Способ газификации твердого топлива и устройство для его осуществления

Способ газификации твердого топлива и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области химической технологии и теплоэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергоресурсов и местных видов топлива, в частности, биомассы и местного низкосортного углеродсодержащего сырья, в том числе битуминозного (древесины, торфа, бурых углей, различных сельскохозяйственных отходов), включая утилизацию твердых бытовых и промышленных углеродсодержащих отходов, путем газификации с получением горючего топливного газа, содержащего оксид углерода и водород, для последующего использования в качестве силового газа в транспортных и энергетических установках.

Приоритетным направлением научно-технического прогресса в энергетике является создание и развитие эффективных технологий использования местных энергоресурсов для построения устойчивой системы децентрализованного энергоснабжения с сопутствующим решением все более актуальной задачи утилизации твердых городских (бытовых) отходов.

Так, «Энергетическая стратегия России на период до 2030 года» предусматривает «…развитие малой энергетики в зоне децентрализованного энергоснабжения за счет повышения эффективности использования местных энергоресурсов, в том числе новых видов топлива, получаемых из различных видов биомассы», которая относится к низкосортным видам топлива с высокой влажностью (до 85% и более), малой энергетической плотностью, низкой теплотой сгорания, неоднородностью фракционного состава, но при этом обладает весомыми преимуществами по сравнению с ископаемыми углеродсодержащими видами сырья: возобновляемость, почти полное отсутствие серы, а также других вредных для оборудования и окружающей среды химических элементов и соединений, распространенность и доступность. Нерафинированная некондиционная биомасса (древесные отходы, отходы сельскохозяйственной деятельности, отходы производства и потребления, в том числе твердые коммунальные отходы.), а также иные местные виды топлив, прежде всего на основе низкосортного твердого углеродсодержащего сырья (торф и продукты его переработки, бурые угли), в совокупности составляют топливные ресурсы, использование которых потенциально возможно в районах (территориях) их образования, производства, добычи и экономическая эффективность потребления которых ограничена районами (территориями) их происхождения /Постановление Правительства РФ от 22.022012 г. N 154 «О требованиях к схемам теплоснабжения, порядку их разработки и утверждения»/. Они представляют собой дешевый (с низкой, нулевой или отрицательной стоимостью) и практически не используемый в настоящее время источник местных энергоресурсов.

Наиболее универсальным способом, позволяющим использовать такие виды сырья, является их высокотемпературная термохимическая конверсия, или газификация - сжигание при температурах 800-1300°С в присутствии воздуха или кислорода и водяного пара с получением топливного (иначе генераторного) газа - смеси H₂, СО, СО₂, NO_x, СН₄ /ГОСТ Р 54531-2011 Нетрадиционные технологии. Возобновляемые и альтернативные источники энергии. Термины и определения/, проводимая в газификаторах (иначе: реакторах-газификаторах, газогенераторах, конвертерах), который в зависимости от его качества используется в дальнейшем в энергетической установке (сжигается в котельном агрегате или используется в качестве силового газа, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателе - газопоршневой или газотурбинной установке).

В связи с этим актуальной является проблема создания высокотехнологичного компактного оборудования газификации для модульных автономных малых энергоустановок для применения в локальной малой энергетике, в качестве источников электроэнергии глубокого резерва на территориях с возможными долговременными чрезвычайными ситуациями, для оснащения станций зарядки электромобилей на природоохранных и иных территориях, при экологически чистой утилизации отходов (в качестве альтернативы мусоросжигательным технологиям).

Существующие технологии и конструкции газификации твердых (конденсированных) углеродсодержащих топлив весьма разнообразны /А. Самылин, М. Яшин. Современные конструкции газогенераторных установок. - ЛесПромИнформ, №1, 2009, с. 78-85; Железная Т.А., Гелетуха Г.Г. Обзор современных технологий газификации биомассы. - Пром. теплотехника, 2006, т. 28, №2, с. 61-75; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М.: Инфра-Инженерия, 2012 - 504 с., с. 263-271/. С экологической точки зрения их главным преимуществом является сравнительно низкий уровень негативного воздействия на окружающую среду. Это, в первую очередь, обусловлено достаточно продолжительным (особенно для газификации в плотном слое) нахождением газообразных продуктов газификации конденсированных топлив сначала в зоне окисления (горения) при температурах от 1000…1200°С и выше, а затем в восстановительной (бескислородной) зоне формирования горючего топливного газа. При таких условиях происходит термическое разложение и восстановительное дехлорирование наиболее опасных веществ - диоксинов, фуранов, полихлорбифенилов, бенз(а)пиренов и других полициклических ароматических углеводородов.

