Устройство для тепловой обработки под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов

(51)5 С 1 О В 1/О 3 0 Н ПАТЕНТУ АБОТ.ЕСКИХ тивс) вво 13 2 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Патент США У 4325787,кл. С 1 О В 1/04, 202-106, 1982Патент США У 41265 19,кл,С 1 О В 1/08, 201-32, 1978,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ ОБРКИ ПОД ДАВЛЕНИЕМ ВЛАЖНЫХ ОРГАНИЧУГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ(57) Изобретение относится к устрой"ству для тепловой обработки под давлнием различных влажных органическихуглеродсодеряащих материалов без доступа воздуха с получением твердоготоплива и позволяет повысить эфекность. Устройство включает сосудвысокого давления, расположенныеего верхней части впускное средствход 8 для ввода исходного углеродсо1577702 38, подсоединенные к верхним подовымэлементам, для удаления образующейся на них жидкости, Нагревательные элементы расположены в области нижних подовых элементов, а перемешивающие средства выполнены в виде гребков, расположенныех над подовыми элементами и направляющих материал в радиаль ном направлении вдоль каждого подового элемента попеременно к центру и к Изобретение относится к тепловойобработке под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов и получению продукта, используемого в качестве топлива. 30Цель изобретения - повьппение эффективности.На фиг,1 показано устройство,1 верхняя зона предварительного нагрева или сушки и нижняя реакционная зона), вертикальный разрез; на фиг.2 то же размещение поперечных трубтеплообменника , поперечный горизонтальный разрез; на фиг.Э - зона разгрузочных отверстий в кольцевом поде, 40расположенном в верхней зоне предварительного нагрева (частичный разрез),:вид сверху; на фиг, 4 - схема ус-тановки для термической обработкиуглеродистйх материалов,45Устройство содержит сосуд 1 высокого давления с куполообразной верхней частью 2, центральной секцией ввиде круглого цилиндра 3 и куполообразной нижней частью 4, герметичносоединенными друг с, другом кольцевыми фланцами 5, Реактор поддерживается практически в вертикальном положении с помощью ряда опор 6, прикрепленных к опорным элементам 7, связан 55ным с нижним фланцем 5 центральнойсекции сосуда. Верхняя куполообразная часть имеет впускное средство "вход 8 для ввода внутрь реактора иэдержащего материала под давлением ивыпускное средство - выход 10 дпя отвода реакционных газов, установлен;ные внутри С нагревательные элементы, На вращающемся валу 13 укрепленыперемешивающие средства, В нижнейчасти С расположено выпускное средство - выход для отвода продуктов реакции. Устройство дополнительно содержит расположенные один над другимряд кольцеобразных верхних подовыхэлементов - подов 28, имеющих нак"лон вниз в направлении от центра кпериферии сосуда, ряд нижних подо".х элементов, расположенных подверхними подовыми элементами, кольцевые перегородки 34, расположенныенад верхними подовыми элементами, идренажные средства - сливные трубы периферии сосуда. Устройство снабжено скребковым элементом или проволочнойщеткой, установленной на гребке околостенки сосуда, нагревательные средстварасположены по периферии внутреннегообъема сосуда. Устройство снабжено,средс тв ами вертикального перемещениявала с гребками, 4 з.п.ф-лы, 4 ил. тмельченного влажного углеродистогоматериала, К входу примыкает изогнутый углом отбойный щиток 9, направляющий подаваемый материал к стенкереакционной камеры, С противоположной стороны верхней части 2 расположен выход 10 с фланцем для удаленияреакционных газов под давлением изреакционной камеры, На внутренней поверхности верхней части 2 в ее центральной зоне имеется обращенный внизкольцевой выступ 11, в котором рас-.