способ утилизации топлива в сверхадиабатическом режиме

Формула изобретения

Способ утилизации топлива в сверхадиабатическом режиме посредством двухстадийного фильтрационного горения с образованием синтез-газа, с последующей его утилизацией с избытком окислителя, отличающийся тем, что температуру процесса поддерживают на уровне 2000-2300 К путем увеличения температуры подогрева топлива Тн в пределах 350°С<Тн<500°С за счет дополнительной рекуперации тепла с достижением стадии диссоциации воды с получением водорода, вовлекаемого в процесс горения в качестве топлива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для теплоснабжения зданий и сооружений, для различных технологических нужд, использующих горячую воду, пар и горячий воздух. Способ позволяет утилизировать все виды углеводородного топлива, включая его низкокачественные виды: некондиционный угольный метан, отходы лесозаготовительного, деревообрабатывающего, гидролизного, сельскохозяйственного и других производств, сланцы, бурый уголь, бытовые отходы.

Применение предлагаемого способа позволит утилизировать многие из указанных материалов, используемых в настоящее время ограниченно. Утилизация возобновляемых видов углеводородного сырья позволит снизить потребление невозобновляемых видов высококачественного сырья: каменный уголь, природный газ, жидкое топливо и др.

Известен способ сжигания твердых видов топлива в две стадии /1/. На первой стадии осуществляется воздушная или паровая конверсия с недостатком окислителя с образованием синтез-газа, содержащего водород Н₂, окись углерода СО, другие органические соединения, дожигаемые на второй стадии в топках тепло-электрогенерирующих устройств.

Недостатком указанного способа является отсутствие как временных, так и режимных параметров оптимизации режима конверсии.

Известен также способ /2/, наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому, представляющий собой процесс фильтрационного горения в сверхадиабатическом режиме с температурами, превышающими температуры адиабатического горения.

Техническим результатом изобретения является осуществление процесса утилизация некондиционных видов топлива (торф, бурый уголь, дрова, горючие сланцы, бытовые отходы, отходы нефте-газодобычи и др.).

Технический результат достигается обеспечением возможности утилизации топлива путем создания высоких температур в режиме сверхадиабатического горения.

В способе утилизации топлива в сверхадиабатическом режиме посредством двухстадийного фильтрационного горения с рекуперацией тепла, образованием синтез-газа и последующей его утилизацией с избытком окислителя температуру процесса на второй стадии повышают и поддерживают на уровне 2000-2300К путем увеличения температуры подогрева топлива в пределах 350<Тн<500°С за счет дополнительной рекуперации тепла, при этом достигают стадии диссоциации воды с получением водорода, вовлекаемого в процесс горения, в качестве топлива.

Предложенный способ иллюстрируется схемой установки для реализации способа и графиками.

На фиг.1 представлены газогенератор с внешней и внутренней рекуперацией тепла и схема процесса: газогенератор содержит устройство 1 для загрузки топлива, реактор 2 с камерой 3 для образования синтез-газа, рекуператор 4, зольник 5, канал 6 для первичного воздуха, колосниковую решетку 7, жаровую трубу 8, камеру первичного горения 9, канал 10 вторичного воздуха, топку 11 энергетической установки.

На фиг.2 - график расчетной зависимости выхода на стационарный режим конверсионной установки от массы загруженного вещества - В_m, кг.

На фиг.3 - график, отражающий характер влияния влаги на процесс горения второй стадии, определяемый уровнем температур в топке 11 энергетической установки и температурой подогрева топлива.

Способ реализуется следующим образом.

В устройство 1 газогенератора загружают твердое влажное топливо, в реактор 2 подают определенное количество первичного воздуха по каналу 6, смесь поджигают и начинается разогрев загружаемого топлива, сопровождаемый образованием синтез-газа. Синтез-газ поступает в жаровую трубу 8, куда подводят вторичный воздух по каналу 10 в количестве, обеспечивающем полное догорание синтез-газа. Продукты сгорания в соответствии с технологическими требованиями распределяются между рекуператором 4 и топкой 11 энергетической установки.

График (фиг.2) расчетной зависимости выхода на стационарный режим позволяет рассчитать время выхода на стационарный режим конверсионной установки в зависимости от массы загруженного вещества - B_m (кг) и температуры в рекуператоре.

Сущность изобретения заключается в утилизации твердых влажных видов топлива (торф, бурый уголь, дрова, горючие сланцы, бытовые отходы, отходы нефтегазодобычи и др.) при высоких температурах в режиме сверхадиабатического горения с получением синтез-газа и использованием его в качестве газообразного топлива в энергетических установках.

