газификатор для термической переработки углеродсодержащих отходов и способ их переработки

Формула изобретения

1. Газификатор для термической переработки углеродсодержащих отходов, содержащий цилиндрический корпус с герметизированным реакционным пространством, загрузочный узел, расположенный в верхней части корпуса, камеры сжигания для подачи высокотемпературных газифицирующих агентов в зону газификации реакционного пространства, коническую выпускную часть корпуса, оборудованную средством вывода продуктов газификации, отличающийся тем, что одна из камер сжигания установлена во входной части газификатора с возможностью воздействия истекающей из нее струи высокотемпературного газифицирующего агента на отходы, поступающие из загрузочного узла, по высоте зоны газификации реакционного пространства установлены проточные секции, образованные дефлекторами в виде последовательно чередующихся центральных тарельчатых и периферийных кольцевых экранов, из которых центральные тарельчатые экраны закреплены на общем для всех секций и соосно расположенном центральном теле, а кольцевые экраны закреплены на внутренней поверхности газификатора с образованием между тарельчатыми и кольцевыми экранами проходных зазоров, при этом на внешней поверхности корпуса, в области расположения проточных секций закреплен коллектор с камерами сжигания, сообщенный посредством тангенциальных сопел с проточными секциями, а под конической выпускной частью газификатора выполнен полуоткрытый канал, который подключен к средству вывода продуктов газификации в виде скруббера Вентури и дымососа, причем на глухом торце полуоткрытого канала установлена камера сжигания для эжекции продуктов газификации из выпускной части газификатора и подачи их в скруббер Вентури.

2. Газификатор по п.1, отличающийся тем, что дефлектор выполнен из стали и защищен огнеупорным покрытием.

3. Газификатор по п.1, отличающийся тем, что во входной части корпуса газификатора установлены форсунки для подачи аэро- или водоугольной смеси.

4. Газификатор по п.1, отличающийся тем, что сопла выполнены в виде струйных генераторов колебаний.

5. Способ термической переработки углеродсодержащих отходов в газификаторе по любому из пп.1-4, характеризующийся тем, что в зоне газификации реакционного пространства газификатора создают вихревые потоки смеси газифицируемых отходов с высокотемпературными газифицирующими агентами, в которых диспергируют обугливающиеся частицы твердого остатка отходов, при этом вихревые потоки указанной смеси создают по высоте зоны газификации, в которой поддерживают температуру ниже температуры плавления твердого остатка, а в выпускной части газификатора поддерживают температуру выше температуры плавления твердого остатка, при этом поток смеси высокотемпературного газифицирующего агента с каплями расплава твердого остатка направляют в выпускное средство, в котором осуществляют закалку синтез-газ с отводом на полезное использование, и охлаждение капель расплава, который в виде твердого шлака выводят на утилизацию.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что для повышения степени диспергирования обугливающихся отходов и интенсификации газификации в высокотемпературные вихревые потоки газифицирующих агентов передают ультразвуковые колебания.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к переработке бытовых и промышленных углеродсодержащих отходов и может быть использовано в коммунальном хозяйстве для утилизации мусора с получением полезных продуктов, таких как жидкие топливные и масляные фракции.

В настоящее время вследствие ужесточающихся требований закона об охране окружающей среды и все увеличивающегося количества отходов как промышленных, так и бытовых, проблема их утилизации приобрела особую важность.

Из современного уровня техники известны установки различного типа, в которых используется газификация углеродсодержащих отходов при определенных температурных условиях с последующим использованием соответствующих способов переработки полученных газов. Термин газификация означает процесс частичного некаталитического окисления твердого, жидкого или газообразного вещества, конечной целью которого является получение газообразного топлива, состоящего главным образом из смеси СО и H₂ (синтез-газ). В качестве окисляющих агентов могут использоваться вода и диоксид углерода.

Известны способ и устройство для газификации отходов с получением пригодных для использования продуктов. Согласно этому изобретению обработка отходов ведется при температуре, по меньшей мере, 1600°С в отсутствие воздуха с получением горючего газа, состоящего в основном из Н₂ и СО, негорючих и инертных газов, которые затем резко охлаждают до температуры 1200°С и пропускают через угольную насадку, см. пат. ЕР-В1-0292987.

Однако этим способом не обеспечивается полная газификация, т.к. значительна доля угольного остатка и высокое количество несгоревших веществ. Кроме того, срок службы газификатора незначителен и составляет не более двух лет. Также вследствие отсутствия защиты угольной насадки от засорения несгоревшими остатками угольной фракции происходят частые аварийные остановки процесса газификации.

В части способа наиболее близким аналогом, принятым за прототип изобретения, является способ пиролиза и газификации отходов по патенту RU №2227251, F23G 5/027, 2004 г.