Опыт долговременного использования топливного (генераторного) газа в двигателях или турбинах до сих пор невелик. С точки зрения капитальных затрат, которые выше по сравнению со станциями, работающими на ископаемом топливе, экономически рентабельная работа газификационной установки во многих случаях возможна только при использовании очень дешевого сырья. Интерес к газификационным технологиям все более смещается от производства только тепловой энергии к возможности комбинированной выработки тепловой и электрической энергии.

Несмотря на заметный прогресс, достигнутый в последние годы, система очистки газа является критической составляющей любой газификационной установки. Продолжаются поиски оптимальных решений для достижения требуемых уровней очистки при минимальных затратах. Кроме того, существующее оборудование (установки, реакторы) газификации имеет низкую энергоэффективность, не отвечает современным требованиям по ряду эксплуатационно-технических характеристик, и в первую очередь, по компактности, простоте и удобству обслуживания, надежности, рабочему ресурсу, универсальности по сырью, а также по экологической безопасности, что ограничивает его конкурентоспособность на мировом энергетическом рынке.

Известные технологии (схемы) газификации /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г. 360 с. с илл.; Биомасса как источник энергии. Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М., Мир, 1985; Г.Г. Токарев. Газогенераторные автомобили. Гос. науч.-тех. изд-во машиностр. лит., М., 1955; Колеров Л.К. Газомоторные установки. М., Машгиз 1951 г./ различаются по месту подвода воздуха и отбора горючего топливного газа в газификаторах и разделяются на технологии и, соответственно, реакторы-газификаторы прямого, обратного (обращенного) и горизонтального процесса.

В газификаторах прямого процесса перемещение твердого углеродсодержащего топлива (далее - топлива) и газообразного носителя кислорода (воздуха, воздуха с повышенным содержанием кислорода, кислорода) происходит в противоположных направлениях. Газификаторы такого типа достаточно широко распространены и представляют собой, как правило, шахту, внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом, сверху этой шахты загружается топливо, а снизу подается газообразный носитель кислорода. Слой топлива поддерживается либо колосниковой решеткой, либо слоем твердых остатков газификации - золы. Горючий топливный газ отводится в верхней зоне шахты. Конструкции газификаторов такого типа отличаются выполнением отдельных конструктивных элементов, взаимное расположение которых, как правило, остается неизменным. Процессы образования газов в слое топлива в таких газификаторах протекают следующим образом. Подаваемый через нижнюю зону газогенератора газообразный носитель кислорода вначале проходит через зону золы, где он немного подогревается, а далее поступает в раскаленный слой топлива (окислительная зона), где кислород вступает в реакцию с горючими элементами топлива. Образовавшиеся продукты горения, поднимаясь вверх и встречаясь с раскаленным топливом (зона восстановления), восстанавливаются до окиси углерода и водорода. При дальнейшем движении вверх сильно нагретых продуктов восстановления происходит термическое разложение (сухая перегонка) топлива (зона пиролиза) и продукты восстановления обогащаются продуктами разложения (газами, смоляными и водяными парами). В результате разложения топлива образуются вначале полукокс, а затем и кокс, на поверхности которых при их опускании вниз происходит восстановление продуктов горения. При опускании еще ниже происходит горение кокса. В верхней части газификатора происходит сушка топлива теплом поднимающихся газов и паров, при отборе горячего газа (с температурой до 300°С и выше) продукты газификации смешиваются с продуктами, полученными в зонах подсушки и сухой перегонки (пиролиза).

