способ получения генераторного газа и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ получения генераторного газа путем пиролиза и газификации твердого топлива, включающий загрузку топлива, тангенциальную подачу предварительно нагретого потока воздуха в зону пиролиза с одновременным проведением процессов во взвешенном состоянии в едином реакционном объеме, отличающийся тем, что используют полидисперсное топливо с размером частиц не более 10 мм, к которому подают поток воздуха со скоростью 7-15 нм/с, нагретый до температуры не менее 300°С, причем в зону пиролиза воздух дополнительно подают многоструйным потоком, направленным радиально, одновременно в зону газификации также подают воздух тангенциальным потоком, имеющим идентичные с зоной пиролиза термодинамические характеристики, пиролиз и газификацию осуществляют при температуре 580-600°С и коэффициенте избытка воздуха 0,15-0,25 с регулированием расхода воздуха, который в зоне газификации в 1,5-2,5 раза превышает расход в зоне пиролиза, что обеспечивает непрерывную циркуляцию топлива до его полного сгорания.

2. Устройство для получения генераторного газа, содержащее вертикальный металлический корпус, снабженный в верхней части крышкой с люком для загрузки топлива, имеющее в зоне пиролиза сопла для тангенциальной подачи потока воздуха и систему отвода полученного генераторного газа, отличающееся тем, что в зоне пиролиза между соплами стенка корпуса имеет сквозную перфорацию для создания многоструйного потока, в зоне газификации также установлены сопла для тангенциальной подачи воздуха, а система отвода генераторного газа выполнена в виде трубы с колпаком и расположена внутри корпуса соосно с ним.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что корпус в верхней и нижней частях имеет форму цилиндра, а в средней - усеченного конуса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области термической переработки твердого топлива (угля, измельченных древесных отходов, растительных остатков, бытового и промышленного мусора и т.п.) и может быть использовано в лесном, торфяном, сельском и других хозяйствах для получения дешевого газообразного топлива (генераторного газа), применяемого в энерготехнологических установках.

Известны способы получения генераторного газа (переработки твердого топлива), включающие двустадийные процессы: газификацию твердого топлива и сжигание остатков топлива.

Устройства для осуществления этих способов содержат газогенераторы, котельные агрегаты и другие приспособления. [См., например, авт.св. СССР №1298479, МПК F 23 В 7/00, 1987; п. РФ №2099394, МПК C 10 J 3/86, 1997 и др.].

Известны также способы получения генераторного газа, включающие сжигание низкореакционных высококалорийных топлив (каменный уголь, антрацит) при высокой температуре с жидким шлакоудалением и низкотемпературное сжигание высокореакционного низкокалорийного топлива (опил, лузга и т.п.) с сохранением сухого шлакоудаления.

Устройства для осуществления данных способов состоят, в основном, из циклонных топок вертикального типа, в которых воздух тангенциально поступает в нижнюю часть цилиндрической камеры. Топливо поступает в центр топки через верх камеры. Топочные (генераторные) газы вместе с золой отводятся в верхнюю часть топки. Многие топочные устройства выполняются по двухкамерной схеме: камера газификации и камера полного дожигания продуктов газификации. [См., например, Г.Ф.Кнорре. Циклические топки, Гос. энерг. изд., М. - Л., 1958 г., С.А.Белогуров и др. Циклонные топочные устройства для получения тепла при сжигании сельскохозяйственной биомассы в технологических процессах. Днепропетровский национальный университет, e-mail: fti-dnu@a-teleport.com и др.].

Кроме того, известны способы газогенерации путем проведения пиролиза твердого топлива (пирогенетический процесс, при котором сырье нагревают без доступа воздуха) при температуре 600-750°С и газификации (термохимический процесс превращения органической массы топлива в горючий газ за счет окисления воздухом, паровоздушной смесью, паром, парокислородной смесью и т.п.) при температуре более 1000°С.

Устройства для осуществления указанных способов состоят из газогенераторов различных типов (с неподвижным слоем топлива, с кипящим слоем и т.д.) и другого теплового и вспомогательного оборудования. [См., например, п. РФ №2147601, МПК C 10 J 3/20, 2000; п. РФ №2225429, МПК С 10 В 53/08, 2004; п. РФ №2242677, МПК С 10 В 53/00, 2004, з. РФ №2003112606, МПК C 10 J 3/20, 2004; з. РФ №2003137067, МПК F 23 B 1/14, 2005, и др.].

