Устройство для тепловой обработки под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов

 

Изобретение относится к устройству для тепловой обработки под давлением различных влажных органических углеродсодержащих материалов без доступа воздуха с получением твердого топлива и позволяет повысить эффективность. Устройство включает сосуд (С) высокого давления, расположенные в его верхней части впускное средство - вход 8 для ввода исходного углеродсодержащего материала под давлением и выпускное средство - выход 10 для отвода реакционных газов, установленные внутри С нагревательные элементы. На вращающемся валу 13 укреплены перемешивающие средства. В нижней части С расположено выпускное средство - выход для отвода продуктов реакции. Уст дополнительно содержит расположенные один над другим ряд кольцеобразных верхних подовых элементов - подов 28, имеющих наклон вниз в направлении от центра к периферии сосуда, ряд нижних подовых элементов, расположенных под верхними подовыми элементами, кольцевые перегородки 34, расположенные над верхними подовыми элементами, и дренажные средства - сливные трубы 38, подсоединенные к верхним подовым элементам, для удаления образующейся на них жидкости. Нагревательные элементы расположены в области нижних подовых элементов, а перемешивающие средства выполнены в виде гребков, расположенных над подовыми элементами и направляющих материал в радиальном направлении вдоль каждого подового элемента попеременно к центру и к периферии сосуда. Устройство снабжено скребковым элементом или проволочной щеткой, установленной на гребке около стенки сосуда, нагревательные средства расположены по периферии внутреннего объема сосуда. Устройство снабжено средствами вертикального перемещения вала с гребками. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

СОЮЗ COÂE ÑHÈÕ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (д1) C 10 B I/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ПАТЕНТУ

1113 1Z

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (2 1) 3992308/23-26 (22) 18. 12, 85 (3l) 683591 (32) 19,12.84 (33) US (46) 07,07,90,Бюл. № 25 (71) Эдвард Коппельман (uS) (72) Эдвард Коппельман (uS) (53) 662.75 (088.8) (56) Патент США № 4325787, кл. С 10 В 1/04, 202-106, 1982, Патент США № 4126519, кл.С IO В 1/08, 201-32, 1978, „„SU„„1577702 А 5

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРАБОТ.

КИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВЛАЖНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ

УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ (57) Изобретение относится к устройству для тепловой обработки под давлением различных влажных органических углеродсодержащих материалов без доступа воздуха с получением твердого топлива и позволяет повысить эффективность. Устройство включает сосуд (С) высокого давления, расположенные в

его верхней части впускное средство— вход 8 для ввода исходного углеродсо1577702

10 ном направлении вдоль каждого подового элемента попеременно к центру и к периферии сосуда. Устройство снабжено . скребковым элементом или проволочной

Изобретение относится к тепловой обработке под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов и получению продукта, используемого в качестве топлива. 30

Цель изобретения — повьппение эффективности.

На фиг,1 показано устройство, (верхняя зона предварительного нагрева или сушки и нижняя реакционная зо- 35 на), вертикальный разрез; на фиг.2то же, размещение поперечных труб теплообменника, поперечный горизонтальный разрез; на фиг.Э вЂ” зона разгрузочных отверстий в кольцевом поде, 0 расположенном в верхней зоне предварительного нагрева (частичный разрез),: вид сверху; на фиг, 4 — схема ус- тановки для термической обработки углеродистйх материалов, 45

Устройство содержит сосуд 1 высокого давления с куполообразной верхней частью 2, центральной секцией в виде круглого цилиндра 3 и куполообразной нижней частью 4, герметично соединенными друг с. другом кольцевыми фланцами 5. Реактор поддерживается практически в вертикальном положении с помощью ряда опор 6, прикрепленных к опорным элементам 7, связан55 ным с нижним фланцем 5 центральной секции сосуда. Верхняя куполообразная часть имеет впускное средство " вход 8 для ввода внутрь реактора иэдержащего материала под давлением и выпускное средство — выход 10 дпя отвода реакционных газов, установлен;ные внутри С нагревательные элемен ты, На вращающемся валу 13 укреплены перемешивающие средства, В нижней части С расположено выпускное средство — выход для отвода продуктов реакции. Устройство дополнительно содержит расположенные один над другим ряд кольцеобразных верхних подовых элементов — подов 28, имеющих нак" лон вниз в направлении от центра к периферии сосуда, ряд нижних подо;..лх элементов, расположенных под верхними подовыми элементами, кольцевые перегородки 34, расположенные над верхними подовыми элементами, и дренажные средства — сливные трубы