Прямой процесс почти не накладывает ограничений на вид и влажность топлива, но при этом получаемый газ очень загрязнен и содержит большое количество пиролизных смол, паров воды, пылевидных частиц и т.д. Для его дальнейшего использования требуется глубокая очистка с использованием дорогостоящего оборудования.

Таким образом, процесс в газификаторе в целом является комбинацией двух самостоятельных процессов - сухой перегонки и собственно газификации. При прямом процессе газификации из некоторых сортов топлива (т.н. битуминозного топлива) получается газ с большим содержанием смолы. Это делает газ неприемлемым для применения в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания без их специальной очистки. При газификации этим способом древесины и торфа в продуктах сухой перегонки содержится также уксусная кислота и другие нежелательные примеси (фенолы и др.). Очистка газа от смол принципиально возможна с применением дезинтеграторов, электрофильтров, что усложняет и удорожает весь технологический процесс.

В связи с изложенным на практике прямой процесс газификации используется при применении топлив с небольшим выходом летучих (антрацит, кокс, полукокс, древесный уголь).

В обращенном процессе газификации топливо и газообразный носитель кислорода перемещаются в попутном направлении. Газификаторы обращенного процесса, как правило, также представляют собой шахту, внутренние стенки которой выложены огнеупорным материалом, сверху этой шахты загружается топливо, а в средней по вертикали зоне, как правило, через фурмы подается газообразный носитель кислорода. Слой топлива поддерживается либо колосниковой решеткой, либо слоем золы. Топливный газ отводится в нижней зоне шахты. Конструкции газификаторов такого типа отличаются выполнением отдельных конструктивных элементов, взаимное расположение которых, как правило, остается неизменным. Так как отвод образовавшегося газа (с температурой 400…500°С) осуществляется через нижнюю зону газификатора, то зона горения (окисления) находится в плоскости фурм, ниже этой зоны следует зона восстановления, над зоной горения располагается зона пирогенетического разложения топлива, происходящего за счет тепла раскаленного горящего кокса. Сушка самого верхнего слоя топлива в таких газификаторах происходит за счет передачи тепла от зоны пирогенетического разложения топлива. Основным недостатком является то, что обращенный процесс накладывает ограничения на влажность топлива (ввиду отсутствия активной зоны подсушки), что вызывает необходимость в топливоподготовке, но при этом обеспечивает получение более чистого газа с относительно малым содержанием пиролизных смол и других примесей, т.к. все продукты сухой перегонки проходят через высокотемпературную реакционную зону.

При горизонтальном процессе воздух подводится через фурму, расположенную сбоку в нижней части газификатора, газоотборная решетка располагается с противоположной стороны, а на небольшом пространстве между ними сосредоточена активная, или реакционная зона (окисления/восстановления), над которой располагается зона сухой перегонки и выше - зона подсушки топлива. Этот газификатор обладает достаточно простой конструкцией и гибкостью работы, однако не может обеспечить образование бессмольного газа и не пригоден для газификации битуминозных, а также многозольных топлив.

Наиболее перспективными с точки зрения повышения эффективности являются комбинированные технологии (схемы) и, соответственно, газификаторы, которые позволяют использовать преимущества как прямого, так и обратного процессов газификации, в частности, на базе двухзонного процесса газификации /Колеров Л.К. Газомоторные установки. М., Машгиз 1951 г., с. 12-15/. Газификатор имеет две реакционные зоны (каждая включает зону окисления и зону восстановления), причем в верхней части реактора (верхней реакционной зоне) топливо газифицируется по обращенному процессу, а в нижней части (нижней реакционной зоне) по прямому процессу газифицируется кокс, образовавшийся по мере прохождения топлива через верхнюю зону. Отбор газа осуществляется между зонами восстановления, а зола удаляется во время работы реактора. Процесс благоприятен для газификации битуминозных топлив повышенной зольности, однако, не устраняя в достаточной степени недостатки прямого и обращенного процессов, имеет также специфические недостатки, связанные с высокой температурой получаемого газа (до 700°С) и сложностью регулировки воздушного и паровоздушного дутья.

