способ утилизации углеродсодержащих материалов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.

1. Способ утилизации углеродсодержащих материалов, включающий подачу материала в реактор, подачу потока перегретого газа под углом к оси реактора и обработку им материала с получением аэрозольных фаз и тонкодисперсных частиц, ввод полученных аэрозольных фаз и тонкодисперсных частиц в расширенную зону реактора, последующее их разделение и отвод из реактора, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса и увеличения выхода газа, подачу материала в реактор осуществляют инертным газом под углом к оси реактора через тангенциально расположенные сопла с образованием закрученного потока, поток перегретого газа подают в реактор в обратном направлении относительно образованного закрученного потока через тангенциально расположенные сопла, отвод аэрозольных фаз и тонкодисперсных частиц ведут последовательно, причем аэрозольные фазы отводят по центру и периферии реактора, а твердые частицы - по периферии ниже уровня отвода аэрозольных фаз.

2. Устройство для утилизации органических материалов, содержащее камеру обработки материала, снабженную приспособлениями для подачи исходного органического материала и перегретого газа и патрубками для отвода газообразной фазы и твердых фракций, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности процесса и увеличения выхода газа, камера обработки материалов выполнена конической в виде последовательно расположенных усеченных конусов, нижний из которых выполнен с размещенными одна над другой нишами, снабженными патрубками для отвода аэрозольных фаз и тонкодисперсных частиц, а приспособления для подачи исходного органического материала и перегретого газа выполнены в виде кольцевых сопл, установленных в верхней части камеры друг над другом, при этом оси сопл направлены тангенциально стенкам камеры с возможностью направления потоков исходного материала и газа навстречу друг другу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физико-технологическим процессам переработки твердых органических материалов в газообразную фазу и предназначено для использования в технологии преобразования промышленных отходов легкой, текстильной и кожевенной отраслей промышленности в более удобный вид потребляемой энергии - газ и пылегазовые фазы.

В настоящее время известны принципиальные направления развития процессов газификации и разделения материалов твердых фракций от газообразных, парообразных, парогазовых и других соединений, наиболее представительным из которых можно считать способ газификации промышленных органических отходов воздействием на измельченные фракции открытыми огневыми факелами при использовании устройства, представляющего собой ресивер с горючим веществом, магистраль подачи и форсунки для сжигания отходов.

Существенными недостатками этого способа и используемого для реализации устройства является низкий кпд оборудования, незначительный реальный выход газа и значительные машино- и трудозатраты процесса при существенных нарушениях экологических требований, что ставит способ в ряд неиспользуемых в последнее время.

Наиболее близким к предлагаемому, по мнению авторов, является способ утилизации углеродсодержащих материалов, включающий подачу материала в реактор, воздействие на этот материал перегретым газом под углом к оси реактора и разделение на фракции и аэрозольные фазы после указанного воздействия, ввод полученных аэрозольных фаз и тонкодисперсных частиц в расширенную зону реактора и последующее их разделение, и отвод из полости реактора.

Устройство для осуществления данного способа содержит камеру обработки материала, снабженную приспособлениями для подачи материала и газа, соединенную своей полостью с патрубками для отвода газообразной фазы и твердых фракций к потребителю.

Этот способ и устройство более эффективны по отношению к известным аналогам, однако имеют и существенные недостатки, заключающиеся в низкой эффективности переработки органических отходов за счет низкого выхода газообразной фазы и нерационального высокого отхода твердых фракций, сводящих способ к неэффективному по технико-экономическим и экологическим характеристикам, что сужает сферы использования технологии незначительного кпд преобразования материала.

Целью данного изобретения является повышение эффективности процесса за счет увеличения выхода тонкодисперсных фракций и аэрозольных фаз газа при газификации твердых углеродосодержащих отходов.

Это достигается в способе утилизации углеродсодержащих материалов, включающем подачу материала в реактор, подачу потока перегретого газа под углом к оси реактора и обработку им материала с получением аэрозольных фаз и тонкодисперсных частиц, ввод полученных аэрозольных фаз и тонкодисперсных частиц в расширенную зону реактора и последующее их разделение и отвод из реактора, при этом подачу материала в реактор осуществляют инертным газом под углом к оси реактора через тангенциально расположенные сопла с образованием закрученного потока, поток перегретого газа подают в реактор в обратном направлении относительно образованного закрученного потока через тангенциально расположенные сопла, отвод аэрозольных фаз и тонкодисперсных частиц ведут последовательно, причем аэрозольные фазы отводят по центру и по периферии реактора, а твердые частицы - по периферии ниже уровня отвода аэрозольных фаз.

