Способ многоступенчатого разложения твердого топлива окислением и устройство для его осуществления

Изобретение относится к энергетике, а именно - к области производства тепловой энергии за счет разложения твердого топлива, имеющего в своем составе углеродные и азотистые соединения. Твердое топливо непрерывно подают в цилиндрический корпус 1, перемещая его шнеком 3 с переменным шагом вдоль оси, и последовательно направляют в зону предварительного сжатия 4, с одновременным уплотнением и герметизацией этой зоны. Затем топливо подают в зону окисления и предварительного нагрева 5 с температурой 350-750°С, давлением 0-1 МПа и вводом окислителя через патрубок 8а, далее в зону основного дозированного окисления 6 с температурой 500-1000°С, давлением 0,5-5 МПа и вводом окислителя через патрубок 8в, а потом - в зону разрежения 7 с температурой 700-1500°С, давлением 0-(-0,9) МПа и вводом окислителя через патрубок 8с. Далее через один из патрубков 10 в цилиндрическом корпусе 1 выводят зольный остаток, а через другой патрубок 9 - выходной газ с заданными физико-химическими свойствами. Способ осуществляют в твердотопливном преобразователе, состоящем из приемного бункера 2, цилиндрического корпуса 1 с расположенным внутри шнеком 3 с переменным шагом и разрывами по зонам окисления, над зонами окисления выполнены патрубки ввода окислителя 8а, 8в, 8с, на противоположном конце корпуса 1 расположены патрубок вывода газа 9 с заданными характеристиками с находящимся внутри патрубка вакуумным насосом и патрубок вывода зольного остатка 10, причем, вал шнека 3 выполнен полым для подачи охлаждающей жидкости и расположен на подшипниках с натяжным устройством в виде пружины для устранения провисания и для натягивания вала. Изобретение обеспечивает получение тепловой энергии, горючих газов, синтез-газа с различными свойствами и характеристиками для дальнейшего преобразования в жидкое синтетическое топливо. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к энергетике, а именно - к способам производства тепловой энергии за счет разложения твердого топлива в окислителе.

Известен способ производства тепловой энергии за счет сжигания топлива в окислителе - патент РФ №2291349, МПК F23B 10/00 от 01.01.2010.

В топливном цикле, в основе которого лежит сжигание органического топлива, организуют круговорот органического топлива и его окислителя, в качестве которого используют элементный фтор. Для этого вводят в процесс неорганическое топливо в виде диоксида кремния или оксида редкого металла, относящегося к группе тугоплавких и образующего с фтором летучее соединение, сжигают его, используя в качестве окислителя образующийся в результате горения органического топлива тетрафторид углерода. Из полученных продуктов горения, а именно фторида кремния или фторида редкого металла, восстанавливают кремний или редкий металл, получая одновременно элементный фтор, а из углекислого газа, также с использованием элементного фтора и восстановленного кремния или металла, воспроизводят чистый углерод, направляя его, как и элементный фтор, на первоначальную операцию сжигания углерода.

Недостатком способа является то, что сжигание происходит в пространстве с использованием в качестве окислителя элементного фтора, и ввода в процесс неорганического топлива в виде диоксида кремния.

Известен способ сжигания и сухой перегонки твердого топлива, взятый за прототип - патент РФ №2319065, МПК F23B 30/00 от 10.03.2002. Способ включает загрузку топлива в камеру, нагревание его до температуры выхода летучих, разделение паровой и твердой фаз и сжигание последней в топке, причем, перед помещением топлива в камеру ее нагревают изнутри выше температуры, при которой происходит выход основной массы летучих.

Недостатком способа является порционность сжигания и неспособность контролировать полноту и глубину сгорания топлива, а также неспособность регулировать выделение тепловой энергии, невозможность получать и отводить топочный газ для дальнейшего его использования.

Известен газогенератор для газификации древесных отходов, патент РФ №2341727, МПК F23B 30/00, C10J 03/20 от 04.03.2005. Газогенератор содержит футерованный корпус с подсушкой опила в верхней части и коаксиально установленный кожух. Кожух образует с корпусом «рубашку». Патрубок с дроссельной заслонкой подключен к внутренней части коаксиального трубопровода, сообщенного с камерой горения, расположенной на уровне фурменного пояса. В корпусе размещено устройство виброожижения опила, снабженное вибратором эксцентрикового типа и расположенное ниже фурменного пояса в камере восстановления, а под устройством виброожижения размещена сменная зольниковая решетка с зольниковой камерой.

Недостатком газогенератора является то, что в качестве сырья используют только опил с предварительной подсушкой, а также на всем протяжении процесса используют внешний источник тепла, что приводит к низкой эффективности устройства.

Наиболее близким является устройство для переработки твердых горючих ископаемых, патент РФ №2342421, МПК С10В 53/06. Устройство содержит реактор, на входе соединенный с загрузочным бункером, на выходе - с отводящим каналом для парогазовой смеси, топку, снабженную отводящим каналом, а также питатель, расположенный перед топкой. Реактор содержит корпус с размещенным в нем механизмом для перемешивания и перемещения твердого топлива шнеком по длине корпуса. Корпус соединен с герметизирующей камерой.

Недостатком устройства является то, что оно не позволяет учитывать особенность исходного сырья и, как следствие, качество выходного газа, происходящие реакции не контролируемы, а на протяжении всего периода в процессе участвуют внешние источники тепла.

Задача изобретения - создание эффективного способа и устройства разложения твердого топлива и получение тепловой энергии, топочного газа и синтез-газа с заданными физико-химическими свойствами, температурой, давлением.