Низкосортное углеродсодержащее сырье, которое предназначено для использования в качестве топлива в настоящем изобретении, как правило, характеризуется повышенным содержанием золы и/или смол, а также влаги. В связи с этим горючий топливный газ, получаемый из такого сырья по существующим технологиям (схемам) газификации, обладает свойствами, не позволяющими использовать его в качестве силового, т.е. для непосредственного получения энергии в двигателе - газопоршневой или газотурбинной установке, а именно:

- высокую температуру (300…700°С) и, соответственно, малую плотность, что приводит к ухудшению наполнения двигателя и падению его мощности;

- низкую объемную теплотворность вследствие большого содержания балласта (азота воздуха, влаги, углекислого газа); так, для наиболее калорийного газа, получаемого при воздушном дутье, - менее 4000 кДж/м³ сухого газа, для наиболее калорийного на парокислородном дутье под давлением - около 15000 кДж/м³;

- высокое содержание вредных примесей (зола, угольная пыль, сажа, смолистые вещества, сернистые соединения, влага), которые нарушают нормальную работу двигателя, вызывают преждевременный износ трущихся деталей и отказ двигателя.

Кроме того, для наиболее распространенных аппаратных решений реакторов-газификаторов (шахтного типа), которые основаны на движении (перемещении) газифицируемого твердого кускового (измельченного) топлива под действием собственного веса, не решенной проблемой остается обеспечение стабильности протекания горения. Поскольку перерабатываемые материалы (особенно это касается низкосортного сырья) зачастую имеют неравномерную газопроницаемость и склонны к слипанию при пиролизе, сводообразованию и зависанию на стенках реактора, то и фронт пиролиза и газификации может распространяться по сечению реактора неравномерно. В слое перерабатываемого сырья могут образоваться «прогары», по которым преимущественно протекает газовый поток, происходят обрушения материала в полости, образованные при горении, и одновременно могут формироваться практически газонепроницаемые области. Как следствие, распределение температуры в зоне горения оказывается неоднородным и плохо управляемым, что ведет к снижению качества газа.

Таким образом, для практического применения топливного силового газа, особенно получаемого из низкосортного сырья, требуется в том или ином виде использование системы его кондиционирования, как правило, многоэтапной и включающей достаточно сложное и дорогостоящее оборудование охлаждения, осушки и очистки газа (скрубберы, циклоны, электрофильтры, фильтры-нейтрализаторы и т.п.) /Колеров Л.К. Газомоторные установки. М., Машгиз 1951 г., с. 15-17; Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г., с. 248-249/, что существенно ограничивает область эффективного использования установок газификации и снижает их технико-экономические и эксплуатационно-технические характеристики.

Известен ряд технических решений, направленных на повышение эффективности газификации углеродсодержащего, и в частности, низкосортного сырья.

Так, известен «Способ регулирования получения горючего газа и устройство для получения горючего газа» (Евразийский патент 000184 В1, дата публ. 24.12.1998), где для повышения чистоты газа и более полного использования углерода сырья газифицирующее средство в реактивную зону вертикального реактора подводят снизу через колосниковую решетку и/или сверху и сбоку, а отвод газа осуществляют на стороне, противолежащей боковому подводу газифицирующего средства, что способствует перемешиванию слоев газифицируемого сырья, при этом регулируют вертикальное положение реакционной зоны скоростью вывода золы, оптимальную температуру газообразования через поток газифицирующего средства, производительность через установку ширины реакционной зоны путем согласованного регулирования подачи газифицирующего средства и вывода золы. Для осуществления способа предусмотрена колосниковая ступенчатая решетка с приводом для ее переталкивающего перемещения и уплотнения частично газифицированного топлива, а кожух реактора снабжен теплоизоляцией в виде двухслойной изолирующе-охлаждающей системы с перфорированной перегородкой между внешним и внутренним слоями, а охлаждающим агентом является воздух, используемый в качестве газифицирующего средства. Предлагаемое решение представляется недостаточно надежным и сложным ввиду необходимости сортировки и подготовки сырья и наличия движущихся частей в высокотемпературной зоне (колосниковая решетка), а достигаемый эффект недостаточным.

