газификатора происходит сушка топлива теплом поднимающихся газов и паров, при отборе горячего газа (с температурой до 300°С и выше) продукты газификации смешиваются с продуктами, полученными в зонах подсушки и сухой перегонки (пиролиза).

Прямой процесс почти не накладывает ограничений на вид и влажность топлива, но при этом получаемый газ очень загрязнен и содержит большое количество пиролизных смол, паров воды, пылевидных частиц и т.д. Для его дальнейшего использования требуется глубокая очистка с использованием дорогостоящего оборудования.

Таким образом, процесс в газификаторе в целом является комбинацией двух самостоятельных процессов - сухой перегонки и собственно газификации. При прямом процессе газификации из некоторых сортов топлива (т.н. битуминозного топлива) получается газ с большим содержанием смолы. Это делает газ неприемлемым для применения в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания без их специальной очистки. При газификации этим способом древесины и торфа в продуктах сухой перегонки содержится также уксусная кислота и другие нежелательные примеси (фенолы и др.). Очистка газа от смол принципиально возможна с применением дезинтеграторов, электрофильтров, что усложняет и удорожает весь технологический процесс.

В связи с изложенным на практике, прямой процесс газификации используется при применении топлив с небольшим выходом летучих (антрацит, кокс, полукокс, древесный уголь).

В обращенном процессе газификации топливо и газообразный носитель кислорода перемещаются в попутном направлении. Газификаторы обращенного процесса, как правило, также представляют собой шахту, внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом, сверху этой шахты загружается топливо, а в средней по вертикали зоне, как правило, через фурмы подается газообразный носитель кислорода. Слой топлива поддерживается либо колосниковой решеткой, либо слоем золы. Топливный газ отводится в нижней зоне шахты. Конструкции газификаторов такого типа отличаются выполнением отдельных конструктивных элементов, взаимное расположение которых, как правило, остается неизменным. Так как отвод образовавшегося газа (с температурой 400…500°С) осуществляется через нижнюю зону газификатора, то зона горения (окислительная) находится в плоскости фурм, ниже этой зоны следует зона восстановления, над зоной горения располагается зона пирогенетического разложения топлива, происходящего за счет тепла раскаленного горящего кокса. Сушка самого верхнего слоя топлива в таких газификаторах происходит за счет передачи тепла от зоны пирогенетического разложения топлива. Основным недостатком является то, что обращенный процесс накладывает ограничения на влажность топлива (ввиду отсутствия активной зоны подсушки), что вызывает необходимость в топливоподготовке, но при этом обеспечивает получение более чистого газа с относительно малым содержанием пиролизных смол и других примесей, т.к. все продукты сухой перегонки проходят через высокотемпературную реакционную зону.

При горизонтальном процессе воздух подводится через фурму, расположенную сбоку в нижней части газификатора, газоотборная решетка располагается с противоположной стороны, а на небольшом пространстве между ними сосредоточена активная, или реакционная зона (окисления/восстановления), над которой располагается зона сухой перегонки и выше - зона подсушки топлива. Этот газификатор обладает достаточно простой конструкцией и гибкостью работы, однако не может обеспечить образование бессмольного газа и не пригоден для газификации битуминозных, а также многозольных топлив.

Наиболее перспективными с точки зрения повышения эффективности являются комбинированные технологии (схемы) и, соответственно, газификаторы, которые позволяют использовать преимущества как прямого, так и обратного процессов газификации, в частности, на базе двухзонного процесса газификации /Колеров Л.К. Газомоторные установки. М.: Машгиз 1951 г., с. 12-15/. Газификатор имеет две реакционные зоны (каждая включает зону окисления и зону восстановления), причем в верхней части реактора (верхней реакционной зоне) топливо газифицируется по обращенному процессу, а в нижней части (нижней реакционной зоне) по прямому процессу газифицируется кокс, образовавшийся по мере прохождения топлива через верхнюю зону. Отбор газа осуществляется между зонами восстановления, а зола удаляется во время работы реактора. Процесс благоприятен для газификации битуминозных топлив повышенной зольности, однако, не устраняя в достаточной степени недостатки прямого и обращенного процессов, имеет также специфические недостатки, связанные с высокой температурой получаемого газа (до 700°С) и сложностью регулировки воздушного и паровоздушного дутья.

Низкосортное углеродсодержащее сырье, которое предназначено для использования в качестве топлива в настоящем изобретении, как правило, характеризуется повышенным содержанием золы и/или смол, а также влаги. В связи с этим горючий топливный газ, получаемый из такого сырья по существующим технологиям (схемам) газификации, обладает свойствами, не позволяющими использовать его в качестве силового, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателе - газопоршневой или газотурбинной установке, а именно:

- высокую температуру (300…700°С) и, соответственно, малую плотность, что приводит к ухудшению наполнения двигателя и падению его мощности;

- низкую объемную теплотворность вследствие большого содержания балласта (азота воздуха, влаги, углекислого газа); так, для наиболее калорийного газа, получаемого при воздушном дутье, - менее 4000 кДж/м3 сухого газа, для наиболее калорийного на парокислородном дутье под давлением - около 15000 кДж/м3;

- высокое содержание вредных примесей (зола, угольная пыль, сажа, смолистые вещества, сернистые соединения, влага), которые нарушают нормальную работу двигателя, вызывают преждевременный износ трущихся деталей и отказ двигателя.

Кроме того, для наиболее распространенных аппаратных решений реакторов-газификаторов (шахтного типа), которые основаны на движении (перемещении) газифицируемого твердого кускового (измельченного) топлива под действием собственного веса, не решенной проблемой остается обеспечение стабильности протекания горения. Поскольку перерабатываемые материалы (особенно это касается низкосортного сырья) зачастую имеют неравномерную газопроницаемость и склонны к слипанию при пиролизе, сводообразованию и зависанию на стенках реактора, то и фронт пиролиза и газификации может распространяться по сечению реактора неравномерно. В слое перерабатываемого сырья могут образоваться «прогары», по которым преимущественно протекает газовый поток, происходят обрушения материала в полости, образованные при горении, и одновременно могут формироваться практически газонепроницаемые области. Как следствие, распределение температуры в зоне горения оказывается неоднородным и плохо управляемым, что ведет к снижению качества газа.

Таким образом, для практического применения топливного силового газа, особенно получаемого из низкосортного сырья, требуется в том или ином виде использование системы его кондиционирования, как правило, многоэтапной и включающей достаточно сложное и дорогостоящее оборудование охлаждения, осушки и очистки газа (скрубберы, циклоны, электрофильтры, фильтры-нейтрализаторы и т.п.) / Колеров Л.К. Газомоторные установки. М., Машгиз 1951 г., с. 15-17; Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г., с. 248-249/, что существенно ограничивает область эффективного использования установок газификации и снижает их технико-экономические и эксплуатационно-технические характеристики.