Указанный способ включает газификацию, плавление и остекловывание шлаков, при этом газификацию ведут при температуре 1300-1500°С и плавят в течение 5-30 мин с получением смеси горючих, негорючих и инертных газов. В процессе газификации температура сохраняется постоянной за счет, по меньшей мере, одного тангенциального теплового копья. Смесь полученных горючих и негорючих газов подвергают очистке и утилизируют. Неорганические составляющие переводят в остеклованное состояние.

Недостатками прототипа являются: недостаточная поверхность взаимодействия горячих газов с твердыми и расплавленными материалами отходов; ограниченные возможности регулирования состава продуктов газификации при изменении теплотворности загруженных материалов; невозможность управления свойствами расплава, в т.ч. его вязкостью, а также потребительскими характеристиками продуктов; не обеспечивается время пребывания отходов в камерах, необходимое для их полной газификации.

В части устройства наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является газификатор установки обезвреживания и уничтожения твердых отходов, содержащий цилиндрический корпус с герметизированным рекционным пространством, загрузочный узел, расположенный в верхней части корпуса, камеры сжигания для подачи высокотемпературных газифицирующих агентов в рекционное пространство, коническую выпускную часть корпуса в виде плавильной камеры, оборудованную средством вывода продуктов газификации, см. RU №2282788, F23G 5/027, 2006 г.

Недостатком этого газификатора является низкая эффективность, обусловленная спеканием обрабатываемых отходов и малой поверхностью их взаимодействия с горячими газами (газифицирующих агентов), ограниченные возможности регулирования состава продуктов газификации при изменении теплотворности обрабатываемых отходов, невозможность управления свойствами расплава, в т.ч. его вязкостью, а также потребительскими характеристиками продуктов. Спекание обрабатываемых отходов резко снижает эффективность газификации.

Основной проблемой вышеприведенных способов и устройств для газификации отходов является спекание отходов и необходимость расплавления их твердого остатка. Вследствие этого возникает проблема управления свойствами шлакового расплава. Кроме того, процесс газификации спеченного материала сравнительно малоэффективен и энергоемок.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности газификации углеродсодержащих отходов за счет исключения их спекания.

В части устройства решение указанной задачи обеспечено тем, что газификатор для термической переработки углеродсодержащих отходов, содержащий цилиндрический корпус с герметизированным реакционным пространством, загрузочный узел, расположенный в верхней части корпуса, камеры сжигания для подачи высокотемпературных газифицирующих агентов в зону газификации реакционного пространства, коническую выпускную часть корпуса, оборудованную средством вывода продуктов газификации, согласно изобретению одна из камер сжигания установлена во входной части газификатора с возможностью воздействия истекающей из нее струи высокотемпературного газифицирующего агента на отходы, поступающие из загрузочного узла, по высоте зоны газификации реакционного пространства установлены проточные секции, образованные дефлекторами в виде последовательно чередующихся центральных тарельчатых и периферийных кольцевых экранов, из которых центральные тарельчатые экраны закреплены на общем для всех секций и соосно расположенном центральном теле, а кольцевые экраны закреплены на внутренней поверхности газификатора с образованием между тарельчатыми и кольцевыми экранами проходных зазоров, при этом на внешней поверхности корпуса, в области расположения проточных секций закреплен коллектор с камерами сжигания, сообщенный посредством тангенциальных сопел с проточными секциями, а под конической выпускной частью газификатора выполнен полуоткрытый канал, который подключен к средству вывода продуктов газификации в виде скруббера Вентури и дымососа, причем на глухом торце полуоткрытого канала установлена камера сжигания для эжекции продуктов газификации из выпускной части газификатора и подачи их в скруббер Вентури. В предпочтительных вариантах выполнения дефлектор выполнен из стали и защищен огнеупорным покрытием; во входной части корпуса газификатора установлены форсунки для подачи аэро- или водоугольной смеси; сопла выполнены в виде струйных генераторов колебаний.

В части способа решение указанной задачи обеспечивается тем, что способ термической переработки углеродсодержащих отходов в газификаторе, в зоне газификации реакционного пространства которого создают вихревые потоки смеси газифицируемых отходов с высокотемпературными газифицирующими агентами, в которых диспергируют обугливающиеся частицы твердого остатка отходов, при этом вихревые потоки указанной смеси создают по высоте зоны газификации, в которой поддерживают температуру ниже температуры плавления твердого остатка, а в выпускной части газификатора поддерживают температуру выше температуры плавления твердого остатка, при этом поток смеси высокотемпературного газифицирующего агента с каплями расплава твердого остатка направляют в выпускное средство, в котором осуществляют закалку синтез-газа с отводом на полезное использование и охлаждение капель расплава, который в виде твердого шлака выводят на утилизацию. В предпочтительном варианте способа для повышения степени диспергирования обугливающихся отходов и интенсификации газификации в высокотемпературные вихревые потоки газифицирующих агентов передают ультразвуковые колебания.