Способ многоступенчатого разложения твердого топлива окислением включает непрерывную подачу топлива в цилиндрический корпус с предварительным сжатием и нагревом исходного топлива до температуры начала активной реакции окисления. Топливо подают, перемещая его шнеком вдоль оси зоны окисления и предварительного нагрева с температурой 350-750°С и давлением 0-1 МПа, зоны основного окисления с температурой 500-1000°С, давлением 0,5-5 МПа. Далее топливо подается в зону разряжения с температурой 700-1500°С и давлением 0-(-0,9) МПа. После зоны разряжения через один патрубок выходит зольный остаток, а через другой патрубок - выходной газ с заданными физико-химическими свойствами.

Устройство для осуществления способа - твердотопливный преобразователь - состоит из приемного бункера, цилиндрического корпуса с расположенным внутри шнеком с переменным шагом и разрывами по зонам окисления. Над зонами окисления выполнены патрубки ввода окислителя. На противоположном конце корпуса расположены патрубок вывода газа с заданными характеристиками с находящимся внутри патрубка вакуумным насосом и патрубок вывода зольного остатка. Для подачи охлаждающей жидкости вал шнека выполнен полым. Для устранения провисания и натягивания вал расположен на подшипниках с натяжным устройством в виде пружины.

На фиг.1 изображен твердотопливный преобразователь, состоящий из цилиндрического корпуса 1, приемного бункера 2 с расположенным внутри шнеком с переменным шагом 3. Цилиндрический корпус 1 разделен на зону предварительного сжатия 4, зону окисления с предварительным нагревом 5, зону основного окисления 6 и зону разряжения 7. В цилиндрическом корпусе над зонами окисления выполнены патрубки ввода окислителя 8а, 8в, 8с. На противоположном конце корпуса за зоной разряжения 7 выполнены патрубок вывода газа с заданными характеристиками 9, патрубок для вывода зольного остатка 10. Вал шнека выполнен полым и расположен на подшипниках, обеспечивающих нормальную работу вала при его нагреве.

Способ многоступенчатого разложения твердого топлива осуществляют в топливном преобразователе. В его цилиндрический корпус 1 через приемный бункер 2 при помощи шнека с переменным шагом 3 подают твердое топливо, включающее в себя углеродистые и азотистые соединения. Шнек 3, имея переменный шаг в зоне предварительного сжатия 4, сжимает топливо с его одновременным уплотнением и герметизацией этой зоны.

В зоне окисления с предварительным нагревом 5 топливо нагревают до температуры 350-750°С, с давлением 0-1 МПа, а через патрубок 8а подают окислитель.

В результате этого повышается температура и давление в зоне предварительного сжатия 4 и зоне окисления с предварительным нагревом 5. Тепло отводится, а выделяющийся газ вместе с остатками топлива перемещается в следующую зону основного дозированного окисления 6 с температурой 500-1000°С, давлением 0,5-5 МПа и подачей окислителя через патрубок 8 в, где процесс повторяется. В зоне разряжения 7 с температурой 700-1500°С, давлением 0-(-0,9) МПа и подачей окислителя через патрубок 8с происходит дегазация остатка переработанного топлива. На выходе из зоны разряжения 7 создается отрицательное давление для ускорения удаления газовой составляющей из зольного остатка.

Для замедления или ускорения реакции окисления в различных зонах по патрубкам 8а, 8в, 8с предусмотрено различное количество подачи окислителя. Основным окислителем является кислород и как добавление используют озон.

Далее через патрубок 9 газ отводится на необходимые нужды, а через патрубок вывода 10 зольный остаток отводится в бункер для дальнейшей утилизации.

Твердотопливный преобразователь используют как источник тепловой энергии, топочного газа и синтез-газа или источник получения различных комбинаций вышеперечисленных продуктов.

Преимущество перед существующими способами и устройствами - малая металлоемкость, внешний источник энергии необходим только на момент запуска реакций окисления, контроль за скоростью и полнотой окисления. В предложенных технических решениях происходит повышенное извлечение углерода и азота из исходного сырья и получение газа с заданными физико-химическими свойствами для дальнейшего преобразования в жидкое синтетическое топливо.

1. Способ многоступенчатого разложения твердого топлива окислением, включающий подачу топлива в корпус, предварительное сжатие и нагревание его до температуры начала активной реакции окисления, отличающийся тем, что топливо непрерывно подают в цилиндрический корпус, перемещая его шнеком с переменным шагом вдоль оси, и последовательно направляют в зону предварительного сжатия с одновременным уплотнением и герметизацией этой зоны в зону окисления и предварительного нагрева с температурой 350-750°С, давлением 0-1 МПа, вводом окислителя через патрубок в зону основного дозированного окисления с температурой 500-1000°С, давлением 0,5-5 МПа, вводом окислителя через патрубок в зону разрежения с температурой 700-1500°С, давлением 0-(-0,9) МПа, и вводом окислителя через патрубок и далее через один из патрубков в цилиндрическом корпусе выводят зольный остаток, а через другой патрубок - выходной газ с заданными физико-химическими свойствами.

2. Твердотопливный преобразователь для осуществления способа по п.1, состоящий из приемного бункера, корпуса с расположенным внутри шнеком, отличающийся тем, что корпус выполнен цилиндрическим, расположенный в нем шнек имеет переменный шаг и разрывы по зонам окисления, над зонами окисления выполнены патрубки ввода окислителя, на противоположном конце корпуса расположены патрубок вывода газа с заданными характеристиками с находящимся внутри патрубка вакуумным насосом и патрубок вывода зольного остатка, причем вал шнека выполнен полым для подачи охлаждающей жидкости и расположен на подшипниках с натяжным устройством в виде пружины для устранения провисания и для натягивания вала.