Известен ряд технических решений, направленных на повышение эффективности газификации углеродсодержащего, и в частности, низкосортного сырья.

Так, известен «Способ регулирования получения горючего газа и устройство для получения горючего газа» (Евразийский патент 000184 В1, дата публ. 24.12.1998), где для повышения чистоты газа и более полного использования углерода сырья газифицирующее средство в реактивную зону вертикального реактора подводят снизу через колосниковую решетку и/или сверху и сбоку, а отвод газа осуществляют на стороне, противолежащей боковому подводу газифицирующего средства, что способствует перемешиванию слоев газифицируемого сырья, при этом регулируют вертикальное положение реакционной зоны скоростью вывода золы, оптимальную температуру газообразования через поток газифицирующего средства, производительность через установку ширины реакционной зоны путем согласованного регулирования подачи газифицирующего средства и вывода золы. Для осуществления способа предусмотрена колосниковая ступенчатая решетка с приводом для ее переталкивающего перемещения и уплотнения частично газифицированного топлива, а кожух реактора снабжен теплоизоляцией в виде двухслойной изолирующе-охлаждающей системы с перфорированной перегородкой между внешним и внутренним слоями, а охлаждающим агентом является воздух, используемый в качестве газифицирующего средства. Предлагаемое решение представляется недостаточно надежным и сложным ввиду необходимости сортировки и подготовки сырья и наличия движущихся частей в высокотемпературной зоне (колосниковая решетка), а достигаемый эффект недостаточным.

Известен также «Газификатор и способ газификации твердого топлива» (Евразийский патент 009349 В1, дата публ. 28.12.2007) на основе двухзонной схемы газификации, содержащий стадии частичного окисления топлива из биомассы в первой зоне окисления для производства растительного угля, восстановления растительного угля в зоне восстановления для образования золы, дополнительного окисления любого остатка растительного угля в золе во второй зоне окисления, извлечения потока горючего, произведенного на вышеупомянутых стадиях, посредством выпускной трубы, причем в первой зоне окисления поток газа имеет то же самое направление, что и поток топлива, а во второй зоне окисления поток газа имеет направление, противоположное потоку топлива. Поток горючего при температуре примерно 850°С, произведенный в обеих зонах, проходит через перфорированное коническое кольцо, которое наполнено микропористым полимером-катализатором, для того, чтобы осуществить крекинг остаточного жидкого продукта перегонки перед тем, как он выйдет из газификатора. Таким образом, предполагается осуществлять очистку газа, однако это ведет к усложнению и удорожанию установки, а также повышает эксплуатационные издержки

Известный «Способ газификации твердого углеродсодержащего топлива, в том числе углеродсодержащих отходов и газогенератор» (Евразийский патент 014373, дата публ. 29.10.2010) предполагает подачу в вертикально ориентированный газогенератор углеродсодержащего топлива сверху вниз и потока газообразного носителя кислорода по направлению движения углеродсодержащего топлива и отвод горючего газа из нижней зоны газогенератора. Поток газообразного носителя кислорода подают в среднюю по вертикали зону газогенератора по всему периметру с одновременным формированием направленных вниз по направлению движения углеродсодержащего топлива и направленных вверх против направления движения углеродсодержащего топлива потоков, при этом дополнительно осуществляют отвод горючего газа из верхней зоны газогенератора. Указанное техническое решение сочетают в себе преимущества прямого и обратного процесса газификации, но и не исключает недостатки двухзонного процесса.

В известном «Способе подготовки топлива, в том числе, к сжиганию и устройстве для его осуществления» (патент RU 2301374, Кондра Е.И. и др., дата публ. 20.06.2007) топливо подают в реактор, перемещают его навстречу газообразному окислителю, содержащему кислород, и получают кокс в области пиролиза и коксования топлива, расположенной в реакторе между местами ввода в реактор топлива и окислителя. Кокс обрабатывают паром, образующимся при подаче в реактор типа туннельной печи воды для охлаждения твердого остатка или целевого продукта перед его выгрузкой из реактора. Водяной газ, получающийся при взаимодействии кокса с парами воды, либо выводят из реактора для использования в качестве топливного газа тепловой машины, либо направляют навстречу перемещаемому по реактору коксу к месту ввода в реактор окислителя и там сжигают, получая необходимое для коксования, пиролиза и сушки топлива тепло и выводя из реактора образующийся генераторный газ. В зависимости от вида исходного топлива и режима обработки твердый целевой продукт может представлять собой кокс, древесный или активированный уголь. Техническое решение представляется весьма сложным для реализации и не предполагает полного цикла переработки сырья.

Известный «Газификатор твердого топлива» (патент RU 2315083, Князев А.Е, дата публ. 10.08.2007) является многоступенчатым, при этом в первой ступени происходит сушка, пиролиз и частичное сжигание топлива, на верхней границе теплового пятна второй ступени происходит выгорание всего кислорода, образовавшегося в результате расщепления пара, на третьей ступени дожигаются и поглощаются остатки углерода. Каждая ступень снабжена устройством для подвода пара, размещенным ниже устройства для поджига и стабилизации горения. Изобретение обеспечивает полное сгорание кускового топлива без его предварительной подготовки, однако является достаточно сложным, а получаемый топливный газ требует кондиционирования.

Значительные преимущества при разработке эффективных технических решений имеет технология газификация по схеме прямого процесса в плотном слое при встречной подаче газифицирующего агента (в частности, воздуха) и топлива, поскольку дает возможность использовать низкокалорийные топлива влажностью до 40…50% с высоким к.п.д. теплового процесса (до 95%). /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г. 360 с. с илл., с. 111-151; Биомасса как источник энергии. Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М., Мир, 1985; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М.: Инфра-Инженерия, 2012. - 504 с/.

Такое решение предлагаются в «Способе переработки конденсированного топлива и устройство для его осуществления. (Патент RU 2376527, Жирнов, Зайченко, Манелис, Полианчик, дата публ. 20.12.2009). Указанный способ реализует схему газификации твердых органических топлив, в том числе топливной биомассы, в противотоке газифицирующего агента (прямой процесс газификации), и отличается тем, что паровоздушная газификации в плотном слое проводится в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом в цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе-газификаторе /Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат диссертации на соискание ученой степени КФМН. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008; Зайченко А.Ю. Влияние движения твердой фазы на характер фильтрационного горения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Черноголовка - 2008. ИПХФ РАН/.

Она предусматривает загрузку топлива (измельченного для обеспечения перемешивания и газопроницаемости) в цилиндрический реактор, подачу в реактор газифицирующего агента, содержащего кислород, со стороны реактора, где происходит накопление твердых продуктов переработки, перемещение загруженного топлива вдоль оси реактора, вывод твердых продуктов переработки из реактора, вывод из реактора продуктов сушки, пиролиза и горения в виде горючего топливного газа (продукт-газа), таким образом, что газификация проводится посредством последовательного пребывания топлива в зоне нагревания и сушки, зоне пиролиза, зоне горения (реакционной зоне окисления/восстановления) и зоне охлаждения, а газовый поток фильтруется через слой загруженного топлива, проходя последовательно зону охлаждения, зону горения, зону пиролиза и зону нагревания и сушки.