Описанные выше способы получения генераторного газа и устройства для их осуществления имеют следующий ряд общих технических недостатков:

- низкую эффективность процессов, обусловленную неполным сжиганием топлива;

- высокую температуру осуществляемых процессов, требующую применения огнеупоров и снижающую срок службы используемых аппаратов и их ремонтопригодность;

- необходимость подготовки топлива (сушка влажного топлива, сортировка по размерам частиц);

- низкую калорийность получаемого генераторного газа (не более 5,5 МДж/м³);

- экологическую опасность в результате выброса загрязняющих веществ в атмосферу;

- высокую металлоемкость устройств и низкий КПД;

- сложность обслуживания и требование специальной подготовки кадров;

- высокую цену установок (более 250000 руб. на отечественное оборудование).

Ближайшим отечественным аналогом заявляемого изобретения является способ получения генераторного газа, разработанный фирмой «Термотех» (г.Брянск), включающий пиролиз твердого топлива (отходов деревообработки) при температуре 900-1100°С.

Устройство для реализации способа-аналога состоит из твердотопливного (газового) котла, вихревого газогенератора с камерой горения, расходного бункера, шнекового транспортера, редуктора и электродвигателя.

Подача топлива в газогенератор производится снизу, а первичного воздуха - сверху. Слой топлива постепенно перемещается в верхнюю часть, в зону активного горения. За время перемещения топливо подсушивается, газифицируется и загорается. Для дожигания вынесенных из слоя первичным воздухом горящих частиц предусмотрена подача вторичного воздуха по специальным каналам, расположенным тангенциально к камере горения. Под действием центробежных сил, возникающих при вращении воздуха, несгоревшие частицы топлива отбрасываются к цилиндрическим стенкам генератора и продолжают многократное вращение до своего полного выгорания.

Калорийность получаемого газа составляет не более 4,6 МДж/м ³, КПД=0,8, мощность 250 кВт, масса 500 кг, цена 250000 руб. [См. проспект фирмы «Термотех», http://www.yasen.ru/gazgen.htm]. Копия ближайшего отечественного аналога прилагается.

Описанный выше ближайший аналог - способ и установка - позволяет получить генераторный газ, но он имеет традиционные недостатки: высокую температуру процесса, громоздкость и большую металлоемкость аппарата, а также высокую стоимость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является способ получения генераторного газа путем пиролиза и газификации твердого топлива (вихревая газификация), разработанный Датским техническим университетом, включающий загрузку топлива, тангенциальную подачу предварительно нагретого потока воздуха в зону пиролиза с одновременным проведением процессов во взвешенном состоянии в едином реакционном объеме. Пиролиз ведут при температуре не менее 1100°С, а газификацию - при температуре 750-800°С. Основные компоненты получаемого газа: СО₂, СО, метан, водород, пар, смолы.

Устройство для осуществления способа-прототипа содержит вертикальный металлический корпус, снабженный в верхней части крышкой с люком для загрузки топлива, имеет в зоне пиролиза сопла для тангенциальной подачи потока воздуха и систему отвода полученного генераторного газа. Устройство, имеющее форму цилиндра, снабжено также сушильной камерой для подготовки топлива и рукавным фильтром для очистки генераторного газа от смол. Воздух и топливо подают в корпус сверху. Топливо в процессе горения движется вниз и проходит через угольный слой. Полученный генераторный газ отводится через дно корпуса. [Demonstration of the Vortex Process for Biomass Gasifiers. Felicia Fock, Ulrik Henriksen og Kristine Thomsen. Poster and paper V2.82 in proceedings of 12^th European Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection. Amsterdam June 2002, pp.670-676. (Демонстрация процесса газификации биомассы. Фелиция Фок, Улрик Хенриксен и Кристина Томсен. Публикация и статья V2.82, написанная при прохождении 12-й Европейской конференции и технологической выставки на тему: «Энергия из биомассы, промышленности и защиты климата». Амстердам, июнь 2002, с.670-676).] Копия прототипа на английском языке и авторский перевод прилагаются.

Недостатки способа и устройства-прототипа:

- низкая эффективность процессов, обусловленная ограниченной полнотой сгорания топлива с выносом непрореагировавших частиц вместе с генераторным газом из устройства;

- высокая температура процессов;

- необходимость подготовки топлива;

- сложность аппаратурного оформления;

- недостаточная калорийность получаемого генераторного газа;

- ограниченный КПД установки;

- высокая цена (импортная технология и оборудование).