Известен также «Газификатор и способ газификации твердого топлива» (Евразийский патент 009349 В1, дата публ. 28.12.2007) на основе двухзонной схемы газификации, содержащий стадии частичного окисления топлива из биомассы в первой зоне окисления для производства растительного угля, восстановления растительного угля в зоне восстановления для образования золы, дополнительного окисления любого остатка растительного угля в золе во второй зоне окисления, извлечения потока горючего, произведенного на вышеупомянутых стадиях, посредством выпускной трубы, причем в первой зоне окисления поток газа имеет то же самое направление, что и поток топлива, а во второй зоне окисления поток газа имеет направление, противоположное потоку топлива. Поток горючего при температуре примерно 850°С, произведенный в обеих зонах, проходит через перфорированное коническое кольцо, которое наполнено микропористым полимером-катализатором, для того, чтобы осуществить крекинг остаточного жидкого продукта перегонки перед тем, как он выйдет из газификатора. Таким образом предполагается осуществлять очистку газа, однако это ведет к усложнению и удорожанию установки, а также повышает эксплуатационные издержки

Известный «Способ газификации твердого углеродсодержащего топлива, в том числе углеродсодержащих отходов и газогенератор» (Евразийский патент 014373, дата публ. 29.10.2010) предполагает подачу в вертикально ориентированный газогенератор углеродсодержащего топлива сверху вниз и потока газообразного носителя кислорода по направлению движения углеродсодержащего топлива и отвод горючего газа из нижней зоны газогенератора. Поток газообразного носителя кислорода подают в среднюю по вертикали зону газогенератора по всему периметру с одновременным формированием направленных вниз по направлению движения углеродсодержащего топлива и направленных вверх против направления движения углеродсодержащего топлива потоков, при этом дополнительно осуществляют отвод горючего газа из верхней зоны газогенератора. Указанное техническое решение сочетают в себе преимущества прямого и обратного процесса газификации, но и не исключает недостатки двухзонного процесса.

В известном «Способе подготовки топлива, в том числе, к сжиганию и устройстве для его осуществления» (патент RU 2301374, Кондра Е.И. и др., дата публ. 20.06.2007) топливо подают в реактор, перемещают его навстречу газообразному окислителю, содержащему кислород, и получают кокс в области пиролиза и коксования топлива, расположенной в реакторе между местами ввода в реактор топлива и окислителя. Кокс обрабатывают паром, образующимся при подаче в реактор типа туннельной печи воды для охлаждения твердого остатка или целевого продукта перед его выгрузкой из реактора. Водяной газ, получающийся при взаимодействии кокса с парами воды, либо выводят из реактора для использования в качестве топливного газа тепловой машины, либо направляют навстречу перемещаемому по реактору коксу к месту ввода в реактор окислителя и там сжигают, получая необходимое для коксования, пиролиза и сушки топлива тепло и выводя из реактора образующийся генераторный газ. В зависимости от вида исходного топлива и режима обработки твердый целевой продукт может представлять собой кокс, древесный или активированный уголь. Техническое решение представляется весьма сложным для реализации и не предполагает полного цикла переработки сырья.

Известный «Газификатор твердого топлива» (патент RU 2315083, Князев А.Е, дата публ. 10.08.2007) является многоступенчатым, при этом в первой ступени происходит сушка, пиролиз и частичное сжигание топлива, на верхней границе теплового пятна второй ступени происходит выгорание всего кислорода, образовавшегося в результате расщепления пара, на третьей ступени дожигаются и поглощаются остатки углерода. Каждая ступень снабжена устройством для подвода пара, размещенным ниже устройства для поджига и стабилизации горения. Изобретение обеспечивает полное сгорание кускового топлива без его предварительной подготовки, однако является достаточно сложным, а получаемый топливный газ требует кондиционирования.