В реактор, в зону, где температура максимальна/превышает 400°С, подают воду в жидком виде. Для обеспечения равномерности распределения по сечению реактора водяного пара, испаряемого на нагретых твердых материалах шихты, процесс проводят в наклонном вращающемся реакторе, установленном под углом к горизонту в пределах от 22 до 65°. Температура в активной зоне ограничивается за счет испарительного внутреннего охлаждения в совокупности с пассивным охлаждением за счет эндотермических реакций. Достоинствами указанного способа является высокая эффективность процесса газификации топлив, в том числе мелкодисперсных и склонных к спеканию, а именно стабильность и высокий к.п.д. газификации, отсутствие не прореагировавшего топлива в отходах, низкий уровень вредных выбросов в атмосферу.

В то же время указанному способу присущи недостатки технологической схемы прямого процесса, связанные с большим содержанием смолистых и балластных веществ в получаемом газе. Также существенными недостатками способа являются сложность и ненадежность, обусловленные наличием в высокотемпературной зоне дополнительных устройств (труба для подачи воды; датчики температуры для управления рабочими параметрами газификации; уплотнения, обеспечивающие герметичность реактора при вращении). При изменениях параметров сырья (насыпной плотности, фракционного состава и др.) возможно ухудшение газопроницаемости слоя продуктов переработки (золы) из-за спекания и не прореагировавшего топлива, что не позволяет поддерживать оптимальные параметры паровоздушного дутья и затрудняет работу разгрузочного устройства.

Также не решена проблема тепловой защиты конструкции реактора (боковой стенки, разгрузочного устройства) для снижения тепловых потерь и обеспечения его надежности и долговечности. Обычно применяется футеровка корпуса изнутри теплоизоляционной кладкой, однако такая защита недостаточна, надежность, ремонтопригодность и срок службы таких конструкций низки, недостаточная компактность, высокие массовые и габаритные характеристики ограничивают применение реакторов в малогабаритных, мобильных и полустационарных энергетических установках, предназначенных для децентрализованного энергоснабжения. Кроме того, наличие только одной точки подачи воды препятствует равномерному распределению пара, особенно при больших размерах реактора, что снижает возможности управления рабочими параметрами газификации в целях их оптимизации применительно к топливам различного вида.

Указанные недостатки частично устранены в техническом решении «Способ газификации топливной биомассы и устройство для его осуществления» (Заявка на изобретение RU 2015156390 А, Забегаев, Тихомиров и др., дата публ. заявки 29.06.2017, бюл. №19), являющемся наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков.

Способ предполагает газификацию топливной биомассы в плотном слое, перемещающемся вдоль оси цилиндрического реактора, установленного под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° и вращающегося вокруг своей оси. Он включает загрузку в реактор топливной биомассы, в качестве которой используют твердое измельченное биотопливо, подачу в реактор газифицирующего агента, содержащего кислород, со стороны реактора, где происходит накопление твердых продуктов остатков горения из реактора вывод из реактора горючего топливного газа, при этом газификацию проводят посредством последовательного пребывания топливной биомассы в зоне нагревания и сушки, зоне пиролиза, активной зоне окисления/восстановления (реакционной зоне) и зоне охлаждения, а газовый поток, формируемый подачей газифицирующего агента, содержащего кислород, проходит последовательно зону охлаждения, реакционную зону, зону пиролиза и зону нагревания и сушки, причем конечный продукт газификации - горючий топливный газ - фильтруют через слой загруженной топливной биомассы, а подачу воды в реактор осуществляют в реакционную зону в виде пара, образование которого происходит в испарительных полостях пароводяной рубашки (пояса пароводяной завесы), непосредственно примыкающих к внутренней стенке рабочей камеры реактора, за счет теплового потока из реакционной зоны, при этом осуществляют инжекцию перегретого пара в реакционную зону сквозь перфорированную внутреннюю стенку рабочей камеры реактора, обеспечивая теплозащиту внутренней стенки рабочей камеры реактора с локализацией высокотемпературной зоны в центре реакционной зоны.

Однако предложенные технические решения не устраняют недостатки технологической схемы прямого процесса, связанные с большим содержанием смолистых и балластных веществ и высокой температурой получаемого газа.

Настоящее изобретение направлено на решение задач технического осуществления повышения эффективности газификации твердого углеродсодержащего, и в первую очередь, низкосортного сырья, и обеспечения качества силового газа для непосредственного использования в двигательных установках, и прежде всего, высокой теплотворности и низкого уровня содержания вредных примесей, а также снижения тепловых потерь в реакторе-газификаторе и обеспечения его компактности, а также экономичности, надежности и долговечности работы.

Для решения поставленных задач предлагается способ газификации твердого топлива в плотном слое, перемещающемся вдоль оси цилиндрического реактора, установленного под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° и вращающегося вокруг своей оси, включающий загрузку в реактор подготовленного - измельченного, уплотненного - твердого топлива, в качестве которого используют твердое биотопливо (ГОСТ 33104-2014. Биотопливо твердое. Термины и определения/, получаемое непосредственно или через промежуточные этапы из биомассы (первичной биомассы и твердых отходов ее переработки, органической части твердых городских (бытовых) отходов), и/или твердое низкосортное ископаемое углеродсодержащее сырье (торф, бурые угли), подачу в реактор газифицирующего агента - воздуха со стороны реактора, где происходит накопление твердых остатков газификации, перемещение загруженного твердого топлива вдоль оси реактора, вывод твердых остатков газификации из реактора, вывод из реактора горючего топливного газа, подачу воды в реактор. Газификацию проводят в реакторе, оснащенном пароводяной рубашкой, встроенной в пространство внутри двойной боковой стенки, состоящей из внешней стенки - кожуха и внутренней стенки рабочей камеры реактора, подача воды в реактор осуществляется посредством инжекции водяного пара, перегретого за счет теплового потока из рабочей камеры реактора, из пароводяной рубашки сквозь перфорированную внутреннюю стенку рабочей камеры реактора, а получаемый горючий топливный газ фильтруют через слой загруженного твердого топлива.

В отличие от известного прототипа процесс газификации проводят в двухреакторном газификаторе в составе двух совместно работающих (смежных) реакторов. В каждом из реакторов процесс газификации осуществляют с последовательным чередованием фаз (режимов) - фазы обращенного процесса и фазы прямого процесса, причем реакторы одновременно работают в различных фазах (противофазно), а смену фаз в обоих реакторах осуществляют одновременно (синхронно) посредством поворота реактора в вертикальной плоскости (с взаимной сменой положения верхней и нижней частей реактора с обеспечением реверсивного движения газифицируемого твердого топлива внутри реактора).