38, подсоединенные к верхним подовым элементам, для удаления образующейся на них жидкости, Нагревательные элементы расположены в области нижних подовых элементов, а перемешивающие средства BbIIIoJIHeHbl в виде гребков, расположенныех над подовыми элементами и направляющих материал в радиальщеткой, установленной на гребке около стенки сосуда, нагревательные средства расположены по периферии внутреннего объема сосуда. Устройство снабжено, средс тв ами вертикального перемещения вала с гребками. 4 з.п.ф-лы, 4 ил. т мельченного влажного углеродистого материала. К входу примыкает изогнутый углом отбойный щиток 9, направляющий подаваемый материал к стенке реакционной камеры, С противоположной стороны верхней части 2 расположен выход 10 с фланцем для удаления реакционных газов под давлением из реакционной камеры, На внутренней поверхности верхней части 2 в ее центральной зоне имеется обращенный вниз ! кольцевой выступ 11, в котором расположен подшипник 12,,поддерживающий с возможностью вращения верхний конец вала 13, Ъ

Нижний конец проходящего по центральной оси реактора вращающегося вала 13 установлен в кольцевом выступе 14, образованном в нижней части

4 с помощью узла подшипника 15 и герметичного уплотнения 16, Выступающий наружу конец вращающегося вала

13 имеет ступенчатый участок 17, вставленный в упорный подшипник 18, установленный на опоре 19, По длине вращающегося вала 13 на определенном расстоянии друг от друга по вертикали прикреплено множество выступающих по радиусу от вала 13 перемешивающих элементов, выполненных в виде гребков 20, Как правило, в зоне предварительного нагрева или в зоне суш1 ки могут быть расположены два, три или четыре гребка, а в реакционной расположенно го ниже, Установленный под верхним подом 28 с наклоном вниз кольцевой под 28 прикреплен к стенке 29 кронштейнами 32, Второй кольценой под имеет множество расположенных по его внешней окружности отверстий 33,через которые материал выгружается на расположенный ниже под.

Влажный углеродистый материал подается через вход 8 и отклоняется щитком 9 к внешней окружности верхнего пода 28, после чего зубьями 21 гребков направляется вверх и внутрь в положение над круглым отклоняющим щитком 31, где он свободно падает на расположенный ниже на определенном Р« стоянии под. Подобно этому зубья 21 гребков над вторым подом верхней

;д группы передают материал вниз и наружу по верхней поверхности пода для выпуска его через расположенные по его внешней окружности отверстия 33. .Обрабатываемый материал продолжает проходить вниз каскадом поочередно a направлении внутрь и наружу, как показано стрелками на фиг.1. и поступает в нижнкио реакционную зону.

Двигаясь каскадом вниз, материал контактирует с проходящими противотоком вверх нагретыми реакционными газами которые нагревают его до температуры 90 — 260 С. Для .обеспечения надежного контакта подаваемого материала с восходящим потоком реакционных газов, непосредственно над гребками 20, связанными по крайней мере с некоторыми иэ наклонных подов 28, расположены кольцевые пе40 регородки 34, удерживающие поток горячих реакционных газов в зоне, примыкакщей непосредственно к верхней поверхности кольцевого пода. Предварительный нагрев материала обеспечи45 вается частично за счет конденсации конденсируемых компонентов реакционного газа, например пара, на поверх ности холодного обрабатываемого материала, а частично эа счет прямого

50 .теплообмена. Конденсированная жидкость и выделенная химически связанная в обрабатываемом материале вода сливаются вниз и наружу по наклонным подам и выводятся по окружности подов, связанных внешними краями со стенкой 29, через кольцевой водоотвод 35 с перекрываюшим его вход экраном 36, который должен непрерывно протираться скребковым элементом или

5 1577702

6 зоне — до шести гребков. Обычно на. каждом уровневращающегосх вала крепятся четыре гребка с шагом примерно 90", К нижним сторонам гребков

20 крепятся под углом ряд зубьев 21, ориентированных таким образом, чтобы при вращении вала обеспечивать передачу по радиусу в направлениях внутрь и наружу материала вдоль множества подов, Вал 13 с гребками приводится от двигателя 22, установленного на регулируемом основании 23, На выходной вал двигателя насажено коническое ведущее зубчатое колесо 24, постоянно сцепленное с ведомым коническим зубчатым колесом 25, насаженным на нижний концевой участок вала. В предпочтительном варианте двигатель является двигателем переменной скорости, обеспечивающим изменения скорости вращения вала.