Устройство для утилизации углеродсодержащих материалов, содержащее камеру обработки материала, снабженную приспособлениями для подачи исходного органического материала и перегретого газа и патрубками для отвода газообразной фазы и твердых фракций, имеет камеру обработки материалов, выполненную конической в виде последовательно расположенных усеченных конусов, нижний из которых выполнен с размещенными одна под другой нишами, снабженными патрубками для отвода аэрозольной и тонкодисперсной фракции, а приспособление для подачи исходного органического материала и перегретого газа выполнены в виде кольцевых сопел, установленных в верхней части камеры с возможностью направления потоков исходного материала и газа навстречу друг другу.

На фиг.1 показан общий вид устройства для реализации способа; на фиг.2 - вид по стрелке А сверху на рабочую часть устройства.

Устройство для утилизации оргматериалов содержит источник 1 перегретого газа в виде термогазогенераторной установки: плазмотрона или камеpы сгорания: пропан (бутан)+воздух(кислород), узел 2 подготовки (измельчения) и подачи оргматериала и узел 3 приема переработанного оргматериала (в газообразные фазы и тонкие фракции) для подачи потребителю 4, которым может быть энергоузел текстильной фабрики. Узел 3 является камерой обработки оргматериала, соединенной своей полостью с источником 1 перегретого газа; магистралями 5 - с узлом 2 подачи оргматериала. Устройство также содержит отводные патрубки: 6 - для отвода газоообразных фаз, 7 - для отвода остаточных твердых фракций, 8 - для отвода тонкодисперсных фракций, имеющих аэрозольную структуру.

Согласно изобретению, для повышения эффективности процесса утилизации за счет увеличения выхода аэрозольных фаз (газообразных) и тонкодисперсных фракций (также аэрозольного характера), камера обработки 3 органического материала выполнена в виде усеченных конусов: 9 - наименьшего верхнего, 10 - соединенного с конусом 9 своим меньшим основанием посредством сопел 11, являющихся рабочими органами для ввода перегретого газа в полость камеры обработки 3 оргматериала, а оси сопел 11 ориентированы (см. фиг.2) под углом к оси камеры 3 обработки оргматериала и под углом к образующей конуса, т. е. тангенциально, для создания эффекта циклона в камере обработки 3. Для этой же цели в камеру обработки 3 тангенциально (по касательной) к образующей конуса 9 введены патрубки 12 магистралей 5 подачи оргматериалов по направлению (в плане, фиг.2) их ориентирования противоположно направлению ориентирования сопел 11, - это выполнено для создания эффективного взаимодействия соударением поступающих завихренных струй от патрубков 12 со встречными завихренными (циклонически) струями газа из сопел 11, что существенно повышает эффективнось процесса переработки (утилизации) оргматериалов в аэрозольные и тонкодисперсные фазы и фракции, которые соизмеримы с аэрозольными фазами и устойчиво удерживаются (без оседания) в потоке аэрозольных фаз, газа.

Конусы 9 и 10, последовательно соединенные между собой, образуют участки (зоны) существенного расширения поступающего материала и газа, что позволяет более эффективно вести переработку оргматериала за счет значительного повышения скорости потока при одновременном снижении его плотности, что позволяет частицам более свободно "рыскать" в потоке газа и перерабатываться из твердого состояния в газ.

Конус 10 имеет тупиковую нишу 13, а его (конуса 10) сферическое продолжение имеет вторую тупиковую нишу 14; ниша 13 имеет фильтр 15 для отделения и отвода по магистрали 16 газообразных аэрозольных фаз, а ниша 14 - фильтр 17 для отделения и отвода по магистрали 18 тонкодисперсных пылевидных фракций, которые можно подать потребителю или вернуть снова в патрубки 12 для вторичной переработки.

Более эффективной является конструкция устройства, когда по его оси, в центре организованного в его полости циклона (от работы сопел 11 и патрубков 12), расположена перфорированная труба 19, соединенная с магистралью 20 отвода газообразных фаз потребителю 4. Это позволяет использовать свойство циклона (его пониженное осевое давление, позволяющее, как и в тупиковых нишах, создать благоприятные условия для сбора газа именно по оси корпуса, в то время, как пылевидные и более крупные твердые частицы, как имеющие большие центробежные силы отбрасываются к внутренней стенке корпуса; ниша здесь выполняет ту же роль (циклона): более тяжелые инерционные частицы пролетают вниз (к отводу 7), а газообразные фазы эффективно отводятся (отсасываются) по магистралям 16.