Задачей настоящего изобретения является создание эффективного, экологически безопасного способа получения высококалорийного генераторного газа, осуществляемого на простом, дешевом, доступном массовому потребителю оборудовании.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе получения генераторного газа путем пиролиза и газификации твердого топлива, включающем загрузку топлива, тангенциальную подачу предварительно нагретого потока воздуха в зону пиролиза с одновременным проведением процессов во взвешенном состоянии в едином реакционном объеме СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ используют полидисперсное топливо с размером частиц не более 10 мм, к которому подают поток воздуха со скоростью 7-15 нм/сек, нагретый до температуры не менее 300°С, причем в зону пиролиза воздух дополнительно подают многоструйным потоком, направленным радиально; одновременно в зону газификации также подают воздух тангенциальнам потоком, имеющим идентичные с зоной пиролиза термодинамические характеристики; пиролиз и газификацию осуществляют при температуре 580-600°С и коэффициенте избытка воздуха 0,15-0,25 с регулированием расхода воздуха, который в зоне газификации в 1,5-2,5 раза превышает расход в зоне пиролиза, что обеспечивает непрерывную циркуляцию топлива до его полного сгорания.

В известном устройстве для получения генераторного газа, содержащем вертикальный металлический корпус, снабженный в верхней части крышкой с люком для загрузки топлива, имеющем в зоне пиролиза сопла для тангенциальной подачи потока воздуха и систему отвода полученного генераторного газа, СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ в зоне пиролиза между соплами стенка корпуса имеется сквозная перфорация для создания многоструйного потока, в зоне газификации установлены сопла для тангенциальной подачи воздуха, а система отвода генераторного газа выполнена в виде трубы с колпаком и расположена внутри корпуса соосно с ним.

В устройстве СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ корпус в верхней и нижней частях имеет форму цилиндра, а в средней - усеченного конуса.

Осуществление способа получения генераторного газа в заявляемых условиях устраняет необходимость подготовки топлива и снижает температуру процессов за счет созданных аэродинамических условий движения потоков топлива и воздуха, при которых в нижнем цилиндре из-за тангенциальной подачи воздуха формируется основной вихревой поток, состоящий из кокса, воздуха, CO₂ и Н₂O; осуществляется газификация топлива, обеспечивающая теплом эндотермическую реакцию его разложения. Основной вихревой поток непрерывно поднимается вверх по спирали горизонтальными вращательными движениями, причем при прохождении конусной части корпуса его осевая составляющая уменьшается, а тангенциальная и радиальная составляющие увеличиваются. При этом количество воздуха, подаваемое в зону газификации, в 1,5-2,5 раза превышающее количество, подаваемое в зону пиролиза, обеспечивает высокую плотность основного вихря, что позволяет преодолеть силу тяжести частиц топлива и воспрепятствовать их падению. Одновременно в верхнем цилиндре возникают вторичные вихри за счет радиальной подачи воздуха многоструйным потоком через перфорированную стенку корпуса. В этих вторичных вихрях топливо вращается, прогревается, происходит его высокоскоростной пиролиз, при котором из частиц топлива удаляются летучие вещества, кислород диффундирует во внутренний объем частицы, взаимодействуя с углеродным скелетом и веществом, находящимся в межуглеродном пространстве. Вторичные вихри при встрече с основным потоком сообщают ему дополнительный импульс, поддерживая большие относительные скорости газовой и твердой фаз, уменьшая тем самым влияние силы тяжести на сепарацию частиц топлива. При этом происходит возвращение в зону пиролиза инерционных непрореагировавших частиц с возникновением их многократного вращения до полного сгорания. Мелкодисперсные частицы топлива - зола в количестве не более 1% - выводятся вместе с полученным генераторным газом.

Следует отметить, что предварительный нагрев воздуха возможен от 300 до 600°С, однако уже при температуре 300°С происходит начало трансформации твердого топлива и начинается пиролиз. Увеличение данной температуры желательно, но приводит к усложнению и удорожанию системы теплообмена между воздухом и газом и поэтому нецелесообразно. До более высоких температур нагрев невозможен из-за нехватки физического тепла в газе и несовершенстве теплообмена между воздухом и газом. Следовательно, нагрев воздуха до температуры не менее 300°С необходим и достаточен для осуществления заявляемого способа.

Конструкция заявляемого устройства для получения генераторного газа объединена с предлагаемым способом единым изобретательским замыслом и обеспечивает его реализацию.

Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемое изобретение не известно из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

Сущность настоящего изобретения для специалистов не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Возможность осуществления заявляемого способа получения генераторного газа с помощью предлагаемого устройства, состоящего из доступных, промышленно выпускаемых материалов и комплектующих, свидетельствует о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».