Значительные преимущества при разработке эффективных технических решений имеет технология газификация по схеме прямого процесса в плотном слое при встречной подаче газифицирующего агента (в частности, воздуха) и топлива, поскольку дает возможность использовать низкокалорийные топлива влажностью до 40…50% с высоким к.п.д. теплового процесса (до 95%). /Справочник. «Котельные и электростанции на биотопливе. Современные технологии получения тепловой и электрической энергии с использованием различных видов биомассы». Овсянко А.Д., Печников С.А., Санкт-Петербург, Биотопливный портал WOOD-PELLETS.COM. 2008 г. 360 с. с илл., с. 111-151; Биомасса как источник энергии. Под ред. С. Соуфера, О. Заборски. - М., Мир, 1985; Копытов В.В. Газификация конденсированных топлив: ретроспективный обзор, современное состояние дел и перспективы развития - М.: Инфра-Инженерия, 2012. - 504 с./.

Такое решение предлагается в «Способе переработки конденсированного топлива и устройство для его осуществления. (Патент RU 2376527, Жирнов, Зайченко, Манелис, Полианчик, дата публ. 20.12.2009). Указанный способ реализует схему газификации твердых органических топлив, в том числе топливной биомассы, в противотоке газифицирующего агента (прямой процесс газификации), и отличается тем, что паровоздушная газификации в плотном слое проводится в режиме фильтрационного горения со сверхадиабатическим разогревом в цилиндрическом наклонном вращающемся реакторе-газификаторе /Кислов В.М. Газификация древесины и ее компонентов в фильтрационном режиме. Автореферат диссертации на соискание ученой степени КФМН. ИПХФ РАН, Черноголовка, 2008; Зайченко А.Ю. Влияние движения твердой фазы на характер фильтрационного горения. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Черноголовка - 2008. ИПХФ РАН/.

Она предусматривает загрузку топлива (измельченного для обеспечения перемешивания и газопроницаемости) в цилиндрический реактор, подачу в реактор газифицирующего агента, содержащего кислород, со стороны реактора, где происходит накопление твердых продуктов переработки, перемещение загруженного топлива вдоль оси реактора, вывод твердых продуктов переработки из реактора, вывод из реактора продуктов сушки, пиролиза и горения в виде горючего топливного газа (продукт-газа), таким образом, что газификация проводится посредством последовательного пребывания топлива в зоне нагревания и сушки, зоне пиролиза, зоне горения (реакционной зоне окисления/восстановления) и зоне охлаждения, а газовый поток фильтруется через слой загруженного топлива, проходя последовательно зону охлаждения, зону горения, зону пиролиза и зону нагревания и сушки.

В реактор, в зону, где температура максимальна/превышает 400°С, подают воду в жидком виде. Для обеспечения равномерности распределения по сечению реактора водяного пара, испаряемого на нагретых твердых материалах шихты, процесс проводят в наклонном вращающемся реакторе, установленном под углом к горизонту в пределах от 22 до 65°. Температура в активной зоне ограничивается за счет испарительного внутреннего охлаждения в совокупности с пассивным охлаждением за счет эндотермических реакций. Достоинствами указанного способа является высокая эффективность процесса газификации топлив, в том числе мелкодисперсных и склонных к спеканию, а именно стабильность и высокий к.п.д. газификации, отсутствие не прореагировавшего топлива в отходах, низкий уровень вредных выбросов в атмосферу.

В то же время указанному способу присущи недостатки технологической схемы прямого процесса, связанные с большим содержанием смолистых и балластных веществ в получаемом газе. Существенными недостатками способа являются также сложность и ненадежность, обусловленные наличием в высокотемпературной зоне дополнительных устройств (труба для подачи воды; датчики температуры для управления рабочими параметрами газификации; уплотнения, обеспечивающие герметичность реактора при вращении). При изменениях параметров сырья (насыпной плотности, фракционного состава и др.) возможно ухудшение газопроницаемости слоя продуктов переработки (золы) из-за спекания и не прореагировавшего топлива, что не позволяет поддерживать оптимальные параметры паровоздушного дутья и затрудняет работу разгрузочного устройства.

