[go: up one dir, main page]

RU2616079C1 - Способ и устройство для плазменной газификации твёрдого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа - Google Patents

Способ и устройство для плазменной газификации твёрдого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа Download PDF

Info

Publication number
RU2616079C1
RU2616079C1 RU2015144833A RU2015144833A RU2616079C1 RU 2616079 C1 RU2616079 C1 RU 2616079C1 RU 2015144833 A RU2015144833 A RU 2015144833A RU 2015144833 A RU2015144833 A RU 2015144833A RU 2616079 C1 RU2616079 C1 RU 2616079C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
synthesis gas
gas
arc
gas heater
Prior art date
Application number
RU2015144833A
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Степанович Аньшаков
Валентин Александрович Фалеев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority to RU2015144833A priority Critical patent/RU2616079C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2616079C1 publication Critical patent/RU2616079C1/ru

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству для получения синтез-газа из твердых углеродсодержащих топлив и может быть применено в энергетике, химической промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве, экологии. Способ получения синтез-газа включает шлюзовую загрузку материала, низкотемпературную газификацию на рабочей поверхности расположенного в плазмохимическом реакторе газового нагревателя с пористой крупнозернистой теплопроводной средой внутри, высокотемпературную газификацию на поверхности расплавленного шлака с помощью свободногорящей дуги генератора дуговой плазмы, струйного плазмотрона и струйно-плавильного плазмотрона, очистку и закалку синтез-газа и слив жидкого шлака. Устройство содержит загрузочное устройство, газовый нагреватель с пористой теплопроводной средой внутри, плазмохимический реактор с генератором дуговой плазмы, устройство закалки и очистки синтез-газа, приемник шлака, при этом газовый нагреватель расположен в плазмохимическом реакторе и содержит пористую крупнозернистую среду. Изобретение обеспечивает уменьшение затрат электрической энергии. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