положен подшипник 12 поддерживающий с возможностью вращения верхнийконец вала 13,ЪНижний конец проходящего по центральной оси реактора вращающегосявала 13 установлен в кольцевом выступе 14, образованном в нижней части4 с помощью узла подшипника 15 и герметичного уплотнения 16, Выступающий наружу конец вращающегося вала13 имеет ступенчатый участок 17,вставленный в упорный подшипник 18,установленный на опоре 19, По длиневращающегося вала 13 на определенномрасстоянии друг от друга по вертикали прикреплено множество выступающих по радиусу от вала 13 перемешивающих элементов, выполненных в видегребков 20, Как правило, в зоне предварительного нагрева или в зоне сушки могут быть расположены два, триили четыре гребка, а в реакционнойрасположенного ниже, Установленный ,под верхним подом 28 с наклоном внизкольцевой под 28 прикреплен к стенке 29 кронштейнами 32, Второй кольценой под имеет множество расположенных по его внешней окружности отверстий 33,через которые материал выгружается на расположенный ниже под,Влажный углеродистый материал подается через вход 8 и отклоняетсящитком 9 к внешней окружности верх -него пода 28, после чего зубьями 2гребков направляется вверх и внутрьв положение над круглым отклоняющимщитком 31, где он свободно падает нарасположенный ниже на определенном Расстоянии под. Подобно этому зубвя 21гребков над вторым подом верхней 20 группы передают материал вниз и наружу по верхней поверхности пода длявыпуска его через расположенные поего внешней окружности отверстия 33..Обрабатываемый материал продолжаетпроходить вниз каскадом поочередно в направлении внутрь и наружу, какпоказано стрелками на фиг.1. и поступает в нижнщо реакционную зону.Двигаясь каскадом вниз, материалконтактирует с проходящими противотоком вверх нагретыми реакционнымигазами которые нагревают его дотемпературы 90 - 260 С. Для,обеспечения надежного контакта подаваемого материала с восходящим потокомреакционных газов, непосредственнонад гребками 20, связанными по крайней мере с некоторыми иэ наклонныхподов 28, расположены кольцевые перегородки 34, удерживающие поток горячих реакционных газов в зоне, примыкакщей непосредственно к верхнейповерхности кольцевого пода. Предварительный нагрев материала обеспечивается частично за счет конденсацииконденсируемых компонентов реакцион"ного газа, например пара, на поверх"ности холодного обрабатываемого материала, а частично эа счет прямого 50теплообмена. Конденсированная жидкость и выделенная химически связанная в обрабатываемом материале водасливаются вниз и наружу по наклонным подам и выводятся по окружностиподов, связанных внешними краями со 55 стенкой 29, через кольцевой водоот"вод 35 с перекрываюшим его вход экра.ном 36, который должен непрерывнопротираться скребковым элементом или 5 15777026зоне - до шести гребков. Обычно накаждом уровневращающегосх вала крепятся четыре гребка с шагом примерно 90", К нижним сторонам гребков20 крепятся под углом ряд зубьев 21,ориентированных таким образом, чтобы при вращении вала обеспечивать передачу по радиусу в направлениях внутрьи наружу материала вдоль множестваподов,Вал 13 с гребками приводится отдвигателя 22, установленного на регулируемом основании 23, На выходнойвал двигателя насажено коническоеведущее зубчатое колесо 24, постоянно сцепленное с ведомым коническимзубчатым колесом 25, насаженным нанижний концевой участок вала. В предпочтительном варианте двигатель является двигателем переменной скорости, обеспечивающим изменения скорости вращения вала.Для того, чтобы допустить увеличение и изменение длины вала с изменением вертикального положения выступающих от него гребков при изменениитемпературы в реакторе, основание 23и выступающий наружу конец вала 13установлены на регулируемых домкратах 26, которые под действием гидравлического цилиндра 27 изменяют высоту установки основания 23, обеспечивая надлежащее положение зубьев 21гребков относительно верхних поверхностей подов в реакторе, Устройство взоне предварительного нагрева содержит группу расположенных один наддругим подов 28, наклоненных вниз кстенке реакционной камеры. Верхняязона предварительного нагрева снабжена цилиндрической стенкой 29, расположенной на определенном расстояниипо радиусу внутрь от стенки цилиндра 3 центральной секции. К цилиндру3 прикреплены наклонно установленныеподы 28. Верхний край стенки 29 имеет отогнутый наружу участок 30, исключающий попадание углеродистого мате риала в кольцевой зазор между стенкой 29 и стенкой цилиндра 3 централь-.ной секции, Верхний под 28 соединен поокружности со стенкой 29 и проходитвверх и внутрь к вращающемуся валу 13.