При этом в реакторе, работающем в фазе обращенного процесса, предусматривается подача газифицирующего агента - воздуха (воздушное дутье) непосредственно в реакционную зону, где перемещающееся туда через зону нагревания и сушки и зону пиролиза (коксования) твердое топливо в виде кокса частично окисляется (сгорает) и частично газифицируется, а основная его часть перемещается далее (ниже) в зону активации, где при температуре выше 800°С подвергается обработке перегретым водяным паром из пароводяной рубашки, при этом получаемый из кокса активированный уголь аккумулируют в буферной зоне рабочей камеры реактора, а образующуюся парогазовую смесь остатков пиролизных газов и не прореагировавшего водяного пара транспортируют в другой (смежный, или противофазный) реактор, который работает в фазе прямого процесса. В нем предусматривается полная газификация реверсивно перемещающегося из его буферной зоны слоя активированного угля, аккумулированного на фазе обращенного процесса, с дополнительной подачей в реакционную зону парогазовой смеси, поступающей из противофазного реактора, работающего в фазе обращенного процесса, и с встречной фильтрацией через перемещающийся слой активированного угля получаемого горючего топливного газа, который в результате в очищенном и сухом виде выводят из реактора.

При этом с учетом длительного взаимодействия водяного пара с углеродом и высокой реакционной и адсорбционной способности активированного угля потенциально возможно практически полное исключение содержания влаги в получаемом топливном газе, включая как гигроскопическую влагу исходного сырья, так и реакционную (химическую) влагу, а также влагу, дополнительно вводимую в процессе газификации на стадии активации угля.

Снижение тепловых потерь и температуры топливного газа достигается за счет рекуперативного водяного испарительного охлаждения, когда выводимый из реактора горючий топливный газ перед подачей потребителю охлаждают в водяном испарительном теплообменнике - парогенераторе, куда извне подают под давлением воду, а получаемый в результате теплообмена водяной пар подают в пароводяную рубашку смежного (противофазного) реактора, работающего в фазе/режиме обращенного процесса, где он перегревается, а охлажденный горючий топливный газ подают потребителю.

Эффективность охлаждения горючего топливного газа может быть повышена за счет дополнительного охлаждения его воздухом, который затем подают в необходимом объеме посредством воздушного дутья в реакционные зоны обоих реакторов.

Кроме того, качество получаемого газа, в частности, теплотворная способность может быть повышено посредством дополнительного снижения содержания балласта - азота воздуха при подаче в качестве газифицирующего агента воздуха с повышенным содержанием кислорода либо чистого кислорода.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-9.

На фиг. 1 представлен общий вид цилиндрического наклонного вращающегося реактора (в вертикальном положении реактора) с реверсивным движением твердого топлива для осуществления способа газификации в плотном слое в фазе (режиме) обращенного процесса.

На фиг. 2 показан разрез А-А согласно фиг. 1.

На фиг. 3 показан разрез Б-Б согласно фиг. 1.

На фиг. 4 приведен общий вид реактора с парогазоотводным каналом для транспортирования парогазовой смеси во встроенном исполнении (в промежуточном рабочем положении реактора в фазе (режиме) обращенного процесса).

На фиг. 5 показан разрез А-А согласно фиг. 4.

На фиг. 6 представлен общий вид цилиндрического наклонного вращающегося реактора (в вертикальном положении реактора) для осуществления способа газификации в плотном слое в фазе (режиме) прямого процесса.

На фиг. 7 приведен общий вид реактора в рабочем (наклонном) положении в фазах (режимах) обращенного и прямого процессов газификации.

На фиг. 8 приведена схема рабочего цикла устройства - двухреакторного газификатора.

На фиг. 9 представлена схема работы реактора в фазе (режиме) прямого процесса газификации совместно с водяным испарительным теплообменником - парогенератором и газо-воздушным теплообменником.

Способ газификации твердого топлива осуществляется посредством устройства - двухреакторного газификатора (фиг. 1 - 9), которое работает следующим образом.

Исходное твердое топливо «F» (далее - топливо) - биотопливо, получаемое непосредственно или через промежуточные этапы из биомассы (первичной биомассы и твердых отходов ее переработки, органической части твердых городских (бытовых) отходов), и/или твердое низкосортное ископаемое углеродсодержащее сырье (торф, бурые угли), при необходимости предварительно подготовленное для обеспечения газопроницаемости и сыпучести (перемешиваемости), в частности, измельченное (для кускового сырья) или уплотненное (для сырья с низкой насыпной плотностью или мелкодисперсных материалов) и, возможно, с добавлением твердого негорючего материала, загружается в реактор, находящийся в фазе обращенного процесса (фиг. 1-5, фиг. 7), через загрузочное устройство 3, включающее бункер с шлюзовой камерой и вертикальным цилиндром, в рабочую камеру реактора, где уровень загруженного топлива поддерживается постоянным, поскольку при вращении реактора происходит его высыпание из вертикального цилиндра

Топливо «F» в реакторе в виде плотного слоя, перемешиваемого при вращении реактора вокруг своей оси, проходит последовательно через зону нагревания и сушки 4, зону пиролиза (коксования) 5 в реакционную зону (зону окисления/восстановления) 6, куда посредством устройства подачи газифицирующего агента 15 через дутьевой канал 16 (например, кольцевой формы, секционированный для обеспечения равномерности распределения подачи воздуха с помощью продольных ребер жесткости 19) подается воздух «А». В реакционной зоне 6 протекают реакции неполного окисления топлива при ограниченном подводе кислорода в составе воздушного дутья. При газификации протекают реакции как с выделением тепла, так и с его поглощением, поэтому для поддержания процесса должно быть обеспечено условие автотермичности, при котором суммарный тепловой эффект всех реакций будет равен нулю.

При получении воздушного газа, когда в газогенератор в качестве дутья поступает воздух, реакции окисления и восстановления происходят по следующей схеме:

С + O2 → CO2 + 97650 ккал

2С + O2 → 2СО + 58860 ккал

2СО + O2 → 2CO2 + 136440 ккал

CO2 + С → 2СО - 38790 ккал

Достигаемые при этом высокие температуры благоприятны для завершения реакций восстановления углекислоты, однако они могут превышать температуры размягчения и даже жидкоплавкого состояния золы ряда твердых топлив (температура плавления биомассы, как правило, не ниже 1150°С /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г., с. 32/). Это приводит к нарушению нормальной работы реактора, так как образуются крупные сплавленные куски шлака, затрудняющие доступ воздуха и процесс генерации газа, перегревается сам аппарат, падает его производительность, КПД, снижается качество газа. Для снижения температуры процесса в реактор вместе дополнительно к воздушному дутью вводятся водяные пары (смешанный процесс генерации - паровоздушное дутье). При паровом дутье получается водяной газ. Водяной пар, проходя через слой раскаленного кокса зоны восстановления, вступает в химическое взаимодействие с углеродом по реакциям:

С + H2O = СО + Н2 - 28380 ккал; С + 2H2O = CO2 + 2Н2 - 17970 ккал,

т.е. обе реакции - эндотермические, с поглощением тепла, что приводит к локальному снижению температуры. Водяной газ имеет более высокую теплотворную способность по сравнению с воздушным газом, однако при этом КПД процесса невысок.

