Патент на изобретение №2178540

(54) УСТРОЙСТВО ГАЗИФИКАТОРА, ИМЕЮЩЕЕ ФОРМУ СПЛЮЩЕННОГО СФЕРОИДА

(57) Реферат:

Изобретение предназначено для газификации материала фидстока. Устройство газификатора содержит камеру газификации, имеющую форму сфероида, входной патрубок для материала фидстока и входные патрубки для газообразного окислителя, множество трубок Вентури, предназначенных для обеспечения рециркуляции, рециркулирует рабочий газ, образованный продуктами сгорания, и твердые частицы в зону газификации и из нее. Каждая трубка Вентури снабжена камерой повышенного давления, имеющей входной патрубок для газообразного окислителя и множество отверстий, способных генерировать воздушный поток, имеющий высокую скорость, по направлению к слою материала фидстока в зоне газификации. Множество воздушных пушек, соединенных с одним или более импульсными клапанами, обеспечивает импульсный воздушный поток в зоне газификации. Входные патрубки газообразного окислителя в зону улавливания золы позволяют регулировать содержание углерода в зоне. Изобретение обеспечивает уменьшение исходного материала в объеме приблизительно на 90%, снижение вредных выбросов в атмосферу. 3 с. и 17 з. п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к устройству газификатора, предназначенному для газификации материала фидстока, включающего в себя городские, промышленные, строительные и сельскохозяйственные отходы, а также материалы не относящиеся к отходам, например древесину и уголь.

Проблема удаления отходов была и остается основной проблемой нашего общества. Количество твердых отходов даже увеличивается, а территория, необходимая для обычного захоронения отходов, быстро уменьшается. Захоронение отходов само по себе представляет проблему. Для разложения отходов после их захоронения часто требуется более 30 лет. В течение этого периода возникают другие экологические проблемы. Загрязняющие вещества, проникающие из отходов в уровень подземных вод, стали вызывать большую тревогу, а проблемы запахов и атмосферных загрязнений – многочисленны. Другую тревогу вызывает тот факт, что захоронение твердых отходов на свалках часто приводит к неожиданным долговременным опасностям вследствие загрязнения земли, вызванного природой отходов, а также вследствие неравномерного отстаивания участка свалки в течение многих лет после того, как место захоронения было преобразовано для других целей применения.

Наиболее распространенной альтернативой захоронению отходов на свалках является сжигание на открытом воздухе или в установке для принудительного сжигания отходов на воздухе. Как правило, в процессе сжигания отходы сжигают в камере сгорания, в которую для обеспечения горения вводят воздух. Как часть технологического процесса сжигания органические материалы из отходов должны быть преобразованы в материалы, которые будут равномерно сгорать в камере сгорания. Твердые отходы настолько широко изменяются по составу и влагосодержанию, что реакцию горения нельзя адекватно регулировать и поддерживать. Неполное сгорание отходов является обычным явлением, которое приводит к выбросам в атмосферу больших количеств дыма и загрязняющих веществ. Хотя желательно сжигать твердые отходы даже с точки зрения уменьшения их объема, ни сжигание на открытом воздухе, ни принудительное сжигание на воздухе не приемлемо с экологической точки зрения вследствие проблем загрязнения воздуха, возникающих в результате осуществления этих технологических процессов.

Для пиролиза и газификации отходов было предложено много устройств. Хотя пиролиз предлагает ряд теоретических преимуществ, пиролитические установки для обработки обычных отходов только начинают приобретать практическое значение. Эта эволюция технологии пиролиза начинает достигать приемлемого статуса в области удаления городских твердых отходов. В нашедших применение более традиционных способах газификации, по меньшей мере в некоторых из них, существуют проблемы, связанные с большим разбросом состава и влагосодержания отходов.

Вследствие разброса состава и влагосодержания городских отходов трудно контролировать температуру для проведения адекватного пиролиза отходов без предотвращения локальных повышений температуры, которые приводят к ошлаковыванию. Например, для достижения относительно стабильной работы при газификации обычных городских твердых отходов, температуры в установках более раннего выпуска приближаются к температурам, при которых будет иметь место ошлаковывание неорганических материалов. После этого плавятся неорганические компоненты городских твердых отходов с образованием прочных шлаковых покрытий на всех поверхностях, находящихся в контакте с отходами.