Также не решена проблема тепловой защиты конструкции реактора (боковой стенки, разгрузочного устройства) для снижения тепловых потерь и обеспечения его надежности и долговечности. Обычно применяется футеровка корпуса изнутри теплоизоляционной кладкой, однако такая защита недостаточна, надежность, ремонтопригодность и срок службы таких конструкций низки, недостаточная компактность, высокие массовые и габаритные характеристики ограничивают применение реакторов в малогабаритных, мобильных и полустационарных энергетических установках, предназначенных для децентрализованного энергоснабжения. Кроме того, наличие только одной точки подачи воды препятствует равномерному распределению пара, особенно при больших размерах реактора, что снижает возможности управления рабочими параметрами газификации в целях их оптимизации применительно к топливам различного вида.

Указанные недостатки частично устранены в техническом решении «Способ газификации топливной биомассы и устройство для его осуществления» (Заявка на изобретение RU 2015156390 А, Забегаев, Тихомиров и др., дата публ. заявки 29.06.2017, бюл. №19), являющимся наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков.

Способ предполагает газификацию топливной биомассы в плотном слое, перемещающемся вдоль оси цилиндрического реактора, установленного под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° и вращающегося вокруг своей оси. Он включает загрузку в реактор топливной биомассы, в качестве которой используют твердое измельченное биотопливо, подачу в реактор газифицирующего агента, содержащего кислород, со стороны реактора, где происходит накопление твердых продуктов остатков горения из реактора вывод из реактора горючего топливного газа, при этом газификацию проводят посредством последовательного пребывания топливной биомассы в зоне нагревания и сушки, зоне пиролиза, активной зоне окисления/восстановления (реакционной зоне) и зоне охлаждения, а газовый поток, формируемый подачей газифицирующего агента, содержащего кислород, проходит последовательно зону охлаждения, реакционную зону, зону пиролиза и зону нагревания и сушки, причем конечный продукт газификации - горючий топливный газ - фильтруют через слой загруженной топливной биомассы, а подачу воды в реактор осуществляют в реакционную зону в виде пара, образование которого происходит в испарительных полостях пароводяной рубашки (пояса пароводяной завесы), непосредственно примыкающих к внутренней стенке рабочей камеры реактора, за счет теплового потока из реакционной зоны, при этом осуществляют инжекцию перегретого пара в реакционную зону сквозь перфорированную внутреннюю стенку рабочей камеры реактора, обеспечивая теплозащиту внутренней стенки рабочей камеры реактора с локализацией высокотемпературной зоны в центре реакционной зоны.

Однако предложенные технические решения не устраняют недостатки технологической схемы прямого процесса, связанные с большим содержанием смолистых и балластных веществ в получаемом газе, а также его высокой температурой.

Настоящее изобретение направлено на решение задач технического осуществления повышения эффективности газификации углеродсодержащего, и в первую очередь низкосортного сырья, с обеспечением качества силового газа для непосредственного использования в двигательных установках, и прежде всего, высокой теплотворности и низкого уровня содержания вредных примесей, а также снижения тепловых потерь в реакторе-газификаторе и обеспечения его компактности, а также экономичности, надежности и долговечности работы.

Для решения поставленных задач предлагается способ газификации твердого топлива в плотном слое, перемещающемся вдоль оси цилиндрического реактора, установленного под углом к горизонту в пределах от 22 до 65° и вращающегося вокруг своей оси, включающий загрузку в реактор подготовленного - измельченного, уплотненного - твердого топлива, в качестве которого используют твердое биотопливо (ГОСТ 33104-2014. Биотопливо твердое. Термины и определения/, получаемое непосредственно или через промежуточные этапы из биомассы (первичной биомассы и твердых отходов ее переработки, органической части твердых городских (бытовых) отходов), и/или твердое низкосортное ископаемое углеродсодержащее сырье (торф, бурые угли), подачу в реактор газифицирующего агента - воздуха со стороны реактора, где происходит накопление твердых остатков газификации, перемещение загруженного твердого топлива вдоль оси реактора, вывод твердых остатков газификации из реактора, вывод из реактора горючего топливного газа, подачу воды в реактор. Газификацию проводят в реакторе, оснащенном пароводяной рубашкой, встроенной в пространство внутри двойной боковой стенки, состоящей из внешней стенки - кожуха и внутренней стенки рабочей камеры реактора, подача воды в реактор осуществляется посредством самоинжекции водяного пара, перегретого за счет теплового потока из рабочей камеры реактора, из пароводяной рубашки сквозь перфорированную внутреннюю стенку рабочей камеры реактора, а получаемый горючий топливный газ фильтруют через слой загруженного твердого топлива.