Под 28 переходит в направленный внизкруглый отклоняющий щиток 31, образующий кольцевой желоб, через которыйматериал каскадом проходит вниз навнутренний участок кольцевого пода, 157770 проволочной щеткой 37, установленной,на наружном зубе ближайшего гребка,Кольцевые водоотводы 35 сообщаются сссливными трубами 38, расположеннымии 5в кольцевом зазоре между стенкои 29и цилиндром 3. Жидкость удаляется изреакционного сосуда через выход 39для конденсата.Охлажденные реакционные газы прохо 10дят вверх через зону предварительногонагрева и, наконец, выпускаются через выход 10,Предварительно нагретый и частичнообеэвоженный материал от нижнего пода15зоны предварительного нагрева принепрерывно регулируемом повьппенномдавлении проходцт к верхнему кольцевому поду 40 реакционной зоны, где оннагревается далее обычно до 200650 С или выше, В реакционной зонекольцевые поды 40 .установлены практически в горизонтзльном положении таким образом, что по окружности онипрактически герметично соединены сцилиндрической огнеупорной футеровкой41 внутренней поверхности стенки цилиндра 3. Как и в зоне предварительного нагрева, в реакционной зоне зубьями 21, прикрепленные к гребкам 20,поочередно направляют материал по радиусу в направлении внутрь и наружукаскадом через реакционную зону, какпоказано стрелками на фиг,1, Практически не содержащий жидкости и терми 35чески обогащенный твердый реакционный продукт выгружается в центренижнего пода 40 в конический желоб42 и через выход 43 - иэ сосуда,Чтобы уменьшить потери тепла изсосуда высокого давления, как цилиндрическая секция, так и нижняя часть4 снабжены наружным слоем 44 изоляции любого известного типа. Центральная секция в предпочтительном.,варианте имеет дополнительную оболочку 45 для защиты изоляции. Для нагрева материала в реакционной зоне могут быть использованы расположенные вней электронагревательные элементы,50охватывающие цилиндр 3 центральнойсекции, кожух, по которому циркулирует нагревающая среда, или расположенное по периферии трубчатое теплообменное устройство, содержащее пучок спиральных труб 46, примыкающих/ Чк внутренней поверхности футеровки 4,и поперечный теплообменник, образованный несколькими Б-образными трубами 2 847, пересекающими по горизонтали сосуд высокого давления непосредственнопод расположенными в его полости .кольцевыми подами 40, Пучок труб 46периферийного теплообменника черезвход 48 и выход 49 сообщается с расположенным вне реактора источникомнагревающей среды, например сжатойдвуокиси углерода и т,пП"образныетрубы 47 поперечного теплообменникасвязаны с входным 50 и выходным 51коллекторами соответственно, которыев свою очередь связаны с входом 52и выходом 53, выполненными в стенкесосуда высокого давления, Системыпериферийного и поперечного теплообменников могут соединяться с одними тем же источником нагревающей среды или, как показано на фиг,4 с изображением предпочтительного вариантас различными источниками нагрева,что обеспечивает неэависимое управление каждой системой для получениятребуемой температуры нагрева и термической обработки обрабатываемогоматериала в реакционной зоне,В рабочем режиме, как показано нафиг,4 с изображением схемы процесса,подлежащий обработке влажный углеводородистый материал под давлениемподается из бункера - хранилища 54через соответствующий пневматическийзатвор 55 и вход 8 в сосуд 1 высокого давления, Через зону предварительного нагрева влажное сырье передается вниз способом, описанным выше, в .процессе .теплообменного контактирования с восходящим потоком реакционныхгазов для предварительного нагрева материала до 90-260 С, как это показано на фиг,1. Затем предварительнонагретый и частично обезвоженный материал пропускается вниз в расположенную ниже реакционную зону реакторасо множеством подов, где он нагревается до более высокой температуры,обычно в диапазоне 200-650 С для термической перестройки или частичногопиролиэа, сопровождающимися испарением практически всей остаточной влагии летучих компонентов и продуктовреакции пиролиэа, Обычно давление вреакторе попдерживается в диапазоне21-210 кг/см или вьппе в зависимостиот типа обрабатываемого материала ижелаемой термической переработки, необходимой для получения целевого готового твердого реакционного продукта.