Для того, чтобы допустить увеличение и изменение длины вала с изменением вертикального положения выступающих от него гребков при изменении температуры в реакторе, основание 23 и выступающий наружу конец вала 13 установлены на регулируемых домкратах 26, которые под действием гидравлического цилиндра 27 изменяют высо ту установки основания 23, обеспечивая надлежащее положение зубьев 21 гребков относительно верхних поверхностей подов в реакторе, Устройство в зоне предварительного нагрева содержит группу расположенных один над другим подов 28, наклоненных вниз к стенке реакционной камеры. Верхняя зона предварительного нагрева снабжена цилиндрической стенкой 29, расположенной на определенном расстоянии по радиусу внутрь от стенки цилиндра 3 центральной секции. К цилиндру

3 прикреплены наклонно установленные поды 28. Верхний край стенки 29 имеет отогнутый наружу участок 30, исключающий попадание углеродистого мате риала в кольцевой зазор между стенкой 29 и стенкой цилиндра 3 централь-. ной секции. Верхний под 28 соединен по окружности со стенкой 29 и проходит вверх и внутрь к вращающемуся валу 13.

Под 28 переходит в направленный вниз круглый отклоняющий щиток 31, образующий кольцевой желоб, через который материал каскадом проходит вниз на внутренний участок кольцевого пода, 157770 проволочной щеткой 37, установленной, на наружном зубе ближайшего гребка, Кольцевые водоотводы 35 сообщаются сс сливными трубами 38, расположенными

5 в кольцевом зазоре между стенкои 29 и цилиндром 3. Жидкость удаляется из реакционного сосуда через выход 39 для конденсата.

Охлажденные реакционные газы прохо10 дят вверх через зону предварительного нагрева и, наконец, выпускаются через выход 10, Предварительно нагретый и частично обеэвоженный материал от нижнего пода

15 зоны предварительного нагрева при непрерывно регулируемом повьппенном давлении проходит к верхнему кольцевому поду 40 реакционной зоны, где он нагревается далее обычно до 200650 С или выше, В реакционной зоне кольцевые поды 40 .установлены практически в горизонтзльном положении таким образом, что по окружности они практически герметично соединены с цилиндрической огнеупорной футеровкой

41 внутренней поверхности стенки цилиндра 3, Как и в зоне предварительного нагрева, в реакционной зоне зубьями 21, прикрепленные к гребкам 20, поочередно направляют материал по радиусу в направлении внутрь и наружу каскадом через реакционную зону, как показано стрелками на фиг,l, Практи чески не содержащий жидкости и терми35 чески обогащенный твердый реакционный продукт выгружается в центре нижнего пода 40 в конический желоб

42 и через выход 43 — иэ сосуда, Чтобы уменьшить потери тепла из сосуда высокого давления, как цилиндрическая секция, так и нижняя часть

4 снабжены наружным слоем 44 изоляции любого известного типа. Центральная секция в предпочтительном . ! ., варианте имеет дополнительную оболочку 45 для защиты изоляции. Для нагрева материала в реакционной зоне могут быть использованы расположенные в ней электронагревательные элементы, 50 охватывающие цилиндр 3 центральной секции, кожух, по которому циркулирует нагревающая среда, или расположенное по периферии трубчатое теплообменное устройство, содержащее пучок спиральных труб 46, примыкающих у ч к внутренней поверхности футеровки 4, и поперечный теплообменник, образованный несколькими U-образными трубами

2 8

47, пересекающими по горизонтали сосуд высокого давления непосредственно под расположенными в его полости . кольцевыми подами 40, Пучок труб 46 периферийного теплообменника через вход 48 и выход 49 сообщается с расположенным вне реактора источником нагревающей среды, например сжатой двуокиси углерода и т,п,,U"îáðàýíûå трубы 47 поперечного теплообменника связаны с входным 50 и выходным 51 коллекторами соответственно, которые в свою очередь связаны с входом 52 и выходом 53, выполненными в стенке сосуда высокого давления, Системы периферийного и поперечного теплообменников могут соединяться с одним и тем же источником нагревающей среды или, как показано на фиг,4 с изображением предпочтительного варианта с различными источниками нагрева, что обеспечивает неэависимое управление каждой системой для получения требуемой температуры нагрева и термической обработки обрабатываемого материала в реакционной зоне, В рабочем режиме, как показано на фиг,4 с изображением схемы процесса, подлежащий обработке влажный угле. водородистый материал под давлением подается из бункера - хранилища 54 через соответствующий пневматический затвор 55 и вход 8 в сосуд 1 высокого давления, Через зону предварительного нагрева влажное сырье передается вниз способом, описанным выше, в . процессе .теплообменного контактирования с восходящим потоком реакционных газов для предварительного нагрева материала до 90-260 С, как это показано на фиг,1. Затем предварительно нагретый и частично обезвоженный ма териал пропускается вниз в расположенную ниже реакционную зону реактора со множеством подов, где он нагревается до более высокой температуры, обычно в диапазоне 200-650 С для термической перестройки или частичного пиролиэа, сопровождающимися испарением практически всей остаточной влаги и летучих компонентов и продуктов реакции пиролиэа, Обычно давление в реакторе попдерживается в диапазоне