Способ может быть использован также для утилизации некондиционной смеси угольного метана с воздухом. В настоящее время некондиционная взрывоопасная смесь угольного метана с воздухом (содержание метана варьируется в пределах 2,5-25 об.%) удаляется в атмосферу. Предлагаемый способ может позволить утилизировать некондиционные смеси угольного метана, в том числе при совместном его сжигании с твердыми видами топлива. Газовоздушная смесь с содержанием угольного метана менее 2,5% по объему может быть использована в данной установке в качестве дутья для сжигания твердого топлива. Установка для осуществления способа утилизации топлива может быть смонтирована в непосредственной близости от места добычи угольного метана.

Режим сверхадиабатического горения достигается за счет:

- сгорания в реакторе водорода Н₂, образующегося при термическом разложении углеводородного топлива и при диссоциации воды при температурах выше 2000К, и обладающего высокой теплотой сгорания; диффузионного потока водорода, обладающего высоким коэффициентом диффузии D, превышающим коэффициент температуропроводности, и термического разложения топлива; дополнительной подачи тепловой энергии в высокотемпературную зону термической воздушной или паровоздушной конверсии исходного топлива и обеспечения теплопередачи от рекуператора 4, расположенного во внешней части реактора 2, в который загружается утилизируемое топливо.

При сжигании влажного углеводородного топлива традиционным способом влага снижает его теплоту и температуру горения из-за эндотермии испарения и нагрева воды. При температурах подогрева топлива Тн<350°С температура горения и тепловые эффекты с увеличением относительной влажности топлива падают, а при Тн>350°С - возрастают. Развивающиеся при этом температуры горения при Тн<350°С ниже температур адиабатического горения для соответствующего типа топлива, а при Тн>350°С - выше, т.е. начинает реализовываться один из режимов адиабатического горения. Таким образом, оптимальный диапазон температуры подогрева топлива 350<Тн<500°С.

Топливо загружается в газогенератор с рекуператором, где в начальный период времени происходит разогрев топлива до температуры конверсии. Далее процесс конверсии осуществляется в стационарном режиме.

Время выхода на стационарный режим газогенератора определяется массой загруженного вещества, уровнем температур в зоне реакции.

Процесс утилизации топлива осуществляется в две стадии.

Первая стадия (паровая, воздушная или паровоздушная конверсия топлива) происходит с недостатком окислителя (характер конверсии зависит от вида окислителя - горячий водяной пар, воздух, смесь воздуха с паром) с образованием синтез-газа.

На второй стадии синтез-газ утилизируется в тепло/электрогенерирующих устройствах (котлы, турбины, двигатели внутреннего сгорания) с избытком окислителя, обеспечивающих полное сгорание синтез-газа.

Достижение сверхадиабатического режима осуществляется за счет внешней и внутренней рекуперации тепла. Внутренняя рекуперация обусловлена, в частности, количеством водорода, образующегося в результате термического разложения углеводородного топлива и диссоциации воды, первоначально содержащейся в топливе. Внешняя рекуперация обеспечивается подачей в теплоизолированный рекуператор необходимого количества тепла, определяемого:

- выходом летучих горючих компонентов из загружаемого в реактор вещества - ;

- долей продуктов сгорания, подаваемых в рекуператор - ₁;

- расходом загружаемого в реактор вещества - B_m;

- теплотой сгорания образующегося синтез-газа - ;

- временем выхода установки на стационарный режим - t,

зависящим от массы загруженного вещества, уровнем температуры в рекуператоре, определяемом конвективной и радиационной составляющими теплопередачи из рекуператора в реактор, теплопотерями в окружающее пространство.

Пример 1.

Режим сверхадиабатического горения достигается за счет сгорания в реакторе водорода Н ₂, образующегося при термическом разложении углеводородного топлива и диссоциации воды при температурах 2000-2300К, обладающего высокой теплотой сгорания. Фильтрационный процесс горения заключается в проникновении диффузионного потока водорода навстречу поступающей массе топлива. Водород обладает высоким коэффициентом диффузии D, превышающим коэффициент температуропроводности. Дополнительная подача тепловой энергии в высокотемпературную зону термической воздушной или паровоздушной конверсии исходного топлива и обеспечение теплопередачи от рекуператора 4, расположенного во внешней части реактора 2, в который загружается утилизируемое топливо, обеспечивают двухстадийный процесс термического разложения и дальнейшего сжигания топлива.

Первая стадия

В устройство 1 газогенератора загружают твердое топливо - торф следующего состава: C _48,12H_59,52S_0,094 O_20,875N_1,785, где индексами указан поэлементный состав в грамм-атомах (С - углерод, Н - водород, S - сера, О - кислород, N - азот) на 1 кг топлива. Масса загружаемого топлива определяется его плотностью, объемом приемного устройства 1 и равна М_т=50 кг.

Подогрев топлива осуществляют при температурах 350<Тн<500°С, в частности при Т 435°С значительно возрастают температура горения и удельное тепловыделение с увеличением влажности топлива.