В реакционной зоне 6 за счет частичного окисления углерода топлива достигается температура 900…1100°С, необходимая, во-первых, для подготовки топлива в зоне нагрева и сушки 4 и зоне пиролиза (коксования) 5 и, во-вторых, для осуществления реакций частичной воздушной газификации топлива и получения слоя раскаленного кокса в зоне активации 7, которая располагается ниже реакционной зоны 6, являясь по существу ее продолжением.

Вода «W» в пароводяную рубашку 13, встроенную в пространство внутри двойной боковой стенки, состоящей из внешней стенки - кожуха 1 и внутренней стенки рабочей камеры реактора 2, подается извне под давлением по трубопроводу с обратным клапаном 14. В пароводяной рубашке 13 под воздействием теплового потока (излучения) из рабочей камеры реактора, а именно из реакционной зоны 6 обращенного процесса газификации образуется водяной пар,

В результате нагрева давление в пароводяной рубашке 13 повышается, пар посредством инжекции поступает через перфорированный по длине зоны активации 7 участок 17 внутренней стенки рабочей камеры реактора, образуя там пристеночный теплоизолирующий слой в перегретом вследствие редукции давления состоянии и вступая в эндотермические реакции с углеродом раскаленного топлива/кокса, в результате которых образуется «водяной» горючий газ и понижается (ограничивается) температура в пристеночном слое в процессе перемешивания топлива и распределения пара при вращении реактора. Высокая температура в реакционной зоне является необходимым условием обеспечения высокого качества газа, практически полное восстановление CO2 в СО обеспечивается при температурах не менее 950…1000°С / Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955, с. 23, 31/.

При высоких температурах раскаленного кокса (выше 800…850°С) протекают эндотермические реакции восстановления с образованием водяного газа. Такая обработка перегретым паром позволяет получить из кокса активированный уголь с необходимыми свойствами для его дальнейшего использования в процессе в качестве адсорбента /Кинле X., Бадер Э. Активные угли и их промышленное применение. - М.: Химия, 1984. - 216 с./.

При этом слой активированного угля с соответствующим понижении температуры аккумулируется в расположенной ниже буферной зоне реактора 8, что обеспечивается опусканием поддерживающего этот слой расширительного поршня 9 посредством хода штока 10, который выполняется полым, но в фазе обращенного процесса его вход закрыт газовым клапаном 11. Движение штока 10 может обеспечиваться соответствующим передаточным механизмом от привода вращения реактора. Скорость хода штока должна обеспечивать необходимые (оптимальные или близкие к оптимальным) рабочие параметры процесса (температуру в зонах рабочей камеры реактора, длительность окислительно-восстановительных реакций) и может быть определена расчетно-опытным путем и регулироваться в зависимости от характеристик конкретного вида твердого топлива.

Образующаяся в результате обработки кокса перегретым паром парогазовая смесь горючего топливного газа, остатков неразложившихся пиролизных газов и не прореагировавшего водяного пара отводится из зоны активации 7 по парогазоотводному каналу, а именно через парогазоотводный патрубок 12 по газопроводу с высокотемпературной газодувкой 30 в реакционную зону 6 смежного противофазного реактора, где реализуют прямой процесс газификации (фиг. 6, фиг. 7). Конкретная форма конструкции реактора с парогазоотводным каналом во встроенном исполнении показана на фиг. 4. При этом выход в парогазоотводный канал для транспортирования парогазовой смеси в смежный (противофазный) реактор осуществляется через внутренний патрубок отвода парогазовой смеси 22, соединяющий зону активации 7 рабочей камеры с парогазосборной полостью 20 в межстеночном пространстве реактора с выходом через верхний патрубок отвода парогазовой смеси 23, располагаемый в верхней части реактора. Для интенсификации процесса нагрева твердого топлива «F» в зоне нагревания и сушки 4, зоне пиролиза (коксования) 5 стенка рабочей камеры 2 реактора предпочтительно имеет ребристую структуру (фиг. 5), а для подогрева подаваемого воздуха дутьевой канал выполнен трубчатым 21 внутри парогазосборной полости. 20.

Конечное положение 29 расширительного поршня 9, которое определяет завершение работы реактора в фазе обращенного процесса, может определяться заданным значением хода штока, либо временным интервалом работы, либо иным способом. В этом положении реактор переводят в фазу (режим) прямого процесса газификации, посредством поворота в вертикальной плоскости: из наклонного положения под углом α к горизонту в наклонное положение под углом - β (фиг. 7), одновременно смежный реактор переводят в фазу (режим) обращенного процесса посредством соответствующего обратного поворота.

Работа реактора в фазе прямого процесса газификации осуществляется следующим образом (фиг. 6).

После поворота реактора прекращается подача воды в пароводяную рубашку 13, например, посредством снятия давления на входе трубопровода с обратным клапаном 14 (см. фиг. 1-4). Оставшееся в рабочей камере твердое топливо «F» с помощью шлюзовой камеры загрузочного устройства 3 фиксируется в качестве «подушки», поддерживающей слой активированного угля, аккумулированный в буферной зоне 8. Дополнительно к воздушному дутью посредством устройства подачи газифицирующего агента 15 в реакционную зону 6 по парогазоотводному каналу от смежного реактора начинает поступать парогазовая смесь (через специально выделенные для этого секции либо через трубки секционированного 16 либо трубчатого 21 дутьевого канала).

Таким образом, в рабочей камере реализуется прямой процесс газификации активированного угля, аккумулированного в буферной зоне 8, когда посредством воздушного дутья, дополненного подачей парогазовой смеси формируется газовый поток, который проходит последовательно зону охлаждения 24, реакционную зону 6 и далее в виде получаемого горючего топливного газа «G» фильтруется через перемещаемый ему навстречу слой активированного угля в буферной зоне 8 и затем выводится из верхней части буферной газоотборной зоны 8 реактора через открывшийся (например, под собственным весом) газовый клапан 11 и полый шток 10 и далее к потребителю. При этом расширительный поршень 9 со штоком 10 опускается до уровня, определяемого ограничительным фиксирующим кольцом 18 по мере уменьшения слоя активированного угля вследствие его переработки. В зоне охлаждения 24 происходит накопление твердых остатков газификации - золы «R», которая по мере вращения реактора высыпается через отверстия разгрузочного устройства 25 в межстеночное пространство и далее в бункер для золы 26. Соотношение просветов отверстий, скорости вращения реактора и расхода окислителя (воздуха), подаваемого в реактор, обеспечивает скорость выгрузки золы, при которой положение реакционной зоны 6 в реакторе остается постоянным.