21-210 кг/см или вьппе в зависимости от типа обрабатываемого материала и ! желаемой термической переработки, необходимой для получения целевого готового твердого реакционного продукта.

1577702

1О

Количе ст во кол ьцевых подов в з он е предварительного нагрева и в реакционной зоне выбирается в зависимости от заданной продолжительности процесса обработки, Обычно продолжительность пребывания материала в реакционной зоне колеблется от l мин до 1 ч или более, Полученный термически обогащенный твердый реакционный продукт выгружается через выход 43 для про дукта в нижней секции реактора, после чего охлаждается в камере 56 охлаждения до температуры, позволяющей выгружать его в окружающую среду без риска сгорания или других нежелательных последствий. Обычно твердый .реакционный продукт охлаждается о до температуры ниже 260 С, а чаще— до 150 С и ниже, 20

Разгрузочный канал, ведущий от выхода 43 для продукта, также снабжен пневматическим затвором 57, препятствующим потерям давления в реакторе при прохождении реакционного про-25 дукта, Охлажденные реакционные газы удаляются через расположенный в верхнем конце реактора выход 10 и через понижающий давление клапан 58 пропус- 30 ,каются в конденсатор 59. В конденса" торе 59 осаждаются и выводятся в качестве побочного продукта конденсации, содержащиеся в .газах органические и конденсируемые компоненты. Не- 35 конденсируемый компонент газа, т.е.. чистый. газ выпускается и может быть использован в реакторе для нагрева, Подобно этому, извлеченная в зоне предварительного нагрева жидкая фаза удаляется в виде сточных вод из реактора через Соответствующий понижающий давление клапан 60. Зачастую такие сточные. воды содержат ценные раст. воренные органические компоненты, 45 которые могут быть извлечены в процессе дальнейшей обработки или, в другом варианте, сточные воды с раст,воренными в них органическими компонентами могут использоваться.непосредственно для формирования водной суспензии твердого реакционного продукта, что облегчает его транспортировку в удаленные от реактора пункTbl

На фиг.4 схематически показаны дополнительные системы нагрева, обеспечивающие циркуляцию нагревающей текучей среды через расположенные по периферии и поперечно теплообменные секции реакционной зоны, Расположенная по периферии система теплообменника имеет насос 61 для перекачки нагреваю= щей текучей среды через теплообменник или печь 62 для повторного нагрева нагревающей среды, которая пропускается через пучок труб в реакционной зоне.

Подобно этому, система поперечного теплообменника снабжена циркуляционным насосом 63 и печью 64 для циркуляции и повторного нагрева нагревающей екучей среды, пропускаемой через U-образные трубы реакционной эоны, Описанный многоподоный реактор может найти применение в процессах обработки углеродистых материалов или их смесей, которые„ как правило, характеризуется высоким содержанием влаги, В данном контакте определение

"углеродистые" относится к материалам, богатым углеродом, которые могут иметь как естественное происхождение, так и могут быть получены в виде отходов сельскохозяйственного производства или лесообрабатывающей промышленности. Как правило, к таким материалам относятся полубитуминозные угли, бурые угли, торф, отходы целлюлозного производства, например опилки, кора, древесная стружка, ветки и щепа, т.е. отходы лесозаготовительных работ и лесопильного производства, отходы сельскохозяйственного производства — стебли хлопка, ореховая скорлупа, отходы лущения: зерновых, риса и т,п. и пульпа твердых городских отбросов, из которых удалены металлические примеси, содержащие менее 50 мас.X влаги, а обычно примерно 25 мас.X влаги, Устройство работает следующим образом, о

Необработанный уголь при 15 С и атмосферном давлении подается иэ питающего бункера 54 через пневматический затвор 55 в реактор, в котором поддерживается давление 58 кг/см „

Подлежащий обработке уголь нагревается в зоне предварительного нагрева реактора в ходе пропускания его через эту зону вннэ от температуры

15 С до 960 С, при которой он поступает в реакционную зону, Сточные воды примерно при 161 С и давлении

58 кг/см выводятся из зоны предвари-.