В реактор 2 по каналу 6 подают воздушное дутье, расход которого зависит от массы загруженного топлива, режима поджога и процесса газификации, характеризуемого величиной коэффициента расхода кислородсодержащего дутья ( ).

Поджог топлива осуществляют в камере 3 для образования синтез-газа, составляющей 10% от объема устройства 1 для загрузки топлива, при стехиометрическом соотношении окислителя и топлива, равном А=7,26 кг воздуха/кг торфа. В данном примере расход воздуха равен 20 кг/час.

Начинается разогрев топлива, время которого определяется значениями параметров:

- выходом летучих горючих компонентов из загружаемого в реактор топлива, равным для торфа =0,47÷0,53;

- расходом загружаемого в реактор топлива B_m=50 кг/час;

- теплотой сгорания образующегося синтез-газа ;

- массой загруженного в бункер топлива М _т=50 кг;

- уровнем температуры в реакционной зоне Т_г=930-1200К;

- коэффициентами конвективной и радиационной составляющими теплопередачи от стенки рекуператора к пиролизуемой массе топлива;

- степенью черноты внутренней поверхности рекуператора _м=0,8;

- теплопотерями в окружающее пространство _пот=0,6-0,85.

При загрузке в бункер 50 кг топлива время прогрева равно 0,6 часа, при загрузке 100 кг - 1,2 часа, 200 кг - 2,4 часа, 400 кг - 5 час.

При выходе на стационарный режим процесс газогенерации в камере 3 для образования синтез-газа осуществляется при коэффициенте расхода воздушного окислителя =0,3, характерным максимальным выходом синтез-газа 47% (СО+H₂) в зависимости от . Указанному значению соответствует температура Тк=930К, до которой в реакторе 2 разогревают топливо. Расход воздушного дутья для пиролиза торфа равен 5 кг/час.

Увеличение относительной влажности предварительно не прогретого торфа от 0 до 50% снижает температуру газогенерации на 200 градусов, что сопровождается уменьшением выхода синтез-газа на 4% (с 47 до 43%).

Экспериментально получено увеличение доли синтез-газа из пиролизуемой массы торфа в реакторе 2 до 53% при увеличении температуры пиролиза топлива до Т=1200К, достигаемое подачей в рекуператор 30% продуктов сгорания из топки 11.

Вторая стадия

Синтез-газ подают в жаровую трубу 8, подводят вторичный воздух по каналу 10 с расходом 14,5 кг/час, обеспечивающим полное сгорание синтез-газа. Горение начинается в камере первичного горения 9 и заканчивается в топке 11 энергетической установки. Суммарный коэффициент расхода воздушного окислителя равен =1,15 с учетом первичного воздуха.

Экспериментально подтверждено (фиг.3), что характер влияния влаги на процесс горения второй стадии определяется уровнем температур в топке 11 энергетической установки, зависящим от температуры подогрева топлива. При начальном подогреве топлива, осуществляемом, в частности, с помощью рекуператора 4 от 20 до 350°С, температура горения с увеличением влажности снижается с 2218 до 2010К. Дальнейший рост температуры подогрева топлива (>350°С), в частности до 435°С, характеризуется ростом температуры горения синтез-газа с 2218 до 2270К и удельного тепловыделения с увеличением влажности топлива. Дополнительную рекуперацию тепла обеспечивают достижением стадии диссоциации воды с получением водорода, вовлекаемого в процесс горения в качестве топлива. Повышение температуры подогрева всей массы топлива в устройстве 1 обеспечивается ростом теплонапряженности в рекуператоре 4, что достигается увеличением количества подаваемых в рекуператор 4 продуктов сгорания до 30%. Теплонапряженность в рекуператоре 4 также растет с увеличением температуры горения в топке 11.

Пример 2 осуществления способа при подаче газообразного топлива

Режим сверхадиабатического горения достигается за счет сгорания в реакторе водорода Н₂ , образующегося при термическом разложении углеводородного топлива и диссоциации воды при температурах 2000-2300К, обладающего высокой теплотой сгорания. Фильтрационный процесс горения заключается в проникновении диффузионного потока водорода навстречу поступающей массе топлива. Водород обладает высоким коэффициентом диффузии D, превышающим коэффициент температуропроводности. Дополнительная подача тепловой энергии в высокотемпературную зону термической воздушной или паровоздушной конверсии исходного топлива и обеспечение теплопередачи от рекуператора 4, расположенного во внешней части реактора 2, в который загружается утилизируемое топливо, обеспечивают двухстадийный процесс термического разложения и дальнейшего сжигания топлива.

При утилизации газообразного топлива (с небольшими добавками твердого углеводородного сырья) газогенератор гидроизолируется от окружающего пространства.