Более полно преимущества способа и устройства раскрываются при изложении использования устройства для реализации способа.

Способ утилизации оргматериала осуществляют при подаче перегретого газа в сопла 11 от его источника 1, например от плазмотрона, при воздействии таким газом оргматериал, без доступа кислорода (без подачи воздуха или какого-либо другого окислителя) подвергается разложению на твердые фракции, пылевидные фракции и газообразные фракции, которые далее подвергают, естественно, разделению и отводу из камеры обработки 3 к потребителю 4 и в виде шлама - в отвал (или для использования в шламобетоне, шлакоблоках). Для повышения эффективности способа за счет увеличения выхода аэрозольных (газообразных) фаз и тонкодисперсных (микронных) фракций (соизмеримых с пылевидными аэрозольными частицами) газ направляют кольцевым потоком тангенционально стенок корпуса камеры 3, в то время, как материал от узла 2 по патрубку 12 подают в обратном кольцевом направлении (фиг.2) за счет обратного соплам 11 ориентирования патрубков 12, через которые измельченный оргматериал подают в потоке сжатого нейтрального газа (например, CO₂, аргона, гелия и т.п.), не допуская окисления оргматериала, а только разлагая и разрушая его высокотемпературным динамическим потоком перегретого газа из сопел 11, что достигается эффективно направленным под острым углом потоком газа из сопел 11 к поступающему в потоке нейтрального сжатого газа оргматериалу из патрубков 12, т.е. при динамическом касательном соударении этих двух, направленных навстречу под острыми углами, потоков достигают наибольшей эффективности переработки оргматериала в газ и пыль, шлам.

П р и м е р. Способ утилизации оргматериалов осуществляют в камере 3 устройства. Предварительно создают в камере 3 пониженное давление за счет подключения магистралей 16 и 18 к вакуум-установкам (на фигурах не показаны). Потом, с отставанием на несколько секунд одновременно в камеру 3 подают в потоке нейтрального газа измельченный оргматериал (тряпье, кожу, остатки упаковки и т.п. отходы отрасли) при фракции этого измельчения порядка 5,0-0,5 см в потоке, при скорости подачи 20-80 м/с, по принципу циклона - по касательной (тангенциально) к стенкам камеры усеченного конуса 9, в нижней части которого (где большее основание его) на завихренный поток оргматериала воздействуют встречным, под острым углом к нему, и вниз под углом к оси корпуса (для осуществления эффективного продвижения и разложения органического материала и предупреждения "запирания" материала в конусе 9, потоком перегретого до 2-6 тыс. град. (по Цельсию) газа (от разрядного высоковольтного плазмотрона), при этом за счет конуса 9 с углом образующей 10^о и за счет конуса 10 с углом образующей 20^о достигается значительное приращение центробежных сил для твердых частиц в нисходящем завихренном потоке, что придает этим частицам двойную скорость, вызванную центробежным эффектом и расширением сечения конуса, что способствует эффективной работе ниш 13 и 14, куда скапливаются газообразные (в верхнюю - 13) и тонкодисперсные пылевидные (в нишу 14) фазы и фракции, в то время, как набравшие скорость (окружную и линейную) более тяжелые твердые частицы пролетают вниз и, отражаясь по криволинейным наклонным стенкам нижней части корпуса, отводятся по шламомагистрали 7 (в отвал). Скорость газовых струй из сопел 11 выбирают в пределах 1-8 тыс. м/с, что, по приведенным экспериментальным данным авторов, позволяет в условиях крупного производства, при объеме камеры 5,0 м³ перерабатывать за 1 ч не менее 1000 м³ отходов оргматериалов, что является превосходящим показателем в 15-25 раз известные близкие технологии и показывает высокую эффективность разработанной технологии, за счет организации кольцевого газового потока (по циклону) по внутренней образующей стенок конусов 9 и 10, направленным под острым углом к поступающему по винтовой встречной спирали к газовому потоку оргматериалу, подверженному в свою очередь закручиванию тангенциально ориентированными патрубками 12 его подачи в камеру. При таком процессе получают 30-50% газа, 20-30% тонкодисперсных пылевидных частиц, шлама (отход) 20-10%, что превосходит показатели прототипа соответственно на 18-30%; на 12-15%, при снижении отхода шлама в 2,0-2,7 раза, что подтверждает оригинальность и высокую эффективность разработанного способа и устройства утилизации.