1577702 тельного нагрева, как и газ, который при 161 С и давлении 58 кг/cM выи Я пускается из верхней части зоны предварительного нагрева, Реакционный газ, ныпускаемыи из реакционной зоны, 5 поступает в нижнюю часть збны предварительного нагрева при 2600С и давлении 58 кг/см, Полученный твер Z дый реакционный продукт выгружается через дно реакционной зоны с температурой .381 С и давлением 58 кг/см о C с последующим охлаждением его до

93 С, после чего его выгружают при атмосферном давлении, 15

Как правило, массоный расход по.данаемого материала и различных потоков продуктов составляет: 23300 кг/ч

Подаваемого материала и 7200 кг/ч воды. Выход сточных нод составляет .

9200 кг/ч, а газа 2500 кг/ч и 150 кг/

/ч пара, Выход из реактора твердого г1родукта составляет: 11500 кг/ч, а

Чистого газа после изнлечения конденсируемых компонентов 255 кг/ч и . 25

150 кг/ч воды, .Тепловой баланс описанного процесса исчисляется из загрузки в реактор влажного необработанного угля, .Содержащего ) 88000 ккал/ч, а охлаж- 30 денный до 93 С твердый реакционный продукт содержит 320000 ккал/ч, Полученный ras - продукт имеет теплотворную способность 260000 ккал/ч, а удаленные горячие сточные воды содержат 1500000 ккал/ч, Описанные последонательность и параметры операций обработки полубитуминозных углей являются типовыми, Однако н различных зонах реактора до- 40 пустимы изменения. температуры, а

-также давления и времени пребывания обрабатываемого материала, необходимого для получения требуемого термического обогащения и/или химической 45 перестройки целлюлозного материала в зависимости от исходного содержания, в нем влаги общей химической структуры и содержания углерода, а также, желаемых характеристик целевого реак- 50 ционного продукта, Соответственно условия в зоне предварительного нагрева могут регулироваться таким образом, чтобы обеспечить удовлетворительный нагрев подаваемого мате- 55

:риала, т.е, от комнатной температу1 ,ры до температуры обычно в диапазоне

90"260 С с последукщим нагревом его о в реакционной зоне до 650 С и ньппе, Давление в реакторе также может регулироваться н диапазоне 21 — 210 кг/ и

/см, обычно в диапазоне 42

105 кг/см, Формула изобретения

1, Устройство для тепловой обработки под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов, включающее сосуд высокого давления, расположенные в его верхней части впускное средство для ввода исходного углеродсодержащего материала

rtoq давлением и выпускное средстно для отвода реакционных газов, установленные н сосуде нагревательные элементы, укрепленные на вращающемся валу перемешивающие средства и расположенное в нижней части сосуда выпускное средство для отвода продуктов реакции, отличающее с я тем, что, с целью повьппения эффективности, устройство дополнительно со-! держит расположенные один над другим ряд кольцеообразных верхних подоных элементов, имеющих наклон вниз, в направлении от центра к периферии сосуда, ряд нижних подовых элементов, расположенных под верхними подовыми элементами, направляющие средства, расположенные над верхними подовыми элементами, и дренажные средства, подсоединенные к верхним подовым элементам для удаления образующейся на них жидкости, причем нагревательные элементы расположены в области нижних подовых элементов, а перемешивающие средства выполнены в виде гребков, расположенных над подовыми элементами :и направляющих, материал в радиальном направлении вдоль каждою го подового элемента попеременно к центру и к периферии сосуда, 2. Устройство по и 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что оно снабжено скребковым элементом или проволочной щеткой, установленной на гребке, расположенном около стенки сосуда.

3. Устроистно по и, 1, o T л и ч а ю щ е е с я тем, что нагревательные средства расположены по периферии внутреннего объема сосуда, 4. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что нагревательные средства расположены под нижними подовыми элементами.

1577702

5. Устройство по п.1, о т л и— ч ающе е с я тем, что оно содержит средства вертикального перемещения вала с гребками, Фиг.2

1577702

ЯРРЯнч ца.икч

Составитель Р.Горяинова

Редактор Г,Гербер Техред М.Ходанич

Корректор Л.Патай

Подписное

Заказ 1857

Тираж 431

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Б-35„Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101