RU115353U1

RU115353U1 - DEVICE FOR CONVERSION OF GRANULATED ORGANIC MATTERS TO GAS-FUEL FUEL

Info

Publication number: RU115353U1
Application number: RU2011147797/05U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Васильевич Бессмертных; Виктор Михайлович Зайченко
Original assignee: Учреждение Российской Академии Наук Объединенный Институт Высоких Температур Ран (Оивт Ран)
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2012-04-27

Abstract

Устройство конверсии гранулированных органических веществ в газообразное топливо, включающее топку, соединенную с обогревательной камерой, заключенной в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, в верхней части реторты выполнено отверстие с примыкающими газоходами, при этом устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а охлаждающей средой является вода, во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а нагреваемой средой являются газы рецикла, устройство содержит емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку, отличающееся тем, что устройство включает сушилку для подсушивания исходных веществ за счет теплоты отходящих из обогревательной камеры газов, а также карбонизатор для карбонизации подсушенных гранулированных веществ, соединенный с ретортой, в котором происходит нагрев твердого материала за счет теплоты газов рецикла, нагретых во втором теплообменнике, водяной пар, полученный в первом теплообменнике, подается в реторту по газоходам, примыкающим к отверстию в верхней части реторты, карбонизатор выполнен в виде параллелепипеда с наклонной газопроницаемой решеткой локально псевдо� A device for the conversion of granular organic substances into gaseous fuel, including a furnace connected to a heating chamber enclosed in a heat-insulating shell, and a vertical retort with the possibility of pyrogas outlet in the lower part of the retort, equipped with a bottom with holes, one or more holes are made in the lower part of the retort above the bottom with adjoining gas ducts for withdrawing pyrolysis gases from the retort, an opening with adjacent gas ducts is made in the upper part of the retort, while the device contains two non-mixing heat exchangers, in the first of which the heating medium is pyrolysis gases leaving the retort, and the cooling medium is water, in the second cooled medium are pyrolysis gases leaving the first heat exchanger, and the heated medium are recycle gases, the device contains a container for pouring ash into it through openings in the bottom with a gas-tight sluice valve, inside which a heat exchanger for ash cooling and heating is located air entering the furnace, characterized in that the device includes a dryer for drying the initial substances due to the heat of the gases leaving the heating chamber, as well as a carbonizer for carbonization of dried granular substances, connected to a retort, in which the solid material is heated due to the heat of the recycle gases heated in the second heat exchanger, the water vapor obtained in the first heat exchanger is fed into the retort through the gas ducts adjacent to the opening in the upper part of the retort, the carbonizer is made in the form of a parallelepiped with an inclined gas-permeable grate locally pseudo�

Description

Предлагаемая полезная модель относится к использованию органических веществ, в частности низкосортных углей, торфа, органогенных отходов, в т.ч. древесных, в энергетике для получения газообразного моторного и печного топлива.The proposed utility model relates to the use of organic substances, in particular low-grade coals, peat, organogenic waste, including wood, in the energy sector to produce gaseous motor and heating oils.

Известно устройство термической переработки материалов растительного происхождения, включающее герметичную камеру, расположенную внутри теплоизоляционного слоя с зазором между ними, в котором движется теплоноситель для нагрева пиролизуемого материала через стенку камеры. Устройство включает также отверстие с примыкающим к нему газоходом для подачи в реторту нагретого в теплообменнике выше 150°С природного газа и участок разделения природного газа от пирогазов, выделяющихся при пиролизе (RU, патент 2105034, МПК 6 С10В 53/02).A device is known for thermal processing of materials of plant origin, including a sealed chamber located inside a heat-insulating layer with a gap between them, in which a coolant moves to heat the pyrolyzable material through the chamber wall. The device also includes an opening with a gas duct adjacent to it for supplying natural gas heated in a heat exchanger above 150 ° C to the retort and a section for separating natural gas from pyrohases released during pyrolysis (RU, patent 2105034, IPC 6 С10В 53/02).