Description

Изобретение относится к способу и устройству для получения синтез-газа из твердых углеродсодержащих топлив (уголь, сланец, торф, бытовые и промышленные отходы, биоорганические отходы и т.п.), а именно, в электрическом плазменном газификаторе и может быть применено в энергетике, химической промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве, экологии.
Известен способ термической переработки отходов [RU 2104445, 10.02.1998, F23G 5/027], в котором отходы поступают непосредственно в шлаковую ванну расплава, полученную электрическим нагревом минеральной части отходов путем пропускания через него тока силой 3-5 кА. Авторы отмечают высокую степень разложения высокомолекулярных соединений за счет высокой температуры, 1400-1600°C, в шлаковой ванне расплава и, следовательно, значительного увеличения скоростей химических реакций и эффективности газификации.
Существенным недостатком указанного способа является то, что нагрев шлака осуществляют исключительно за счет использования дорогостоящей электрической энергии с высоким удельным расходом, до 3-4 кВт⋅ч/кг.
Известен способ и устройство [US 6021723, 8.02.2000, B01D 53/70, С10В 53/00, F23G 5/027], в котором авторы, используя струйные плазмотроны, при обработке опасных хлорорганических отходов получили синтез-газ с высоким содержанием Н2 и СО, а также товарную соляную кислоту.
Недостатком указанного изобретения является то, что используют исключительно дорогостоящую электрическую энергию с удельным расходом 2-3 кВт⋅ч/кг.
Известен плазменный газификатор для переработки углеродсодержащих материалов [Аньшаков А.С., Фалеев В.А., Даниленко А.А. и др. Исследования плазменной газификации углеродсодержащих техногенных отходов // Теплофизика и аэромеханика, 2007. Т 14, №4. С 639-650], представляющий собой футерованную печь с системой загрузки отходов, графитовыми электродами с источником питания, системой очистки и закалки синтез-газа, шлакоприемником. Отходы подаются через узел загрузки на поверхность расплавленного металла, находящегося в графитовом тигле. Выполненные исследования показали, что в составе полученного синтез-газа содержится более 90% объемных СО и Н2 для режимов без подачи воздуха в реакционную зону. Такой горючий газ пригоден для использования в энергетике для розжига пылеугольных потоков и в химической промышленности для синтеза моторных топлив. При этом удельные затраты электрической энергии составляют от 0,6 кВт⋅ч/кг до 1,2 кВт⋅ч/кг углеродсодержащего материала в зависимости от морфологического состава и его влажности.
Существенным недостатком указанного способа и устройства является то, что электродуговой нагрев осуществляют исключительно за счет использования дорогостоящей электрической энергии.
Известен способ и устройство [RU 2424468, 29.06.2006, F23G 5/027], в котором углеродсодержащий материал предварительно нагревают в отдельном газификаторе с рабочей температурой ниже температуры плавления золы (650-950)°C, затем все продукты низкотемпературной газификации (газообразные, парообразные, золу и угольный остаток) подают через специальный канал в электрический плазменный реактор, имеющий среднемассовую температуру (1200-1500)°C.
К недостаткам указанного изобретения следует отнести следующее:
1 - для осуществления указанного изобретения требуется изготовление дополнительного автономного низкотемпературного газификатора;
2 - при температурах ниже 800°C возможно отложение смолистых высокомолекулярных соединений на стенках этого газификатора и на стенках переходного канала, которые будут нарушать режим нагрева и режим перемещения продуктов, что может существенно увеличить расход тепла на газификацию;
3 - при температурах выше температуры плавления золы будет происходить зашлаковывание газификатора и увеличение расхода тепловой энергии;
4 - при обработке смеси различных материалов (например, бытовые отходы) возможна ситуация, когда локальная рабочая температура низкотемпературного газификатора будет выше температуры плавления золы для одного компонента смеси, а у другого компонента при этой температуре будут интенсивно выделяться смолистые высокомолекулярные соединения, что может привести к проблемам транспортировки из низкотемпературного газификатора в плазменный реактор и увеличению тепловых затрат;
5 - высокие удельные энергозатраты на переработку единицы массы отходов, составляющие 2-5 кВт⋅ч/кг.
Целью изобретения является уменьшение удельных затрат электрической энергии на переработку единицы углеродсодержащих материалов за счет уменьшения мощности дугового разряда.
Поставленная цель в предложенном способе и устройстве достигается тем, что в плазмохимическом реакторе располагают газовый нагреватель, содержащий пористую крупнозернистую среду.
Согласно изобретению в способе газификации твердого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа, включающем шлюзовую загрузку обрабатываемого материала, низкотемпературную газификацию на рабочей поверхности газового нагревателя с пористой теплопроводной средой внутри, высокотемпературную газификацию на поверхности расплавленного шлака с помощью генератора дуговой плазмы, очистку и закалку синтез-газа, слив жидкого шлака, низкотемпературную газификацию выполняют на рабочей поверхности расположенного в плазмохимическом реакторе газового нагревателя с пористой крупнозернистой средой внутри, высокотемпературную газификацию на поверхности расплавленного шлака выполняют с помощью свободногорящей дуги, струйного плазмотрона и струйно-плавильного плазмотрона. В качестве рабочего газа для газового нагревателя используют получаемый синтез-газ.
Согласно изобретению в устройстве для газификации твердого углеродсодержащего материала, содержащем загрузочное устройство, газовый нагреватель с пористой теплопроводной средой внутри, плазмохимический реактор с генератором дуговой плазмы, устройство закалки и очистки синтез-газа, приемник шлака, газовый нагреватель расположен в плазмохимическом реакторе и содержит пористую крупнозернистую среду. В качестве генератора дуговой плазмы используют свободногорящую дугу, струйный плазмотрон или струйно-плавильный плазмотрон.