На фазе прямого процесса газификации обеспечивается практически полное разложение остатков смол, завершение реакций газификации углерода топлива с образованием смешанного горючего топливного газа, включая реакции водяного пара с углеродом, а также очистка получаемого топливного газа от примесей (частиц золы, не прореагировавшего углерода топлива, сажи, возможных следов смол) за счет адсорбции в слое активированного угля в буферной зоне 8. Высокая степень переработки и очистки газа «G» обеспечивается за счет длины буферной зоны 8, а также высокой реакционной способности топлива - активированного угля (на основе исходного преимущественно растительного, в т.ч. древесного сырья), его газопроницаемости и сыпучести (перемешиваемости).

Поскольку получаемый горючий топливный газ имеет слишком высокую температуру (до 700°С и выше), для использования его в качестве силового газа в двигателе предусмотрено рекуперативное водяное испарительное охлаждение (фиг. 9). Выводимый из реактора горючий топливный газ перед подачей потребителю охлаждают в водяном испарительном теплообменнике - парогенераторе 27, куда извне подают под давлением воду, а получаемый в результате теплообмена водяной пар подают по трубопроводу с обратным клапаном 14 в пароводяную рубашку 13 смежного (противофазного) реактора, работающего в фазе/режиме обращенного процесса, где он перегревается, а охлажденный горючий топливный газ подают потребителю.

Эффективность охлаждения горючего топливного газа (для снижения его температуры до требуемых значений) может быть повышена за счет дополнительного воздушного охлаждения (фиг. 9). Для этого газ охлаждают в газо-воздушном теплообменнике 28, куда подается воздух, который затем в подогретом состоянии поступает в необходимом объеме посредством воздушного дутья в реакционные зоны 6 обоих реакторов.

Таким образом, рабочий цикл предлагаемого двухреакторного газификатора является двухтактным (фиг. 8). На первом такте реактор I работает в фазе (режиме) обращенного процесса газификации, а смежный (противофазный) реактор II - в фазе (режиме) прямого процесса газификации. На втором такте рабочего цикла реакторы синхронно переходят к работе в противоположных фазах (режимах): реактор I - в фазу (режим) прямого процесса газификации, а реактор II - в фазу (режим) обращенного процесса газификации.

В то же время при необходимости обеспечения большой производительности может быть реализована схема газификатора в виде кластера из более, чем двух реакторов. При этом устройство - полиреакторный газификатор представляет собой кластер из нескольких одинаковых реакторов, работающих совместно, при этом часть реакторов - в фазе/режиме обращенного процесса газификации, другая часть реакторов - в фазе/режиме прямого процесса газификации, с синхронной либо асинхронной сменой фаз работы, а такие элементы, как бункер загрузочного устройства 3, газопровод с высокотемпературной газодувкой 30 парогазоотводного канала, газопровод для подачи потребителю с водяным испарительным теплообменником - парогенератором 27 и газо-воздушным теплообменником 28, а также бункер для золы 26 могут быть выполнены как общие для всех реакторов кластера.

Для упрощения конструкции устройства, в частности, снижения требований к уплотнениям можно использовать маятниковый режим вращения реактора со сменой направления вращения реактора на противоположное после его поворота на определенный угол (например, на 180°).

1. Способ газификации твердого топлива в плотном слое, перемещающемся вдоль оси цилиндрического реактора, установленного под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° и вращающегося вокруг своей оси, включающий загрузку в реактор предварительно подготовленного (измельченного) твердого топлива, в качестве которого используют твердое биотопливо и/или твердое низкосортное ископаемое углеродсодержащее сырье (торф, бурые угли), подачу в реактор газифицирующего агента - воздуха, со стороны реактора, где происходит накопление твердых остатков газификации, перемещение загруженного твердого топлива вдоль оси реактора, вывод твердых остатков газификации из реактора, вывод из реактора горючего топливного газа, подачу воды в реактор, при этом газификацию проводят в реакторе, оснащенном пароводяной рубашкой, куда извне по трубопроводу с обратным клапаном подается вода, подачу воды в рабочую камеру реактора осуществляют посредством инжекции водяного пара, перегретого за счет теплового потока из рабочей камеры реактора, из пароводяной рубашки сквозь перфорированную внутреннюю стенку рабочей камеры реактора, а получаемый горючий топливный газ фильтруют через слой загруженного твердого топлива, отличающийся тем, что газификацию проводят в газификаторе в составе двух совместно работающих реакторов, в каждом из которых процесс газификации осуществляют с последовательным чередованием фаз (режимов) - фазы обращенного процесса и фазы прямого процесса, причем реакторы одновременно работают в различных фазах (противофазно), а смену фаз в обоих реакторах осуществляют одновременно (синхронно) посредством поворота реактора в вертикальной плоскости с взаимной сменой положения верхней и нижней частей реактора и обеспечением реверсивного движения твердого топлива в реакторе, при этом в фазе обращенного процесса предусматривается подача газифицирующего агента - воздуха - воздушное дутье - непосредственно в реакционную зону, где перемещающееся туда через зону нагревания и сушки и зону пиролиза (коксования) твердое топливо в виде кокса частично окисляется (сгорает) и частично газифицируется, а основная его часть перемещается далее (ниже) в зону активации, где при температуре выше 800°C подвергается обработке водяным паром, перегретым за счет теплового потока из рабочей камеры реактора и поступающим посредством инжекции из пароводяной рубашки, при этом получаемый из кокса активированный уголь аккумулируют в буферной зоне рабочей камеры реактора, а образующуюся парогазовую смесь транспортируют в другой (смежный) реактор, который работает в фазе прямого процесса, где предусматривается газификация реверсивно перемещающегося из его буферной зоны слоя активированного угля, аккумулированного на фазе обращенного процесса, с дополнительной подачей в реакционную зону парогазовой смеси, поступающей из противофазного реактора, работающего в фазе обращенного процесса, и с встречной фильтрацией через перемещающийся слой активированного угля получаемого горючего топливного газа, который выводят из реактора и подают потребителю, а также с выводом твердых остатков газификации - золы.

2. Способ газификации твердого топлива по п. 1, отличающийся тем, что осуществляется рекуперативное водяное испарительное охлаждение горючего топливного газа, выводимого из реактора в фазе прямого процесса газификации, с подачей водяного пара в пароводяную рубашку смежного реактора, работающего в фазе обращенного процесса газификации.