Недостатком этого устройства является наличие участка разделения природного газа от пирогазов.The disadvantage of this device is the presence of a separation of natural gas from pyrogas.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство пиролизной переработки органических веществ, включающее топку, обогревательную камеру, заключенную в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, причем в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, в верхней части реторты выполнено отверстие с примыкающими газоходами, устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а охлаждающей средой является вода, во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а нагреваемой средой являются газы рецикла, при этом устройство включает участок приготовления гранулированных органических веществ с влажностью, равной или превосходящей не более чем на 50÷100% влажность, необходимую для полной конверсии органических веществ в газообразное топливо, а также содержит емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку (RU 84375, МПК С10В 53/02; F23G 5/00, прототип).Closest to the proposed utility model is a device for the pyrolysis of organic matter processing, including a furnace, a heating chamber enclosed in a heat-insulating shell, and a vertical retort with the possibility of exit of pyrogas in the lower part of the retort, equipped with a bottom with holes, and in the lower part of the retort above the bottom there is one or several holes with adjacent gas ducts for withdrawing pyrolysis gases from the retort, an opening with adjacent gas ducts is made in the upper part of the retort, device contains two non-mixing heat exchanger media, in the first of which pyrolysis gases leaving the retort are the heating medium, water is the cooling medium, the pyrolysis gases are the gases leaving the first heat exchanger in the second cooled medium, and the recycle gases are the heated medium, and the device includes site for the preparation of granular organic substances with a humidity equal to or greater than 50 ÷ 100% humidity necessary for the complete conversion of organic substances into gaseous fuels o, and also contains a container for pouring ash into it through openings in the bottom with a gas tight lock gate, inside of which there is a heat exchanger for cooling the ash and heating the air entering the furnace (RU 84375, MPK С10В 53/02; F23G 5/00, prototype).

Главным недостатком этого устройства является то, что весь многостадийный физико-химический процесс переработки органических веществ в газообразное топливо осуществляется в одном аппарате-реторте плотного малоподвижного слоя. В верхней низкотемпературной части реторты происходит сушка высоковлажных частиц и карбонизация. При карбонизации выделяются как неконденсирующиеся газы, так и конденсирующиеся пары смолистых веществ. При этом последние под действием конвективных токов поднимаются вверх (особенно в пристенной области) и конденсируются на еще не прогретых частицах вследствие их высокой исходной влажности, склеивая их, что затрудняет фильтрацию газов в нижнюю часть реторты. По этой причине возникает вероятность аварийной ситуации под известным специалистам названием "козел".The main disadvantage of this device is that the whole multi-stage physicochemical process of converting organic substances into gaseous fuel is carried out in one retort apparatus of a dense inactive layer. In the upper low-temperature part of the retort, high-moisture particles are dried and carbonized. During carbonization, both non-condensing gases and condensing vapors of resinous substances are released. At the same time, under the influence of convective currents, the latter rise upward (especially in the near-wall region) and condense on particles not yet warmed up due to their high initial moisture content, gluing them together, which makes it difficult to filter gases into the lower part of the retort. For this reason, there is a likelihood of an emergency under the name "goat" known to experts.

Недостатком этого устройства является также наличие участка приготовления высоковлажного материала, тогда как самые распространенные органические материалы, такие как древесная щепа, торф, органика твердых бытовых отходов и др.уже имеют влажность, достаточную для полной газификации угольного остатка.The disadvantage of this device is also the presence of a site for the preparation of high-moisture material, while the most common organic materials, such as wood chips, peat, organics of municipal solid waste, etc. already have enough moisture to completely gasify the coal residue.

Еще одним недостатком прототипа является недостаточно высокая степень конверсии энергии исходного сырья в энергию газа, направляемого потребителю, т.к. теплота отходящих из системы обогрева газов не используется внутри устройства.Another disadvantage of the prototype is the insufficiently high degree of conversion of the energy of the feedstock into the energy of the gas sent to the consumer, because the heat of the exhaust gases from the heating system is not used inside the device.

Предлагаемая полезная модель решает техническую задачу предотвращения склевания частиц и закупорки слоя, ликвидации участка приготовления материала с необходимой влажностью и повышения степени преобразования энергии исходного сырья в энергию газа, направляемого потребителю.The proposed utility model solves the technical problem of preventing particles from sticking and blocking the layer, eliminating the preparation area of the material with the necessary humidity and increasing the degree of conversion of the energy of the feedstock to the energy of the gas sent to the consumer.

Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве конверсии влажных гранулированных органических веществ в газообразное топливо, включающем топку, соединенную с обогревательной камерой, заключенной в теплоизоляционную оболочку, и вертикальную реторту с возможностью выхода пирогазов в нижней части реторты, снабженную днищем с отверстиями, в нижней части реторты над днищем выполнено одно или несколько отверстий с примыкающими газоходами для вывода из реторты пиролизных газов, в верхней части реторты выполнено отверстие с примыкающими газоходами, при этом устройство содержит два не смешивающих среды теплообменника, в первом из которых греющей средой являются выходящие из реторты пиролизные газы, а охлаждающей средой является вода, во втором охлаждаемой средой являются пиролизные газы, выходящие из первого теплообменника, а нагреваемой средой являются газы рецикла, устройство содержит емкость для ссыпания в нее золы через отверстия в днище с газоплотным шлюзовым затвором, внутри которой распложен теплообменник охлаждения золы и нагрева воздуха, поступающего в топку, причем устройство включает сушилку для подсушивания исходных веществ за счет теплоты отходящих из обогревательной камеры газов, а также карбонизатор для карбонизации подсушенных гранулированных веществ, соединенный с ретортой, в котором происходит нагрев твердого материала за счет теплоты газов рецикла, нагретых во втором теплообменнике, водяной пар, полученный в первом теплообменнике, подается в реторту по газоходам, примыкающим к отверстию в верхней части реторты, а карбонизатор выполнен в виде параллелепипеда с наклонной газопроницаемой решеткой локально псевдоожиженного слоя, по которой движется карбонизируемый материал по направлению к реторте через вертикальную перегородку, определяющую высоту слоя.The stated technical problem is solved in that in a device for converting wet granular organic substances into gaseous fuel, including a furnace connected to a heating chamber enclosed in a heat-insulating shell, and a vertical retort with the possibility of exit of pyrogases in the lower part of the retort, equipped with a bottom with holes, in the lower part of the retort above the bottom has one or more openings with adjacent gas ducts for withdrawing pyrolysis gases from the retort; an opening with adjacent gas ducts, the device contains two non-mixing heat exchanger media, in the first of which pyrolysis gases leaving the retort are the heating medium, water is the cooling medium, pyrolysis gases leaving the first heat exchanger are the second medium, and gases are the heated medium recycle device contains a container for pouring ash into it through openings in the bottom with a gas tight lock gate, inside of which there is a heat exchanger for ash cooling and air heating the apparatus includes a dryer for drying the starting materials due to the heat of the gases leaving the heating chamber, as well as a carbonizer for carbonization of the dried granular substances, connected to a retort, in which the solid material is heated due to the heat of the recycle gases heated in the second heat exchanger , water vapor obtained in the first heat exchanger is fed into the retort through the gas ducts adjacent to the hole in the upper part of the retort, and the carbonizer is made in the form of a parallelepiped with a slope hydrochloric gas permeable grate locally fluidized bed at which the carbonation material moves toward the retort through the vertical partition defining layer height.

Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется схемой, показанной на фиг.1. В качестве примера гранулированного органического вещества, не ограничивающего сущность полезной модели, принята древесная щепа с исходной влажностью 40%. Расходные и температурные показатели газо-материальных потоков указаны на схеме из расчета материальных и тепловых балансов. Для других исходных органических веществ, отличающихся от древесной щепы содержанием элементов в горючей массе и исходной влажностью, эти показатели будут другими.The essence of the proposed utility model is illustrated by the circuit shown in figure 1. As an example of granular organic matter, not limiting the essence of the utility model, wood chips with an initial moisture content of 40% are adopted. Consumption and temperature indicators of gas-material flows are indicated in the diagram from the calculation of material and heat balances. For other initial organic substances that differ from wood chips in the content of elements in the combustible mass and in the initial humidity, these indicators will be different.

Устройство содержит расходный бункер 1, сушилку 2 с газоплотным шлюзовым затвором 3, карбонизатор 4 с наклонной газопроницаемой решеткой 5 и вертикальной перегородкой 6, вертикальную реторту 7 с днищем 8 и отверстиями 9 и 10 ввода перегретого пара и вывода топливных газов соответственно, обогревательную камеру 11, заключенную в теплоизоляционную оболочку 12, топку 13, емкость золы 14 с теплообменником 15 и газоплотным шлюзовым затвором 16, теплообменник 17 нагрева газов рецикла, теплообменник-парогенератор 18, теплообменник 19 нагрева воздуха, подающегося в топку, газодувку 20, смеситель 21, вентилятор 22, фильтр-пылеуловитель 23. Для целей автономного обеспечения электроэнергией устанавливается газовый дизель 24 с электрогенератором. Устройство снабжено запорно-регулирующей арматурой.The device comprises a feed hopper 1, a dryer 2 with a gas tight lock gate 3, a carbonizer 4 with an inclined gas permeable grate 5 and a vertical partition 6, a vertical retort 7 with a bottom 8 and holes 9 and 10 for introducing superheated steam and for discharging fuel gases, respectively, a heating chamber 11, enclosed in a heat-insulating shell 12, a furnace 13, an ash container 14 with a heat exchanger 15 and a gas tight lock gate 16, a recycle gas heat exchanger 17, a steam heat exchanger-18, an air heating heat exchanger 19, Osya the furnace, a blower 20, a mixer 21, a fan 22, filter dust collector 23. For the purpose of providing auxiliary power is set 24 with a diesel gas generator. The device is equipped with valves.