Уменьшение мощности дугового разряда достигается за счет использования газового нагревателя. Газовый нагреватель, предназначенный для низкотемпературной газификации, расположен в плазмохимическом реакторе и содержит пористую крупнозернистую среду, которая при прохождении через нее пламени горящего газа, нагревается и передает тепло рабочей поверхности нагревателя, при этом теплоотдача к обрабатываемому материалу и КПД устройства значительно увеличиваются.
В качестве рабочего газа для нагревателя может частично использоваться получаемый синтез-газ.
Способ газификации твердого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа включает:
1) стадию шлюзовой загрузки, при которой углеродсодержащие материалы подают через загрузочное устройство на рабочую поверхность газового нагревателя;
2) стадию низкотемпературной газификации, происходящей при температуре 500-600°C на металлической рабочей поверхности газового нагревателя, имеющего слой пористой крупнозернистой среды.
На обрабатываемый материал действуют снизу основной тепловой поток от продуктов горения газа, а сверху и с боков потоки тепла от нагретого до среднемассовой температуры 1200°C газа и от излучения дугового разряда или плазменной струи. В результате материал нагревается, из него испаряется влага и выходят газообразные и парообразные летучие вещества, а на поверхности нагревателя остается минеральный и угольный остаток, который толкателем перемещают в зону действия электродуговой плазмы.
3) стадию перемещения с помощью толкателя твердых продуктов остатка процесса низкотемпературной газификации на поверхность расплавленного шлака в плазмохимическом реакторе;
4) стадию высокотемпературной газификации на поверхности расплавленного шлака с температурой (1300-1500)°C с помощью генератора дуговой плазмы, в качестве которого используют:
- графитовые электроды, стержневой и подовый,
- струйный плазмотрон,
- струйно-плавильный плазмотрон, например, выполненный по патенту RU 2464748.
Смолистые высокомолекулярные соединения под действием излучения дуги и конвективного нагрева от газовой среды газифицируются до Н2 и СО, а в случае локального превышения температуры плавления золы жидкий шлак стекает в зону действия плазмы дугового разряда самотеком.
5) стадию закалки и очистки синтез-газа, включающую подачу продуктов газификации через канал подачи синтез-газа в устройство закалки и очистки.
6) стадию слива избыточного слоя расплавленного шлака в шлакоприемник.
Способ осуществляют в устройстве плазменной газификации твердого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа. На фиг. 1 приведена схема устройства. Где: 1 - плазмохимический реактор; 2 - загрузочное устройство; 3 - задвижки загрузочного устройства; 4 - газовый нагреватель; 5 - рабочая поверхность нагревателя; 6 - газовая горелка; 7 - слой пористой крупнозернистой среды; 8 - штуцер; 9 - толкатель; 10 - ванна расплава шлака; 11 - ванна металлического расплава; 12 - генератор дуговой плазмы (свободногорящая дуга, струйный плазмотрон или струйно-плавильный плазмотрон); 13 - источник питания; 14 - устройство закалки и очистки синтез-газа, 15 - приемник шлака; 16 - канал для подачи синтез-газа в устройство закалки и очистки.
Устройство представляет собой плазмохимический реактор 1 и включает загрузочное устройство 2 с двумя герметично закрывающимися задвижками 3; газовый нагреватель 4 с газовой горелкой 6, со слоем пористой крупнозернистой среды 7 внутри и штуцером 8 для отвода продуктов горения газа; толкатель 9 для перемещения продуктов низкотемпературной газификации в ванну шлакового расплава 10; графитовые электроды, струйный плазмотрон или струйно-плавильный плазмотрон 12, соединенный с источником питания 13; канал 16 для подачи синтез-газа в устройство закалки и очистки 14; ванну расплава шлака 10 с леткой для слива в приемник шлака 15; ванну металлического расплава 11, соединенную с источником питания 13.
Газовый нагреватель с пористой крупнозернистой средой, установленный в рабочем объеме устройства, служит для предварительного нагрева и низкотемпературной газификации углеродсодержащего материала при температуре (500-600)°C и последующей подачей минерального и угольного остатков в область действия электрической дуги с температурой на расплаве шлаковой ванны (1400-1600)°C для полной газификации углерода с получением высококалорийного синтез-газа, содержащего большое количество Н2 и СО.
Пример
Испытания газификатора проведены при раздельной и совместной работе газового нагревателя с фильтрующим пористым крупнозернистым слоем внутри и дугового разряда, создаваемого генератором дуговой плазмы. Мощность газового нагревателя составляла (2-4) кВт, внутри газового нагревателя происходило сгорание пропано-воздушной стехиометрической смеси, и продукты горения нагревали фильтрующий слой и через него рабочую поверхность нагревателя. При мощности газового нагревателя 2 кВт среднемассовая температура на поверхности нагревателя достигла величины 500°C через 40 минут после включения. При мощности дугового разряда 4,5 кВт среднемассовая температура в реакторе достигла 400°C через 30 минут после включения. Стационарный рабочий режим в рабочем пространстве (среднемассовая температура газа - 1200°C) достигался при мощности дуги 8 кВт и мощности газового нагревателя 2-3 кВт. При этом затраты электрической энергии снижались на 20-30% по сравнению с газификацией в плазмохимическом реакторе без газового нагревателя, а полученный синтез-газ при обработке древесных опилок имел состав: СО - 26,34%; Н2 - 60,7%; СН4 - 0,32%; N2 - 5,8%.
Таким образом, дополнительная теплота от газонагревателя приводит к снижению электрической мощности источника электродуговой плазмы на 20-30%, что способствует снижению удельных энергозатрат плазменной газификации топлив, а также увеличению ресурса работы плазмогенератора.
Также следует отметить, что получаемый синтез-газ отличается высокой калорийностью, 10-13 МДж/м3.

