EA030363B1

EA030363B1 - Способ и устройство плазменной газификации органических отходов для получения синтез-газа

Info

Publication number: EA030363B1
Application number: EA201600577A
Authority: EA
Inventors: Анатолий Степанович Аньшаков
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Электроплазменные Технологии" (Ооо "Электроплазмотех")
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-07-31
Also published as: EA201600577A1

Abstract

Изобретение относится к способу и устройству для получения синтез-газа из органических отходов в электрическом плазменном газификаторе и может быть применено в энергетике, химической промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве, экологии. Согласно изобретению в рабочем объёме плазмохимического реактора установлен газовый нагреватель с пористой крупнозернистой средой для предварительного нагрева и низкотемпературной газификации органических отходов при температуре 500-600°C и с 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 Hи CO. Техническим результатом изобретения является уменьшение затрат электрической энергии на 20-25% по сравнению с газификацией в плазмохимическом реакторе без дополнительного газового нагревателя. В газовом нагревателе может использоваться получаемый синтез-газ.

Description

Изобретение относится к способу и устройству для получения синтез-газа из органических отходов в электрическом плазменном газификаторе и может быть применено в энергетике, химической промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве, экологии. Согласно изобретению в рабочем объёме плазмохимического реактора установлен газовый нагреватель с пористой крупнозернистой средой для предварительного нагрева и низкотемпературной газификации органических отходов при температуре 500-600°С и с последующей подачей минерального и угольного остатков в область действия электрической дуги с температурой на расплаве шлаковой ванны 1400-1600°С для полной газификации углерода с получением высококалорийного синтез-газа, содержащего большое количество Н₂ и СО. Техническим результатом изобретения является уменьшение затрат электрической энергии на 20-25% по сравнению с газификацией в плазмохимическом реакторе без дополнительного газового нагревателя. В газовом нагревателе может использоваться получаемый синтез-газ.

030363 Β1

030363

Изобретение относится к способу и устройству для получения синтез-газа из органических отходов в электрическом плазменном газификаторе и может быть применено в энергетике, химической промышленности, металлургии, коммунальном хозяйстве, экологии.

Известен способ термической переработки отходов [КИ 2104445, 10.02.1998, Р23С 5/027], в котором отходы поступают непосредственно в шлаковую ванну расплава, полученную электрическим нагревом минеральной части отходов путём пропускания через него тока силой 3-5 кА. Авторы отмечают высокую степень разложения высокомолекулярных соединений за счёт высокой температуры, 1400-1600°С, 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 счёт использования дорогостоящей электрической энергии с высоким удельным расходом, до 3-4 кВт-ч/кг.

Известен способ и устройство [И8 6021723, 08.02.2000, Β01Ό 53/70, С10В 53/00, Р23С 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, шлакоприёмником. 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 об.% 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 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 счёт использования дорогостоящей электрической энергии.

Известен способ и устройство [КП 2424468, 29.06.2006, Р23С 5/027], в котором углеродсодержащий материал предварительно нагревают в отдельном газификаторе с рабочей температурой ниже температуры плавления золы 650-950°С, затем все продукты низкотемпературной газификации (газообразные, парообразные, золу и угольный остаток) подают через специальный канал в электрический плазменный реактор, имеющий среднемассовую температуру 1200-1500°С.

К недостаткам указанного изобретения следует отнести следующее:

1 - для осуществления указанного изобретения требуется изготовление дополнительного автономного низкотемпературного газификатора;

2 - при температурах ниже 800°С 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 органических отходов за счёт 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 плазменной газификации органических отходов для 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 выпол- 1 030363

няют 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 струйноплавильного плазмотрона. В качестве рабочего газа для газового нагревателя используют получаемый синтез-газ.

Согласно изобретению в устройстве плазменной газификации органических отходов для получения синтез-газа, содержащем загрузочное устройство, газовый нагреватель с пористой теплопроводной средой внутри, плазмохимический реактор, толкатель, генератор дуговой плазмы, соединённый с источником питания, устройство закалки и очистки синтез-газа, ванну расплава шлака с лёткой для слива в приемник шлака, ванну металлического расплава, соединённую с источником питания, газовый нагреватель установлен в рабочем объёме плазмохимического реактора, включает газовую горелку и штуцер отвода продуктов горения газа и содержит внутри слой пористой крупнозернистой среды такой, чтобы при прохождении через неё пламени горящего газа она нагревалась до 500-600°С и передавала тепло рабочей поверхности газового нагревателя, на которой осуществляют низкотемпературную газификацию обрабатываемого материала, подаваемого через загрузочное устройство с двумя герметично закрывающимися задвижками, установленное над поверхностью газового нагревателя, толкатель установлен таким образом, чтобы перемещать продукты низкотемпературной газификации вдоль рабочей поверхности газового нагревателя в область высокотемпературной газификации на поверхности расплавленного шлака, выполняемой с помощью генератора дуговой плазмы. В качестве генератора дуговой плазмы используют свободногорящую дугу, струйный плазмотрон или струйно-плавильный плазмотрон.