Количе ст во кол ьцевых подов в з он епредварительного нагрева и в реакционной зоне выбирается в зависимости отзаданной продолжительности процессаобработки, Обычно продолжительностьпребывания материала в реакционнойзоне колеблется отмин до 1 ч илиболее, Полученный термически обогащенный твердый реакционный продуктвыгружается через выход 43 для продукта в нижней секции реактора, после чего охлаждается в камере 56 охлаждения до температуры, позволяющей выгружать его в окРужающую среду 15без риска сгорания или других нежелательных последствий. Обычно твердый.реакционный продукт охлаждаетсяодо температуры ниже 260 С, а чаще -до 150 С и ниже.20Разгрузочный канал, ведущий от выхода 43 для продукта, также снабжен пневматическим затвором 57, препятствующим потерям давления в реакторе при прохождении реакционного про дукта,Охлажденные реакционные газы удаляются через расположенный в верхнем конце реактора выход 10 и черезпонижающий давление клапан 58 пропус,каются в конденсатор 59. В конденса"торе 59 осаждаются и выводятся в качестве побочного продукта конденсации, содержащиеся в .газах органические и конденсируемые компоненты. Неконденсируемый компонент газа, т,е,чистый. газ выпускается и может бытьиспользован в реакторе для нагрева,Подобно этому, извлеченная в зонепредварительного нагрева жидкая Фазаудаляется в виде сточных вод из реактора через Соответствующий понижающий давление клапан 60. Зачастую такие сточные воды содержат ценные растворенные органические компоненты, 45которые могут быть извлечены в процессе дальнейшей обработки или, вдругом варианте, сточные воды с раст,воренными в них органическими компонентами могут использоваться.непосредственно для Формирования воднойсуспензии твердого реакционного продукта, что облегчает его транспортировку в удаленные от реактора пунк 55На Фиг,4 схематически показаны дополнительные системы нагрева, обеспечивающие циркуляцию нагревающей текучей среды через расположенные по пеРиферии и поперечно теплообиенные секции реакционной зоны, Расположеннаяпо периферии система теплообменникаимеет насос 61 для перекачки нагреваю-.щей текучей среды через теплообменникили печь 62 для повторного нагрева нагревающей среды, которая пропускаетсячерез пучок труб в реакционной зоне.Подобно этому, система поперечноготеплообменника снабжена циркуляционным насосом 63 и печью 64 для циркуляции и повторного нагрева нагревающей .екучей среды, пропускаемой че"рез Б-образные трубы реакционнойэоны,Описанный многоподоный реакторможет найти применение в процессахобработки углеродистых материаловили их смесей, которые как правило,характеризуется высоким содержанием влаги,В данном контакте определение"углеродистые" относится к материалам, богатым углеродом, которые могутиметь как естественное происхождение,так и могут быть получены в видеотходов сельскохозяйственного производства или лесообрабатывающейпромышленности. Как .правило, к такимматериалам относятся полубитуминозные угли, бурые угли, торф, отходыцеллюлозного производства, например опилки, кора, древесная стружка,ветки и щепа, т,е, отходы лесозаготовительных работ и лесопильного производства, отходы сельскохозяйственного производства - стебли хлопка,ореховая скорлупа, отходы лущения:зерновых, риса и т,п. и пульпа твердых городских отбросов, из которыхудалены металлические примеси, содержащие менее 50 мас,Е влаги, а обычно примерно 25 мас.7 влаги,Устройство работает следующим образом,оНеобработанный уголь при 15 С иатмосферном давлении подается иэпитающего бункера 54 через пневматический затвор 55 в реактор, в котором поддерживается давление 58 кг/смПодлежащий обработке уголь нагревается в зоне предварительного нагревареактора в ходе пропускания его через эту зону вниз от температуры15 С до 960 С, при которой он поступает в реакционную зону, Сточныеводы примерно при 161 С и давлении58 кг/см выводятся из зоны предвари-.2тельного нагрева, как и газ, которыйпри 161 С и давлении 58 кг/см выи 2пускается из верхней части зоны пред"варительного нагрева, Реакционныйгаз, ныпускаемыи