Устройство работает следующим образом. Из сушилки 1 подсушенный гранулированный материал, например, древесная щепа с влажностью 8-12% подается через газоплотный шлюзовой затвор 3 в карбонизатор 4. В карбонизаторе твердый материал нагревается до 400-450°С за счет теплоты газов рецикла, нагреваемых в теплообменнике 17. Газы рецикла подаются под газопроницаемую решетку 5. Решетка представляет собой набор наклонных пластин, установленных друг под другом с зазором между ними по вертикали 3-5 мм. В плане пластины перекрывают друг друга на 10-15 мм. Греющие газы рецикла, проходят по зазорам между пластинами и локально псевдоожижают слой нагреваемых частиц. Таким образом, происходит движение частиц в сторону реторты, их перемешивание с нарушением кинематических контактов, чем полностью предотвращается слипание частиц при выделении смолистых веществ. В карбонизаторе происходит выделение остаточной физически и химически связанной влаги, неконденсирующихся газов и конденсирующихся паров высокомолекулярных соединений. Твердый карбонизат пересыпается через вертикальную перегородку 6 и поступает в реторту 7 вместе с газопаровой фазой. Реторта 7 обогревается продуктами сгорания части получаемых пиролизных газов, движущимися снизу вверх по каналам обогревательной камеры 11, заключенной в теплоизоляционную оболочку 12. Продукты сгорания генерируются в топке 13. По мере движения по реторте сверху вниз материал последовательно проходит стадию экзотермических реакций образования и конденсации полиядерных ароматических соединений с образованием структуры полукокса и кокса в диапазоне 500-750°С, затем конечную стадию эндотермических реакций диссоциации высокомолекулярных конденсирующихся углеводородов и реакций углерода кокса с диоксидом углерода и водяными парами при температуре 950÷1000°С с образованием в конечном итоге смеси неконденсирующихся газов, состоящей в основном из водорода и монооксида углерода. В этой зоне происходит практически полное «выгорание» углерода кокса в основном по реакциям С+Н₂О→СО+Н₂ и С+СО₂→2СО. Для обеспечение наибольшей полноты реакции газификации углерода в реторту через отверстие 9 вводится перегретый водяной пар, генерируемый в теплообменнике-парогенераторе 18. Греющей средой в теплообменниках 17 и 18 являются получаемые в результате конверсии пиролизные газы, которые выводятся из реторты через отверстие 10.The device operates as follows. From dryer 1, dried granular material, for example, wood chips with a moisture content of 8-12%, is supplied through a gas tight lock gate 3 to a carbonizer 4. In the carbonizer, solid material is heated to 400-450 ° C due to the heat of the recycle gases heated in the heat exchanger 17. Gases recycles are fed under a gas-permeable grate 5. The grate is a set of inclined plates mounted one below the other with a vertical gap of 3-5 mm between them. In terms of plate overlap each other by 10-15 mm. The recycle heating gases pass through the gaps between the plates and locally fluidize the bed of heated particles. Thus, the particles move towards the retort, their mixing with violation of kinematic contacts, which completely prevents the particles from sticking together with the release of resinous substances. Residual physically and chemically bound moisture, non-condensing gases and condensing vapors of high molecular weight compounds are released in the carbonizer. Solid carbonizate is poured through a vertical partition 6 and enters the retort 7 together with the gas-vapor phase. The retort 7 is heated by the combustion products of a part of the produced pyrolysis gases moving from bottom to top through the channels of the heating chamber 11 enclosed in a heat-insulating sheath 12. The combustion products are generated in the furnace 13. As the material moves along the retort, it goes through the stage of exothermic reactions of formation and condensation of polynuclear aromatic compounds with the formation of the structure of semicoke and coke in the range of 500-750 ° C, then the final stage of endothermic dissociation reactions of high molecular weight non-condensable hydrocarbons and reactions of coke carbon with carbon dioxide and water vapor at a temperature of 950 ÷ 1000 ° C with the formation of ultimately a mixture of non-condensable gases, consisting mainly of hydrogen and carbon monoxide. In this zone, almost complete “burnout” of coke carbon occurs mainly through the reactions C + H ₂ O → CO + H ₂ and C + CO ₂ → 2CO. To ensure the fullest completeness of the carbon gasification reaction, the superheated steam generated in the heat exchanger-steam generator 18 is introduced through the hole 9 through the hole 9. The heating medium in the heat exchangers 17 and 18 is the pyrolysis gases resulting from the conversion, which are removed from the retort through the hole 10.