Были предложены устройства для преобразования твердых отходов посредством высокотемпературной газификации в топливные газы, называемые генераторными газами. Такие устройства, как правило, содержат камеру, ориентированную в вертикальном направлении, имеющую последовательные зоны опускания, дистилляции и зоны окислительной и восстановительной реакции. И в этом случае, вследствие большого разброса состава и влагосодержания городских твердых отходов в устройствах газификации не возможен адекватный контроль, требуемый для обработки этих различных фидстоков. Устройства, соответствующие предшествующему уровню техники, имели функциональные проблемы, а также серьезные проблемы загрязнения окружающей среды, связанные с неспособностью удаления нежелательных химических соединений и элементов из газового потока и их выделением, в конечном счете, в атмосферу при применении топливного газа.

В наиболее известных установках для газификации избегают использования горючих фидстоков, имеющих очень высокое содержание серы, например резины. Экспериментальные испытания показывают, что газификация потока отходов, содержащих 90% резины и 10% избытка O₂ в отходящем потоке, создает условия, при которых генерируется 110010^-6 SO₂. При уменьшении избытка O₂ до 3,9% пропорционально уменьшается количество SO₂. Наличие избытка O₂ может быть связано с вентиляционными отверстиями в горючем слое.

Необходимость соблюдения закона об охране окружающей среды вызывает необходимость удаления SO₂ в отходящем выпускаемом газе любого технологического процесса сжигания промышленного масштаба. Это является основным требованием, предъявляемым к любому технологическому процессу сжигания, и является основной статьей расходов в конструкции этого оборудования. Чем выше содержание SO₂ ниже по технологической цепочке от газификатора, тем более крупное и дорогое оборудование требуется для удаления SO₂. Таким образом, для сокращения затрат необходимо избегать использования горючих фидстоков с высоким содержанием серы.

Содержание углерода в золе также является важным параметром конструкции и работы устройства газификатора. Хотя в настоящее время обычным является наличие в золе 20-50% углерода, желательно содержание в золе 3-5% углерода. Любой вид косвенного пиролиза характеризуется большим процентным содержанием остаточного углерода в золе главным образом вследствие недостаточного содержания молекулярного кислорода для обеспечения перехода углерода в сорбированный стабильный газ. Таким образом, пиролиз нежелателен, если экономически нецелесообразно использование этого обуглившегося вещества. Без экономической целесообразности использования обуглившегося вещества высокое содержание углерода в зоне характеризует потерю эффективности газификатора. На современном уровне техники было бы желательным контролировать содержание углерода в золе.

Для предотвращения чрезмерного содержания углерода в золе в реакционную камеру необходимо вводить достаточное количество кислорода, подаваемого в виде воздуха, чистого газообразного кислорода или в виде твердого вещества, богатого кислородом. Для обеспечения требуемой эффективности газообразные окислители должны входить в тесное контактное взаимодействие с углеродом горючего вещества в течение достаточно длительного времени для того, чтобы обеспечить возможность протекания химической реакции.

Если горючий слой имеет оптимальные размеры, а длина пути через реактор достаточная для того, чтобы окислитель полностью прореагировал, еще существует проблема вентиляционных отверстий (или каналов низкого сопротивления) в слое, если окислитель не вводят при небольших перепадах давления (с небольшой скоростью) через горючий слой. Такие низкие скорости очень затрудняют поддержание химической реакции при оптимальных температурах, уменьшают коэффициент использования горючего вещества и выход газа для данного размера реактора. Хотя в начале были получены удовлетворительные результаты, со временем ситуация быстро ухудшается, поскольку окислитель может проходить непосредственно через горючий слой в выходной газовый поток, не вступая в химическую реакцию с горючим веществом.