из реакционной зоны,м5поступает в нижнюю часть збны предварительного нагрева при 2600 С идавлении 58 кг/см , Получений твер 2дый реакционный продукт выгружаетсячерез дно реакционной зоны о температурой .381 С и давлением 58 кг/смо йс последующим охлаждением его до93 С, после чего его выгружают лриатмосферном давлении, 15Как правило, массоный расход поданаемого материала и различных пото"ков продуктов составляет: 23300 кг/чПодаваемого материала и 7200 кг/ч воды, Выход сточных нод составляет ,9200 кг/ч, а газа 2500 кг/ч и 150 кг//ч пара, Выход из реактора твердогог 1 родукта составляет: 11500 кг/ч, аЧистого газа после изнлечения конденсируемых компонентов 255 кг/ч и . 25150 кг/ч воды,Тепловой баланс описанного процесса исчисляется из загрузки в реакТор влажного необработанного угля,.Содержащего88000 ккал/ч, а охлажденный до 93 С твердый реакционныйПродукт содержит 320000 ккал/ч, ПоЛученный газ - продукт имеет теплотворную способность 260000 ккал/ч, аудаленные горячие сточные водысодержат 1500000 ккал/ч,Описанные последонательность и параметры операций обработки полубитуминозных углей являются типовыми,Однако н различных зонах реактора допустимы изменения, температуры, атакже давления и времени пребыванияобрабатываемого материала, необходимого для получения требуемого термического обогащения и/или химической 45перестройки целлюлозного материалав зависимости от исходного содержания,в нем влаги общей химической структуры и содержания углерода, а также .желаемых характеристик целевого реакционного продукта, Соответственноусловия в зоне предварительного наг 1)ева могут регулироваться такимобразом, чтобы обеспечить удовлетворительный нагрев подаваемого материала, т,е, от комнатной температу,ры до температуры обычно в диапазоне90"260 С с последукщим нагревом егоов реакционной зоне до 650 С и ньппе,Давление в реакторе также может регулироваться н диапазоне 21 - 210 кг/й/см, обычно в диапазоне 42 105 кг/смФормула изобретения1, Устройство для тепловой обработки под давлением влажных органических углеродсодержащих материалов,включающее сосуд высокого давления,расположенные в его верхней частивпускное средство для ввода исходного углеродсодержащего материалапод давлением и выпускное средстнодля отвода реакционных газов, установленные н сосуде нагревательныеэлементы, укрепленные на вращающемсявалу перемещивающие средства и расположенное в нижней части сосуда выпускное средство для отвода продуктов реакции, о т л и ч а ю щ е е с ятем, что, с целью ловьппения эффективности, устройство дополнительно содержит расположенные один над другимряд кольцеообразных верхних подоныхэлементов, имеющих наклон вниз, внаправлении от центра к перифериисосуда, ряд нижних подовых элементов,расположенных под верхними подовымиэлементами, направляющие средства,расположенные над верхними подовымиэлементами, и дренажные средства,подсоединенные к верхним подовымэлементам для удаления образующейсяна них жидкости, причем нагревательные элементы расположены в областинижних подовых элементов, а перемеши.вающие средства выполнены в видегребков, расположенных над подовымиэлементами .и направляющих, материалв радиальном направлении вдоль каждоюго подового элемента попеременно кцентру и к периферии сосуда,2. Устройство по п,1, о т л и " ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено скребковым элементом или проволочной щеткой, установленной на гребке, расположенном около стенки сосуда.3. Устройство по п,1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что нагревательные средства расположены по периферии внутреннего объема сосуда,4, Устройство по п.1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что нагревательные средства расположены под нижними подовыми элементами.5. Устройство по и.1, о т л и -ч а ю щ е е с я тем, что оно содер жит средств а вертикал ьного перемеще ния вала с гребками,1577702 РМФю оставитель Р,Горяиновекред М.Ходанич Корректор Л.Пат Редактор Г,Гербер э 18 Тираж 43 НИИП о ственно-иэдательский комбинат Патент, г, Ужгород, ул. Гагарина, 10 Проиэ арственного комитета по и 113035, Москва, БПодписноебретениям и открытиям приаушская наб., д. 4/5