3. Способ газификации твердого топлива по п. 2, отличающийся тем, что горючий топливный газ перед подачей потребителю дополнительно охлаждают воздухом, который затем подают в необходимом объеме в оба реактора в качестве воздушного дутья.

4. Способ газификации твердого топлива по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газифицирующего агента используется воздух с повышенным содержанием кислорода или кислород.

5. Устройство для газификации твердого топлива в виде предварительно подготовленного - измельченного, уплотненного - твердого биотоплива и/или твердого низкосортного ископаемого углеродсодержащего сырья (торф, бурые угли) в плотном слое, включающее загрузочное устройство, установленный под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° цилиндрический реактор, выполненный с возможностью вращения вокруг своей оси и оснащенный пароводяной рубашкой, встроенной в пространство внутри двойной боковой стенки реактора, состоящей из внешней стенки - кожуха и внутренней стенки рабочей камеры с перфорированным участком для обеспечения прохождения пара из пароводяной рубашки в рабочую камеру реактора, разгрузочное устройство, устройство подачи газифицирующего агента - воздуха - в нижнюю часть реактора, привод вращения реактора, уплотнения, обеспечивающие герметичность реактора при вращении, отличающееся тем, что устройство - газификатор - состоит из двух одинаковых реакторов, работающих совместно в двухтактном рабочем цикле газификатора, один реактор - в фазе/режиме обращенного процесса газификации, другой реактор - в фазе/режиме прямого процесса газификации, с возможностью синхронной смены фаз работы реакторов на каждом очередном такте работы газификатора посредством поворота реактора в вертикальной плоскости с обеспечением реверсивного движения газифицируемого твердого топлива внутри реактора, при этом для работы в фазе/режиме обращенного процесса газификации в зону активации, примыкающую снизу к реакционной зоне, в которую через верхнюю часть реактора введены дутьевые каналы (в частности, секционированные кольцевой формы) для подачи в нее газифицирующего агента - воздуха, при этом рабочая камера в зоне активации имеет выход в парогазоотводный канал через патрубок отвода парогазовой смеси для транспортирования парогазовой смеси в другой (противофазный) реактор, а ниже зоны активации имеет переменный объем, определяемый подвижным расширительным поршнем, который поддерживает слой топлива, с полым штоком, вход в который со стороны буферной зоны закрыт газовым клапаном, причем шток перемещает расширительный поршень вниз, поддерживая слой топлива в рабочей камере и образуя буферную зону с увеличением ее объема по мере заполнения (аккумулирования) активированным углем, поступающим/перемещающимся из зоны активации, причем скорость перемещения поршня может регулироваться скоростью вращения реактора, а по окончании заполнения буферной зоны реактор переводится в фазу/режим прямого процесса путем его поворота в вертикальной плоскости для обеспечения реверсивного перемещения из его буферной зоны слоя активированного угля, аккумулированного на фазе обращенного процесса газификации, при этом часть дутьевых каналов, не подключенных к устройству подачи газифицирующего агента - воздуха, подключена к парогазоотводному каналу другого (противофазного) реактора, работающего в фазе/режиме обращенного процесса, для подачи отводимой из него парогазовой смеси в реакционную зону, причем одновременно с поворотом реактора имеется возможность открытия газового клапана для вывода получаемого горючего топливного газа из реактора через полый шток в газопровод для подачи потребителю, а также возможность перекрытия входного трубопровода с обратным клапаном для подачи воды в пароводяную рубашку и парогазоотводного канала к другому реактору, а для вывода твердых остатков газификации - золы - из зоны охлаждения разгрузочное устройство имеет выход в межстеночное пространство реактора и через нижнюю торцевую часть реактора в бункер для золы.

6. Устройство для газификации твердого топлива по п. 5, отличающееся тем, что газопровод для подачи потребителю отводимого из реактора горючего топливного газа включает в себя водяной испарительный теплообменник - парогенератор, который имеет также вход для подачи извне под давлением охлаждающей воды и выход для подачи образующегося водяного пара по трубопроводу с обратным клапаном в пароводяную рубашку смежного противофазного реактора.

7. Устройство для газификации твердого топлива по п. 6, отличающееся тем, что газопровод для подачи потребителю отводимого из реактора топливного газа дополнительно включает в себя газовоздушный теплообменник с выходом для отработанного подогретого воздуха в устройства подачи газифицирующего агента реакторов.

8. Устройство для газификации твердого топлива по п. 5, отличающееся тем, что выход в парогазоотводный канал для транспортирования парогазовой смеси в смежный (противофазный) реактор осуществляется через внутренний патрубок отвода парогазовой смеси, соединяющий зону активации рабочей камеры с парогазосборной полостью в межстеночном пространстве реактора, соединенной с парогазоотводным каналом через верхний патрубок отвода парогазовой смеси, располагаемый в верхней части (в фазе/режиме обращенного процесса) реактора, при этом для интенсификации процесса охлаждения горючего топливного газа внутренняя стенка рабочей камеры реактора предпочтительно имеет ребристую структуру, а дутьевые каналы выполнены в виде трубок, проходящих внутри парогазосборной полости.

9. Устройство для газификации твердого топлива по п. 5, отличающееся тем, что устройство - полиреакторный газификатор - представляет собой кластер из нескольких одинаковых реакторов, работающих совместно, при этом часть реакторов - в фазе/режиме обращенного процесса газификации, другая часть реакторов - в фазе/режиме прямого процесса газификации, с синхронной либо асинхронной сменой фаз работы, а такие элементы, как бункер загрузочного устройства, газопровод с высокотемпературной газодувкой парогазоотводного канала, газопровод для подачи потребителю с водяным испарительным теплообменником - парогенератором и газовоздушным теплообменником, а также бункер для золы могут быть выполнены как общие для всех реакторов кластера.

10. Устройство для газификации твердого топлива по одному (любому) из пп. 5-9, отличающееся тем, что используется маятниковый режим вращения реактора со сменой направления вращения реактора на противоположное после его поворота на определенный угол (например, на 180°).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к теплоэнергетике с получением горючего газа, содержащего оксид углерода и водород, для последующего использования в качестве силового газа в транспортных и энергетических установках.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к конструкциям водогрейных аппаратов, и может быть использовано в системах отопления и горячего водоснабжения.

Изобретение относится к газификации углеродсодержащего сырьевого материала и, в частности, к газификации углеродсодержащего сырьевого материала, включая сверхкритическую пиролитическую обработку.

Изобретение относится к области термической переработки углеродсодержащих материалов и предназначено для утилизации твердых коммунальных отходов. Мусороперерабатывающий комплекс содержит блок пиролиза, включающий по меньшей мере две пиролизные установки, конвейерную линию для подачи подготовленных отходов к реакторам, конвейерную линию для транспортировки углеродистого остатка в приемный бункер.