Из сказанного выше становится очевидным, что постоянный слой не является хорошим выбором для противоточного разложения городских отходов вследствие наличия избытка кислорода, который способствует образованию SO₂. Это непосредственно связано с трудностью получения равномерного размера порошковых частиц горючего вещества. Одним из способов является перемешивание слоя лопаткой или несколькими лопатками или рычагами. Этот способ обеспечивает перемешивание только части горючего слоя в любое данное время и еще оставляет проницаемый горючий слой. Если в процессе реакции горючее вещество становится очень тонкой золой, которая способствует образованию чрезмерного противодавления для потока окислителя, то такой перемешиваемый слой ведет себя как постоянный слой, чувствительный к образованию вентиляционных отверстий.

Способом получения перемешиваемого слоя является применение вращающегося стола или дутьевой фурмы, устанавливаемых ниже слоя. Однако вращающаяся дутьевая фурма обеспечивает минимальное перемешивание горючего слоя в более высоких зонах и позволяет более тонким частицам горючего вещества и увлекаемым частицам золы накапливаться и ухудшать общую проницаемость слоя. Когда проницаемость падает, противодавление на подачу окислителя повышается до тех пор, пока оно не заставит его пройти через слой. Таким образом, в горючем слое образуются сквозные каналы низкого сопротивления в слое, обеспечивающие выход с характерным высоким содержанием SO₂.

Описанные выше способы перемешивания не позволяют изменять размер частиц или консистенцию топлива, которое может быть экономически эффективно получено из твердых отходов. Для газификации разнообразного горючего фидстока, каким являются городские, промышленные, строительные и сельскохозяйственные отходы, устройство должно поддаваться регулированию в более широком диапазоне режимов работы, чем требуется от устройств, предназначенных для сжигания гомогенного фидстока. На проницаемость горючего слоя, которая, как показано, является важным параметром, вредное воздействие оказывают изменения горючей фракции, которая проходит через жидкую фазу, когда испытывает воздействие температур, которые имеют место в газификаторе.

Из всего вышесказанного следует, что можно было бы ожидать, что условия “псевдоожижения” были бы способны обеспечить контролируемое тесное контактное взаимодействие с такой изменчивой горючей композицией. К сожалению обычные условия псевдоожижения обеспечивают получение избытка кислорода, который не допустим вследствие образования SO₂.

Другой значительной проблемой, связанной с применением стандартных устройств газификаторов, является невозможность при их использовании принимать во внимание большой разброс состава материала фидстока, а также разброс влагосодержания таких отходов. Фидсток с высоким водосодержанием может значительно снизить рабочую температуру газификатора. Другими веществами, которые могут привести к быстрому снижению рабочей температуры, являются вещества, которые в больших количествах находятся в питающем потоке и которые имеют возможность проходить через жидкую фазу. Большой разброс рабочей температуры затрудняет контроль сгорания материала фидстока и отрицательно влияет на коэффициент использования материала и последующий выход.

Наиболее близким к заявленному изобретению является газификатор, содержащий камеру газификации с входным патрубком для загружаемого материала, зону газификации, расположенную в камере газификации, зону улавливание золы, множество отверстий, направленных в зону газификации, выходной патрубок для рабочего газа, образованного продуктами сгорания (см. авторское свидетельство СССР N 831087, МПК F 23 G 5/00, 15.05.1981).

Недостатками указанного изобретения являются неполное сгорание отходов, высокий уровень содержания вредных выбросов в продуктах сгорания, большой разброс рабочей температуры.

Известен способ газификации отходов, заключающийся в подаче рабочего материала в камеру газификации, имеющую зону газификации, зону улавливания золы, подаче окислителя в зону газификации, отвод рабочего газа, образованного продуктами сгорания (см. авторское свидетельство СССР N 831087, МПК F 23 G 5/00, 15.05.1981).

Недостатками указанного способа является неполное сгорание отходов, высокий уровень содержания вредных выбросов в продуктах сгорания, большой разброс рабочей температуры.

Ниже приведены некоторые причины, по которым устройства для газификации твердых топливных материалов (древесина и уголь) адекватно не газифицируют городские отходы.

1. Низкая проницаемость горючего слоя или большой разброс проницаемости.