Выполнение газификатора с проточными секциями позволяет реализовать процесс вихревой высокотемпературной газификации отходов и аэро- или водоугольной смеси с образованием гарниссажа. При этом обеспечивается большая интенсивность процесса, высокая удельная производительность, обусловленная высокими температурами в диапазоне 1250-2200°С.

Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 схематично показан общий вид реактора (продольный разрез); на фиг.2 - сечение А-А фиг.1.

Пример осуществления заявленного способа приводится при описании работы газификатора.

Газификатор содержит цилиндрический корпус 1, в верхней части которого он имеет наклонную часть 1а, врезанную в вертикальную часть 1б. В наклонной части корпуса 1 установлен загрузочный бункер 2, соединенный с шлюзовым устройством с шлюзовыми элементами 3а и 3б и питательным шнеком 4. В вертикальной части корпуса 1б, под шнеком 4 закреплена наклонная решетка 5, установленная с перекрытием пространства вертикальной части корпуса, и множество ударных штырей 6, расположенных под решеткой с перекрытие внутреннего пространства этой части корпуса 1. Газификатор также снабжен камерами сжигания 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14. Камера сжигания 7 расположена на торце верхней вертикальной части 1б. Камеры сжигания 8, 9 тангенциально расположены на выходе из вертикальной части корпуса над входом в проточные секции 15. Камеры сжигания 10, 11, расположены на коллекторе 16, который может быть снабжен охлаждающей рубашкой (условно не показана). Камеры сжигания 12, 13 тангенциально расположены на выходе из проточных секций 15 и над входом в коническую выпускную часть 17 корпуса 1. Камера сжигания 14 расположена на торце полуоткрытого канала 18, который подключен к скрубберу Вентури 19. Скруббер Вентури тангенциально подключен к сепаратору 20, верх которого подключен к дымососу 21, а низ снабжен гидрозатвором. Секции 15 образованы дефлекторами 22 и 23, выполненным, например, из стали, ошипованной и покрытой огнеупорной обмазкой, что также касается и всех других огневых поверхностей. Дефлекторы 22 выполнены в виде кольцевых экранов, закрепленных на внутренней поверхности газификатора. Дефлекторы 23 выполнены в виде центральных тарельчатых экранов, закрепленных на общем для всех секций и соосно расположенном центральном теле 24, закрепленном по оси цилиндрической части корпуса 1. Между дефлекторами 22 и 23 образованы проходные зазоры, величина которых должна обеспечивать свободное прохождение через них обрабатываемого материала. Коллектор 16 сообщен с реакционным пространством секций 15 посредством тангенциальных сопел 25, расположенных по высоте на уровнях этих секций и спутно по отношению к направлению закрутки вихревого потока. Для интенсификации диспергирования сопла 25 могут быть выполнены в виде струйных генераторов колебаний типа сопел Гартмана. (Для сведения, струйные генераторы ультразвуковых волн нашли широкое применение в технике, см., например, книгу «Применение пульсирующего дутья при производстве стали», Москва, Металлургия 1885 г., с 113.)

В верней части корпуса 1 расположены форсунки 26 для подачи аэро или водоугольной смеси и патрубок 27 для ввода пара.

Устройство работает следующим образом.