На чертеже схематично представлено заявляемое устройство для получения генераторного газа, где приняты следующие обозначения:

1 - металлический корпус;

2 - теплообменная рубашка;

3 - разделительная перегородка;

4 - крышка;

5 - люк для загрузки топлива;

6 - трубопроводы;

7 - регуляторы расхода воздуха;

8 - сопла в зоне пиролиза;

9 - сопла в зоне газификации;

10 - сквозная перфорация стенки корпуса;

11 - труба;

12 - колпак;

13 - верхняя и нижняя части корпуса в форме цилиндра;

14 - средняя часть корпуса в форме усеченного конуса;

15 - газовоздушный теплообменник.

Предлагаемое устройство для получения генераторного газа содержит вертикальный металлический корпус 1 из нержавеющей стали, имеющий верхнюю и нижнюю цилиндрические части 13 и среднюю часть 14 в форме усеченного конуса. Корпус 1 имеет крышку 4 с люком для загрузки топлива 5. Корпус 1 оборудован теплообменной рубашкой 2 с разделительной перегородкой 3. Корпус 1 снабжен трубопроводами 6 с регуляторами расхода 7, соплами 8 в зоне пиролиза и 9 в зоне газификации. Между соплами 8 в зоне пиролиза стенка корпуса имеет сквозную перфорацию 10. Внутри корпуса 1 соосно с ним расположена система отвода полученного генераторного газа, состоящая из трубы 11 с колпаком 12.

Опытный образец устройства для получения генераторного газа изготовлен в условиях машиностроительного предприятия г.Екатеринбурга и испытан в течение 3 месяцев в условиях непрерывной работы.

Пример. Получение генераторного газа.

В корпус 1 через люк 5 загружали полидисперсное твердое топливо (отходы деревообработки) с размерами частиц 3-10 мм и влажностью 40-50%.

Одновременно тангенциально подавали предварительно нагретый до 300°С воздух. Нагрев воздуха в зоне газификации осуществляли в теплообменной рубашке 2 путем теплообмена со стенкой корпуса 1, а в зоне пиролиза - горячим генераторным газом, поступающим из трубы 11 в газовоздушный теплообменник 15. Воздух в зону пиролиза подавали со скоростью 10-12 нм/сек тангенциально по трубопроводам 6 через сопла 8 и дополнительным многоструйным потоком, направленным радиально, через перфорированную стенку 10. Одновременно воздух подавали в зону газификации с такой же скоростью и температурой через сопла 9 тангенциальным потоком. Количество воздуха устанавливали с помощью регуляторов расхода 7, причем в зоне пиролиза оно составляло 20 м³/ч, а в зоне газификации 40 м³/ч. Коэффициент избытка воздуха 0,20. С момента поступления топлива и воздуха в корпус 1 осуществляли получение генераторного газа с одновременным проведением пиролиза и газификации при температуре 600°С в едином реакционном объеме. Аэродинамические условия, созданные внутри корпуса 1, обеспечивали непрерывную циркуляцию топлива до его полного сгорания и получения генераторного газа, который отводили из корпуса 1 через трубу 11 с колпаком 12. Часть физического тепла полученного газа расходовали на нагрев воздуха, направляемого в зону пиролиза через теплообменник 15, а основной объем транспортировали к потребителю. (При увеличении температуры подаваемого воздуха выше 300°С течение процесса получения генераторного газа не изменяется).

Мощность устройства 200 кВт; КПД=0,9; калорийность генераторного газа 8 МДж/м ³; состав газа, %: СО 32, H₂ 25, СН₄ 3, N₂ 40; количество золы 1%; масса устройства 150 кг; цена 80000 руб.

Как видно из приведенного примера, использование заявляемого изобретения по сравнению с ближайшим отечественным аналогом [См. проспект фирмы «Термотех», http://www.yasen.ru/gazgen.htm] и прототипом [«Demonstration of the vortex process for biomass gasifiers»] обеспечивает следующие технические и общественно полезные преимущества:

- повышение эффективности способа с получением высококалорийного газа;

- снижение температуры процесса, позволяющее отказаться от применения огнеупоров, повышающее срок службы устройства;

- отсутствие специальной подготовки топлива;

- увеличение экологической безопасности за счет уменьшения в 3-5 раз количества загрязняющих веществ при выбросе в атмосферу;

- техническую безопасность при эксплуатации устройства;

- высокий КПД;

- отсутствие необходимости профессиональной подготовки персонала;

- окупаемость оборудования в пределах от 2 месяцев до года;

- снижение металлоемкости в 3-7 раз;

- уменьшение цены устройства в 1,5-3 раза по сравнению с отечественными аналогами и в 3-5 раз по сравнению с импортными изделиями.