Claims (4)

1. Способ газификации твердого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа, включающий шлюзовую загрузку обрабатываемого материала, низкотемпературную газификацию на рабочей поверхности газового нагревателя с пористой теплопроводной средой внутри, высокотемпературную газификацию на поверхности расплавленного шлака с помощью генератора дуговой плазмы, очистку и закалку синтез-газа, слив жидкого шлака, отличающийся тем, что низкотемпературную газификацию выполняют на рабочей поверхности расположенного в плазмохимическом реакторе газового нагревателя с пористой крупнозернистой средой внутри, высокотемпературную газификацию на поверхности расплавленного шлака выполняют с помощью свободногорящей дуги, струйного плазмотрона и струйно-плавильного плазмотрона.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего газа для газового нагревателя используют получаемый синтез-газ.
3. Устройство для газификации твердого углеродсодержащего материала, содержащее загрузочное устройство, газовый нагреватель с пористой теплопроводной средой внутри, плазмохимический реактор с генератором дуговой плазмы, устройство закалки и очистки синтез-газа, приемник шлака, отличающееся тем, что газовый нагреватель расположен в плазмохимическом реакторе и содержит пористую крупнозернистую среду.
4. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что в качестве генератора дуговой плазмы используют свободногорящую дугу, струйный плазмотрон, струйно-плавильный плазмотрон.
RU2015144833A 2015-10-19 2015-10-19 Способ и устройство для плазменной газификации твёрдого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа RU2616079C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015144833A RU2616079C1 (ru) 2015-10-19 2015-10-19 Способ и устройство для плазменной газификации твёрдого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015144833A RU2616079C1 (ru) 2015-10-19 2015-10-19 Способ и устройство для плазменной газификации твёрдого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2616079C1 true RU2616079C1 (ru) 2017-04-12

Family

ID=58642417

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015144833A RU2616079C1 (ru) 2015-10-19 2015-10-19 Способ и устройство для плазменной газификации твёрдого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2616079C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680135C1 (ru) * 2018-08-31 2019-02-15 Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственная Фирма "Эко-Страна" Устройство и способ плазменной газификации углеродсодержащего материала и установка для генерирования тепловой/электрической энергии, в которой используется указанное устройство