Нагретое до 1250°С дутье из камер сжигания 7-13 под избыточным давлением поступает во внутреннее пространство газификатора. Подготовленные отходы с максимальным размером до 30 мм подаются в бункер 2, проходят шлюз при вертикальных возвратно-поступательных движениях шлюзовых элементов 3а и 3б и шнеком 4 вываливаются на крупную решетку 5 в зону действия струи высокотемпературного газифицирующего агента, поступающего из камеры сжигания 7 со скоростью до 100 м/сек и температурой до 1250°С, т.е. максимально возможной температурой, при которой процесс газификации протекает с исключением плавления зольной и минеральной составляющих газифицируемых отходов. На решетке 5 слипшиеся агрегаты отходов разбиваются и совместно с мелкими фрагментами отходов проходят сквозь эту решетку. В случае если некоторые фрагменты задерживаются на решетке, то они сгорают с уменьшением в размерах и также проваливаются вниз. По мере движения вниз частицы обугливающихся отходов обдуваются и ускоряются в струе высокотемпературного газифицирующего агента и попадают в зону расположения множества ударных штырей 6, при обтекании которых струйный поток турбулизируется, при этом обугливающиеся частицы отходов частично разрушаются при ударах о стержни 6. В этой части реактора выделяющаяся из отходов жидкая фаза сразу переходит в газообразное состояние за счет высокой температуры газифицирующего агента. (Следует отметить, что в процессе газификации углеродсодержащий материал отходов коксуется и переходит в твердое состояние с соответствующим охрупчиванием, при этом твердый остаток газифицированных отходов обычно составляет около 7% от исходной массы.) По мере прохождения зоны расположения штырей 6 обугливающиеся частицы отходов поступают в зону действия тангенциальных камер сжигания 8, 9, захватываются в вихревой поток высокотемпературного газифицирующего агента, формируемым струями, истекающими из этих камер, и поступают в секции 15. В этой части реакционного пространства газификатора, также как и во входной части, поддерживается температура до 1250°С для исключения плавления зольной и минеральной составляющих газифицируемых отходов. Газифицирующий агент от камер сжигания 10, 11 поступает в секции 15 через тангенциальные сопла 25. При движении с большой скоростью в секциях 15 и перетекании через проходные зазоры между дефлекторами обугливающиеся частицы отходов движутся по спиральным траекториям и отбрасываются центробежной силой на стенки секций с образованием из этих частиц постоянно возобновляемого слоя гарниссажа с диспергированием частиц за счет интенсивного истирания в этом слое. Диспергирование обугливающихся частиц твердого остатка сопровождается постоянным обновлением поверхности частиц, что ускоряет их газификацию. Интенсивность вращения вихревого потока в секциях 15 (и температура) поддерживается за счет энергии тангенциальных струй высокотемпературного газифицирующего агента, поступающего в секции из сопел 25, при этом резко интенсифицируются тепло- и массообменные и физико-химические процессы газификации, что особенно характерно в случае использования сопел Гартмана. Слой гарниссажа выполняет роль тепловой изоляции и защитного слоя от механического абразивного износа дефлекторов 23.

На выходе из секций 15 продукты газификации в виде смеси синтез-газа с недоразложившимися газами и диспергированнным твердым остатком в виде шламового порошка с частицами разного размера попадают в вихревой поток, формируемый камерами сжигания 12, 13, посредством которых в этой зоне (плавления) поддерживается температура выше температуры плавления зольной и минеральной составляющих газифицируемых отходов. В зоне плавления не полностью разложившиеся газы доразлагаются, а диспергированный шлам расплавляется. В этой зоне целесообразно поддерживать температуру до 2200°С (Если обрабатываемые отходы содержат в своем составе значительную долю трудно разлагаемых компонентов, например типа дибензо-n-диоксина, которые даже при нагреве в 1200°С разлагаются за время более 5 с, то возможна замена камер сжигания 12, 13 на плазмотроны (условно не показаны)). Капли расплава шлака частично оседают на конической поверхности 17 выпускной части газификатора и стекают в канал 18, куда также эжектируется смесь газа с каплями расплава. При поступлении в канал 18 стекающий по конической поверхности 17 расплав распыливается в потоке струи газифицирующего агента из камеры сжигания 14. Расположение камеры сжигания 14 на глухом торце канала 18 обеспечивает эжекцию и направление потока, поступающего из зоны плавления выпускной части газификатора в скруббер Вентури 19 и далее в сепаратор 20, где осуществляется закалка синтез-газа, частичная его очистка и перевод капель расплава в твердый гранулированный шлак. Шлак выводится из сепаратора 20 через гидрозатвор, а охлажденный и частично очищенный синтез-газ засасывается дымососом 21 и подается на дальнейшую очистку и переработку.

В процессе газификации внутри газификатора поддерживается определенный состав атмосферы. Если влажность отходов превышает 10%, то дополнительной подачи пара не требуется, если меньше - пар подается через патрубок 27. Необходимый состав атмосферы и температура в газификаторе поддерживаются за счет регулирования соотношения подачи газа и окислителя в камеры сжигания. При переработке отходов с низким содержанием углерода в газификатор может дополнительно подаваться аэро- или водоугольная смесь через форсунки 26 (для повышения равномерности ввода целесообразно, чтобы угольных форсунок было, по крайней мере, две).

При запуске газификатора используют газ от внешнего источника; после запуска используются очищенные газы пиролиза и газификации, получаемые на установке в процессе переработки отходов.

Пример. Городской мусор после предварительной подготовки подают в газификатор, где он газифицируется. В реакционном пространстве газификатора от входа до зоны плавления поддерживалась температура до 1250°С, а в выпускной части газификатора температуру поддерживали на уровне 1600°С. При этом достигнуто 100% разложение органических соединений на СО и H ₂. В качестве газифицирующих агентов использовали водяной пар и газообразные продукты от сжигания кислорода и метана, которые подавали в камеры сжигания. Твердый остаток отходов выводился в виде гранулированного шлака, не содержащего углерода.

Таким образом, предложенное изобретение обеспечивает повышение эффективности газификации углеродсодержащих отходов за счет исключения их спекания и создания условий для интенсификации газификации.