Первая стадия

В устройство 1 газогенератора подают шахтный метан (метано-воздушная смесь переменного состава и дебита, удаляемая из угольных шахт вакуумными насосами) некондиционного состава с содержанием метана от 16 до 25% (об.). Некондиционной является метано-воздушная смесь с содержанием метана от 2,5 до 25% (об.). Смеси с содержанием метана от 5 до 15% являются взрывоопасными и удаляются в атмосферу. Метано-воздушные смеси с содержанием метана от 2,5 до 5% могут утилизироваться в газогенераторах в качестве дутья.

В данном примере в газогенератор подают 22% метано-воздушную смесь (с твердыми добавками до 1%) - топливо. Масса загружаемого топлива определяется объемом приемного устройства 1, плотностью топлива и равна М_т=100 кг. Розжиг топлива осуществляют путем подачи воздушного дутья в реактор 2 по каналу 6, расход которого определяется массой и составом загруженного топлива. Подогрев топлива от 20 до 350°С снижает температуру горения по мере увеличения влажности. Рост температуры подогрева топлива (>350°С), в частности до 500°С, способствует повышению температуры горения. Розжиг топлива осуществляют в камере для образования синтез-газа 3, составляющей 20% от объема устройства для загрузки топлива 1. При стехиометрическом соотношении окислителя и топлива, равном А=17,2 кг воздуха/кг топлива, в камеру 3 подают 210 кг воздуха. После воспламенения смеси подачу первичного дутья прекращают. Начинают разогрев загружаемого топлива, который сопровождается конверсией (химическим превращением) с образованием синтез-газа. Время прогрева загруженной смеси определяется массой топлива в газогенераторе М_т=100 кг, расходом топлива B_m=50 кг/час, теплотой сгорания образующегося синтез-газа, уровнем температуры в камере 3, коэффициентами конвективной и радиационной составляющих теплопередачи от стенки рекуператора к конверсируемой массе, степенью черноты внутренней поверхности рекуператора, теплопотерями в окружающее пространство.

При выходе на стационарный режим процесс конверсии в камере 3 образования синтез-газа осуществляют с коэффициентом расхода воздушного окислителя =0,37. Воздушная конверсия сопровождается образованием синтез-газа (Н₂, H₂ O, N₂, NH₃, СО, CO ₂, СН₄), калорийность которого зависит от количества (СО+Н₂) в его составе.

Экспериментально подтверждено увеличение доли синтез-газа от 35,8 до 43,5% при увеличении температуры конверсии от 900 до 1200К, достигаемое подачей в рекуператор 4 продуктов сгорания из топки энергетической установки 11.

Вторая стадия

Синтез-газ подают в жаровую трубу 8, подводят вторичный воздух по каналу 10 с расходом 14,5 кг/час, обеспечивающим полное сгорание синтез-газа. Горение начинается в камере первичного горения 9 и заканчивается в топке 11 энергетической установки. Суммарный коэффициент расхода воздушного окислителя с учетом первичного воздуха равен =1,15. Адиабатическая температура горения синтез-газа в воздушном дутье равна 2090К, достижение которой в реальных условиях требует повышенной теплоизоляции топки 11 энергетической установки. Протекание процесса горения на второй стадии определяется начальным теплосодержанием топлива, зависящим от его предварительного нагрева, и относительной влажности. Дополнительную рекуперацию тепла обеспечивают достижением стадии диссоциации воды с получением водорода, вовлекаемого в процесс горения в качестве топлива.

Характер влияния влаги на процесс горения определяется уровнем температур в топке 11 энергетической установки, зависящим от температуры подогрева топлива. При подогреве топлива, осуществляемом с помощью рекуператора 4 от 20 до 350°С, температура горения с увеличением влажности снижается с 2090 до 1920К. Дальнейший рост температуры подогрева топлива (>350°С), в частности до 500°С, характеризуется ростом температуры горения синтез-газа с 2090 до 2300К и удельного тепловыделения с увеличением влажности топлива. Достижение процессом указанных температур обеспечивает стадию диссоциации воды с получением водорода, вовлекаемого в процесс горения в качестве топлива.

Осуществление способа утилизации топлива в режиме высоких температур позволяет получать синтез-газ, который может быть использован в качестве газообразного топлива в энергетических установках для получения тепловой или(и) электрической энергии, а также в технологических установках для получения водорода, синтетического моторного топлива.

Список использованных источников

1. Бохан Н.И., Ловкис В.Б., Носко В.В., Фалюшин Н.И. Газогенераторы. - Новости теплоснабжения, 2004, №8, с.16-18.

2. Манелис Г.Б., Фурсов В.П., Стесик Л.Н., Яковлева Г.С., Полианчик Е.В., Альков Н.Г. Способ переработки отходов, содержащих углеводороды. Патент РФ № RU 02116570 С1 19980727.