Максимальная температура материала и выходящих из реторты газов ограничивается температурой размягчения золы. Охлажденные в теплообменнике 19 пиролизные газы нагнетаются газодувкой 20 в линии подачи газов рецикла в теплообменник 17, в топку 13 и внешнему потребителю, например, в газовый дизель 24. На этих линиях устанавливается регулирующая арматура. Для интенсификации теплопередачи от греющих газов камеры обогрева движущемуся в реторте материалу каналы обогрева камеры 11 могут быть заполнены частицами огнеупорного материала. Для сокращения расхода топлива в топку 13 и обеспечения работоспособности газоплотного затвора 16, внутри емкости 14, в которую ссыпается зола через днище 8 с отверстиями, установлен теплообменник 15, в котором охлаждается зола и подогревается воздух для горения в топке 13.The maximum temperature of the material and the gases exiting the retort is limited by the softening temperature of the ash. The pyrolysis gases cooled in the heat exchanger 19 are injected by a gas blower 20 in the recycle gas supply line to the heat exchanger 17, to the furnace 13 and to an external consumer, for example, gas diesel 24. Control valves are installed on these lines. To intensify the heat transfer from the heating gases of the heating chamber to the material moving in the retort, the heating channels of the chamber 11 can be filled with particles of refractory material. To reduce fuel consumption in the furnace 13 and ensure the operability of the gas tight shutter 16, inside the tank 14, into which the ash is poured through the bottom 8 with openings, a heat exchanger 15 is installed, in which the ash is cooled and the combustion air in the furnace 13 is heated.

Некоторые расчетные параметры установки конверсии древесной щепы исходной влажности 40% приведены нижеSome calculated parameters of the installation of wood chips conversion of the initial humidity of 40% are given below.

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УСТАНОВКИBASIC SETTING INSTALLATION PARAMETERS

Расход исходной древесной щепы с влажностью 40%The consumption of the original wood chips with a moisture content of 40% 30 кг/ч30 kg / h Расход газов в топку системы обогреваGas consumption in the heating system furnace 17,55 нм³/ч17.55 nm ³ / h Расход газов на газопоршневую машинуGas consumption for a gas piston machine 18,81 нм³/ч18.81 nm ³ / h

КПД конверсии теплоты сгорания щепы в теплотуEfficiency of the conversion of the heat of combustion of wood chips to heat

сгорания газов у потребителяgas combustion at the consumer 0,70.7

Коэффициент преобразования тепловой энергииThermal energy conversion coefficient

в электрическуюinto electric 0,30.3 Выходная электрическая мощностьPower output 16,8 кВт16.8 kW

Claims

A device for the conversion of granular organic substances into gaseous fuel, including a furnace connected to a heating chamber enclosed in a heat-insulating sheath, and a vertical retort with the possibility of exit of pyrogas in the lower part of the retort, equipped with a bottom with holes, one or more holes are made in the bottom of the retort above the bottom with adjacent gas ducts for withdrawing pyrolysis gases from the retort, an opening with adjacent gas ducts is made in the upper part of the retort, while the device contains two n mixing mediums of the heat exchanger, in the first of which the heating medium is the pyrolysis gases leaving the retort, and the cooling medium is water, in the second cooling medium are the pyrolysis gases leaving the first heat exchanger, and the recycle gases are the heated medium, the device contains a container for pouring into it ash through openings in the bottom with a gas tight lock gate, inside which there is a heat exchanger for cooling the ash and heating the air entering the furnace, characterized in that the device includes sushi a compartment for drying the starting materials due to the heat of the exhaust gases from the heating chamber, as well as a carbonizer for carbonizing the dried granular substances, connected to a retort, in which the solid material is heated due to the heat of the recycle gases heated in the second heat exchanger, water vapor obtained in the first the heat exchanger is fed into the retort through the flues adjacent to the hole in the upper part of the retort, the carbonizer is made in the form of a parallelepiped with an inclined gas-permeable lattice locally pseudo a fluidized bed along which the carbonizable material moves toward the retort through a vertical partition defining the height of the bed.