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2104445C1 (ru) * 1993-04-16 1998-02-10 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Термоэкология" Способ термической переработки отходов
US6021723A (en) * 1997-06-04 2000-02-08 John A. Vallomy Hazardous waste treatment method and apparatus
RU2424468C2 (ru) * 2005-06-29 2011-07-20 Эдванст Плазма Пауэр Лимитед Способ и устройство для обработки отходов

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2104445C1 (ru) * 1993-04-16 1998-02-10 Товарищество с ограниченной ответственностью Научно-производственная фирма "Термоэкология" Способ термической переработки отходов
US6021723A (en) * 1997-06-04 2000-02-08 John A. Vallomy Hazardous waste treatment method and apparatus
RU2424468C2 (ru) * 2005-06-29 2011-07-20 Эдванст Плазма Пауэр Лимитед Способ и устройство для обработки отходов

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
АНЬШАКОВ А.С., ФАЛЕЕВ В.А., ДАНИЛЕНКО А.А., УРБАХ Э.К., УРБАХ А.Э. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕРОДОСОДЕРЖАЩИХ ТЕХНОГЕННЫХ ОТХОДОВ. ТЕПЛОФИЗИКА И АЭРОМЕХАНИКА, 2007, ТОМ 14, НОМЕР 4. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2680135C1 (ru) * 2018-08-31 2019-02-15 Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственная Фирма "Эко-Страна" Устройство и способ плазменной газификации углеродсодержащего материала и установка для генерирования тепловой/электрической энергии, в которой используется указанное устройство

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5734230B2 (ja) 廃棄物処理方法および装置
KR101298907B1 (ko) 폐기물 처리 방법 및 장치
WO2013106004A1 (en) Multi-ring plasma pyrolysis chamber
WO2008138118A1 (en) A system comprising the gasification of fossil fuels to process unconventional oil sources
US4472245A (en) Process for continuous thermal treatment of carbonizable material
JP5180917B2 (ja) 廃棄物溶融処理方法および廃棄物溶融処理装置
AU777849B2 (en) Method and device for disposing of waste products
An’Shakov et al. Investigation of plasma gasification of carbonaceous technogeneous wastes
RU2616079C1 (ru) Способ и устройство для плазменной газификации твёрдого углеродсодержащего материала и получения синтез-газа
EA030363B1 (ru) Способ и устройство плазменной газификации органических отходов для получения синтез-газа
Sergeev et al. Gasification and plasma gasification as type of the thermal waste utilization
JPH11131078A (ja) 熱分解生成物からの燃料ガス及び合成ガスの産出のための方法
KR100340263B1 (ko) 플라즈마 열분해/용융에 의한 고수분 함량 혼합 폐기물의 처리 장치 및 방법
RU2569667C1 (ru) Способ и устройство переработки углеводородного материала в топливные компоненты путем газификации (пиролиза)
RU2638558C1 (ru) Способ термической переработки кека иловых осадков в шлаковом расплаве
JP2010038535A (ja) 廃棄物溶融処理方法および廃棄物溶融処理装置
CN106016302B (zh) 一种含碳残渣减量化方法及其装置
Domarov et al. Incinerator for thermal cleaning of ash and slag waste
EE201900032A (et) Elektrotermiline reaktor
JPH11201429A (ja) ガス化溶融方法及び装置
UA13629U (en) Method for waste utilization
UA30949U (ru) Способ газификации твердых углеродсодержащих топлив с применением низкотемпературной плазмы
UA18708U (en) Apparatus for waste utilization
HK1109197B (en) Waste treatment process and apparatus
UA79548C2 (en) Method for waste utilization

Legal Events

Date Code Title Description
QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20190903