Изобретение относится к области термической переработки углеродсодержащих материалов и предназначено для утилизации твердых коммунальных отходов. Мусороперерабатывающий комплекс содержит блок пиролиза, включающий по меньшей мере две пиролизные установки, конвейерную линию для подачи подготовленных отходов к реакторам, конвейерную линию для транспортировки углеродистого остатка в приемный бункер.

Настоящее изобретение относится к энергетике, может применяться для получения горючего газа за счет газификации твердого топлива. Техническим результатом является повышение эффективности газификации применяемого топлива с получением горючего газа высокой чистоты и теплотворной способностью, превышающей теплотворную способность синтез-газа, а также упрощение конструкции газификатора по сравнению с существующими аналогами в виду отсутствия вращающихся частей предлагаемого изобретения.

Настоящее изобретение относится к системе коммунального хозяйства и малой энергетике, может быть применено для уничтожения твердых бытовых отходов (ТБО) и получения чистого горючего газа за счет применения газификатора.

Изобретение относится к области переработки углеродсодержащих твердых веществ в альтернативные энергетические ресурсы, используемые как для промышленных, так и для бытовых нужд.

Изобретение относится к области переработки жидких отходов путем их пиролиза и может быть использовано для утилизации промышленных отходов органического происхождения.
Изобретение относится к способу переработки твердых отходов производства соды и может найти применение в химической промышленности при решении экологических, технологических и экономических проблем.

Настоящее изобретение относится к энергетике, может применяться для получения горючего газа за счет газификации твердого топлива. Техническим результатом является повышение эффективности газификации применяемого топлива с получением горючего газа высокой чистоты и теплотворной способностью, превышающей теплотворную способность синтез-газа, а также упрощение конструкции газификатора по сравнению с существующими аналогами в виду отсутствия вращающихся частей предлагаемого изобретения.

Настоящее изобретение относится к системе коммунального хозяйства и малой энергетике, может быть применено для уничтожения твердых бытовых отходов (ТБО) и получения чистого горючего газа за счет применения газификатора.

Изобретение относится к газогенератору непрерывного действия. При этом газогенератор характеризуется тем, что в цилиндрической части корпуса установлен поршень со штоком, на верхнем торце которого установлен магнит и закреплен гибкий трос, соединенный с электроприводом подъемного механизма; на крышке корпуса газогенератора установлена штанга с закрепленными на ней датчиками нижнего и верхнего положения уровня топлива, а на верхнем торце штанги установлен стопорный механизм; сбоку от корпуса газогенератора установлен механизм загрузки топлива, включающий в себя бункер, соединенный с корпусом газогенератора шнековым каналом, причем конец канала, присоединенный к бункеру, содержит приводной шнек, шток которого соединен с валом электродвигателя, а конец канала, присоединенный к корпусу газогенератора, - электромеханическую заслонку, снабженную электроприводом; выходы датчиков нижнего и верхнего положения уровня топлива подключены к измерительным входам блока управления, а силовые выходы последнего подключены соответственно к электроприводу подъемного механизма, стопорному механизму, электродвигателю приводного шнека и электроприводу электромеханической заслонки.

Группа изобретений относится к области горения и газификации твердых топлив и предназначена для получения генераторного газа, в том числе силового или синтетического газа, в области когенерации электрической и тепловой энергии или полигенерации с дополнительным производством СЖТ, метанола и прочих химических продуктов из подготовленного низкосортного твердого топлива.

Изобретение относится к области химической технологии и теплоэнергетики на основе переработки топливной биомассы путем газификации с получением горючего газа, содержащего оксид углерода и водород.

Изобретение относится к области химической технологии и теплоэнергетики на основе переработки топливной биомассы, включая утилизацию твердых органических углеродсодержащих отходов, путем газификации с получением горючего газа для последующего производства тепловой и электрической энергии.

Изобретение относится к области химической технологии и теплоэнергетики на основе переработки топливной биомассы путем газификации с получением горючего газа. Способ газификации топливной биомассы в плотном слое, перемещающемся вдоль оси вращающегося вокруг своей оси наклонного цилиндрического реактора, включает загрузку твердого измельченного биотоплива в реактор, подачу в реактор газифицирующего агента - воздуха со стороны реактора, где происходит накопление твердых отходов газификации - золы, перемещение загруженного топлива вдоль оси реактора, вывод золы и горючего топливного газа из реактора с фильтрацией газового потока через слой загруженной топливной биомассы.

Изобретение относится к утилизации органических отходов, а именно к устройствам для их переработки путем пиролиза с получением генераторного газа, и может быть использовано для утилизации отходов заводов по производству риса и овса с получением аморфного кремнийсодержащего остатка.

Изобретение относится к области горения и газификации твердых топлив и предназначено для получения генераторного газа, в том числе силового или синтетического газа, и может быть использовано в области производства электрической и тепловой энергии или полигенерации.

Изобретение относится к области производства газов, содержащих монооксид углерода и водород, из твердых углеродсодержащих веществ при помощи процессов частичного окисления и может быть использовано в энергетике.

Изобретение относится к химической и сельскохозяйственной промышленности, к области энергетики и может быть использовано для сушки сыпучего материала, например зерна, и получения кокса.

Изобретение относится к химической технологии и теплоэнергетике на основе переработки местного низкосортного углеродсодержащего сырья, в том числе битуминозного, путем газификации с получением горючего газа, содержащего оксид углерода и водород, для последующего использования в качестве силового газа в транспортных и энергетических установках. Способ предусматривает переработку твердого измельченного топлива в газификаторе в составе двух совместно работающих наклонных вращающихся цилиндрических реакторов, в каждом из которых осуществляют процесс газификации в плотном слое с последовательным чередованием фаз - фазы обращенного процесса и фазы прямого процесса, причем реакторы работают противофазно. Реакторы работают в двухтактном рабочем цикле с синхронной сменой фаз. Смену фаз в реакторах осуществляют посредством их поворота в вертикальной плоскости для обеспечения реверсивного перемещения топлива. Каждый реактор оснащен пароводяной рубашкой с перфорированной внутренней стенкой рабочей камеры для инжекции перегретого пара в зону активации, а также расширительным поршнем для поддержания слоя топлива и регулирования объема буферной зоны с полым штоком для отбора газа. Охлаждение топливного газа осуществляют посредством теплообменников для водяного испарительного и воздушного охлаждения газа. Полученный активированный уголь аккумулируют в буферной зоне, а парогазовую смесь транспортируют в противофазный реактор, где газификация реверсивно перемещающегося из его буферной зоны слоя активированного угля завершается в режиме прямого процесса с встречной фильтрацией получаемого газа, который выводят из реактора и после охлаждения подают потребителю. Технический результат заключается в повышении полноты переработки топлива, качества и теплотворной способности получаемого топливного газа, уменьшении потерь тепла, а также повышении компактности, экономичности, надежности и долговечности газификатора. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

Наверх