При этом в отличие от известного способа процесс газификации осуществляется по двухступенчатой схеме. На первой ступени в верхней части реактора, включающей зону нагревания и сушки, зону пиролиза (коксования) и дополнительную (верхнюю) реакционную зону, реализуют обращенный процесс частичной газификации, предусматривающий подачу воздуха (воздушное дутье) в верхнюю реакционную зону.

Переместившееся туда в виде кокса твердое топливо частично окисляется (сгорает) и частично газифицируется, а основная его часть перемещается далее в зону активации, где при температуре выше 800°С подвергается обработке водяным паром, перегретым за счет теплового потока из рабочей камеры реактора и поступающим посредством самоинжекции из пароводяной рубашки сквозь перфорированную стенку рабочей камеры реактора. Получаемый в результате активированный уголь аккумулируют в расположенной ниже буферной газоотборной зоне, а образующуюся парогазовую смесь остатков пиролизных газов и не прореагировавшего водяного пара транспортируют в нижнюю реакционную зону второй ступени газификации, где реализуют прямой процесс газификации перемещающегося из буферной газоотборной зоны слоя активированного угля с встречной фильтрацией через него получаемого горючего топливного газа, который затем выводят из реактора и подают потребителю.

Посредством последовательной двухступенчатой схемы с промежуточной обработкой газифицируемого твердого топлива перегретым паром обеспечивается полнота переработки топлива и повышение теплотворной способности получаемого горючего топливного силового газа, а повышение его чистоты достигается, во-первых, разложением содержащихся в пиролизных газах смол и полнотой реакций водяного пара с углеродом и, во-вторых, фильтрацией горючего топливного газа через слой активированного угля, аккумулируемого в буферной газоотборной зоне. При этом потенциально возможно практически полное исключение содержания влаги в получаемом топливном газе, включая как гигроскопическую влагу исходного сырья, так и реакционную (химическую) влагу, а также влагу, дополнительно вводимую в процессе газификации на стадии активации угля. Уменьшение потерь тепла и снижение температуры топливного газа при подаче его потребителю достигается за счет рекуперативного воздушного охлаждения, осуществляемого посредством построения газификатора, включающего реактор с газоотборным каналом (в наружном или встроенном исполнении) и газо-воздушный теплообменник для охлаждения газа перед подачей его потребителю.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-9.

На фиг. 1 представлена общая схема устройства - газификатора твердого топлива в плотном слое в наклонном вращающемся реакторе двухступенчатого (двухзонного) типа.

На фиг. 2 показан разрез А-А согласно фиг. 1.

На фиг. 3 показан разрез Б-Б согласно фиг. 1.

На фиг. 4 приведен общий вид газификатора с реактором в рабочем (наклонном) положении (под углом α к горизонту).

На фиг. 5 представлена общая схема устройства для частного случая построения реактора с газоотборным каналом во встроенном исполнении, а также с пароводяной рубашкой с конфигурацией, позволяющей выделить зону активации.

На фиг. 6 показан разрез А-А согласно фиг. 5.

На фиг. 7 представлена общая схема устройства для частного случая построения реактора с пароводяной рубашкой, конструктивно разделенной на две части - парогенератор и пароперегреватель, и с учетом введения газоанализатора-преобразователя.

На фиг. 8 показан разрез А-А согласно фиг. 7.

На фиг. 9 показан выносной фрагмент В согласно фиг. 7.

Способ газификации твердого топлива осуществляется посредством устройства - газификатора (фиг. 1-9), которое работает следующим образом.

Исходное твердое топливо «F» (далее - топливо) - биотопливо, получаемое непосредственно или через промежуточные этапы из биомассы (первичной биомассы и