Уменьшение мощности дугового разряда достигается за счёт использования газового нагревателя. Газовый нагреватель, предназначенный для низкотемпературной газификации, расположен в плазмохимическом реакторе и содержит пористую крупнозернистую среду, которая при прохождении через неё пламени горящего газа, нагревается и передаёт 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 плазменной газификации органических отходов для получения синтез-газа включает:

1) стадию шлюзовой загрузки, при которой органические отходы подают через загрузочное устройство на рабочую поверхность газового нагревателя;

2) стадию низкотемпературной газификации, происходящей при температуре 500-600°С 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°С 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 остаётся минеральный и угольный остаток, который толкателем перемещают в зону действия электродуговой плазмы;

3) стадию перемещения с помощью толкателя твёрдых продуктов остатка процесса низкотемпературной газификации на поверхность расплавленного шлака в плазмохимическом реакторе;

4) стадию высокотемпературной газификации на поверхности расплавленного шлака с температурой 1300-1500°С с помощью генератора дуговой плазмы, в качестве которого используют графитовые электроды, стержневой и подовый, струйный плазмотрон или струйно-плавильный плазмотрон, например, выполненный по патенту КИ 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 шлакоприёмник.

Способ осуществляют в устройстве плазменной газификации органических отходов для получения синтез-газа.

На фигуре 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 - приёмник шлака; 16 - канал для подачи синтез-газа в устройство закалки и очистки.

Устройство представляет собой плазмохимический реактор 1, включающий 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; тол- 2 030363

катель 9 для перемещения продуктов низкотемпературной газификации в ванну шлакового расплава 10; графитовые электроды, струйный плазмотрон или струйно-плавильный плазмотрон 12, соединённый с источником питания 13; канал 16 для подачи синтез-газа в устройство закалки и очистки 14; ванну расплава шлака 10 с лёткой для слива в приемник шлака 15; ванну металлического расплава 11, соединенную с источником питания 13.

Газовый нагреватель с пористой крупнозернистой средой, установленный в рабочем объёме устройства, служит для предварительного нагрева и низкотемпературной газификации органических отходов при температуре 500-600°С и последующей подачей минерального и угольного остатков в область действия электрической дуги с температурой на расплаве шлаковой ванны 1400-1600°С для полной газификации углерода с получением высококалорийного синтез-газа, содержащего большое количество Н₂и 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°С через 40 мин после включения. При мощности дугового разряда 4,5 кВт среднемассовая температура в реакторе достигла 400°С через 30 мин после включения. Стационарный рабочий режим в рабочем пространстве (среднемассовая температура газа - 1200°С) 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%; И₂ - 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

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ плазменной газификации органических отходов для 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 осуществления способа по п.1, содержащее плазмохимический реактор, загрузочное устройство, газовый нагреватель с пористой теплопроводной средой внутри, толкатель, генератор дуговой плазмы, соединённый с источником питания, устройство закалки и очистки синтез-газа, ванну расплава шлака с лёткой для слива в приемник шлака, ванну металлического расплава, соединённую с источником питания, отличающееся тем, что газовый нагреватель установлен в рабочем объёме плазмохимического реактора, газовый нагреватель включает газовую горелку и штуцер отвода продуктов горения газа и содержит внутри слой пористой крупнозернистой среды такой, чтобы при прохождении через неё пламени горящего газа она нагревалась до 500-600°С и передавала тепло рабочей поверхности газового нагревателя, на которой осуществляют низкотемпературную газификацию обрабатываемого материала, подаваемого через загрузочное устройство с двумя герметично закрывающимися задвижками, установленное над поверхностью газового нагревателя, толкатель установлен таким образом, чтобы перемещать продукты низкотемпературной газификации вдоль рабочей поверхности газового нагревателя в область высокотемпературной газификации на поверхности расплавленного шлака, выполняемой с помощью генератора дуговой плазмы.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве генератора дуговой плазмы используют свободногорящую дугу, струйный плазмотрон, струйно-плавильный плазмотрон.

- 3 030363