2. Большая склонность образовывать каналы в структуре горючего слоя.

3. Наличие мелких частиц горючих веществ в исходном горючем материале или мелких частиц, образуемых в течение проведения технологического процесса и добавляемых к захваченным частицам в вытекающем потоке, которые влияют на проницаемость.

4. Высокое процентное содержание материалов, имеющих жидкую фазу и разброс процентного содержания этих материалов.

5. Высокое начальное влагосодержание горючего материала.

6. Низкая конечная скорость газа для предотвращения захвата частиц и больших агломератов, поддающихся конденсации.

Стандартные газификаторы не имеют адекватной плавной регулировки параметров газификации. В соответствии с этим на известном уровне техники существует большая потребность в усовершенствовании устройства для газификации горючих материалов фидстока.

Задачей заявленного изобретения является уменьшение объема удаляемых твердых отходов, обеспечение генерирования горючего газа, усовершенствование управляемой автотермогазификации отходов, в процессе которой отходы подвергают рециркуляции в устройстве для сжигания, уменьшение исходного материала в объеме приблизительно на 90%, снижение вредных выбросов в атмосферу.

Настоящее изобретение обеспечивает экологически совместимые способ и устройство для газификации материалов фидстока, например городских, промышленных, строительных и сельскохозяйственных отходов. Настоящее изобретение может быть легко реализовано с возможностью газификации обычных твердых горючих материалов, предназначенных для газификации, например, угля и древесины. Предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает способ и устройство (для газификации твердых отходов), которые исключают выбросы в атмосферу дыма и других загрязняющих веществ.

Органические материалы в фидстоке преобразуются в относительно чистые генераторный газ и золу. Как правило, объем золы составляет приблизительно 10% от объема исходных отходов. Результирующий твердый материал золы является стерильным и безопасным для окружающей среды. Генераторный газ и твердая зола могут быть использованы для различных промышленных целей. Например, зола может быть использована в качестве почвоулучшителя, для удаления льда на скоростных автомагистралях, в качестве добавки в бетон, в качестве добавки в дорожное покрытие, а генераторный газ может быть использован как полностью сгорающее топливо. В альтернативном варианте газ может быть просто сожжен, а зола может быть обычным образом захоронена на свалке.

Поставленная задача в части устройства по первому варианту решается тем, что устройство газификатора содержит камеру газификации, имеющую входной патрубок для материала фидстока, расположенный в верхней области камеры газификации; зону испарения, расположенную ниже входного патрубка для материала фидстока, имеющую расходящуюся вниз конфигурацию; зону газификации, расположенную в камере газификации ниже зоны испарения; зону улавливания золы, предназначенную для улавливания золы, образуемой в процессе газификации материала фидстока, имеющую конфигурацию, сходящуюся в направлении вниз; по меньшей мере одну трубку Вентури, предназначенную для обеспечения рециркуляции, имеющую входное отверстие для газа рециркуляции, камеру повышенного давления и выходное отверстие трубки Вентури, направленное к входному патрубку для газообразного окислителя, и множество отверстий, которые направляют газообразный окислитель к выходному отверстию трубки Вентури.

Трубки Вентури расположены по внутреннему периметру камеры газификации. Конкретное число трубок Вентури, предназначенных для обеспечения рециркуляции, может меняться в зависимости от размера камеры газификации и от типа материала отходов, подлежащих газификации.

Газовым окислителем предпочтительно является воздух, но могут быть использованы кислород, воздух, обогащенный кислородом, или другие газообразные окислители. Другие химически активные газы также могут быть введены в камеру повышенного давления и смешаны с газовым потоком рециркуляции, чтобы вызвать требуемые химические реакции в камере газификации. Приблизительно 50% газообразного окислителя предпочтительно вводят в камеру газификации через входной патрубок камеры повышенного давления/трубки Вентури. Это количество может быть изменено в зависимости от состава материала фидстока и требуемого продукта газификации. Газообразный окислитель, вводимый в камеру газификации через трубки Вентури, влияет на результирующий газовый поток рециркуляции и на число раз прохождения материала фидстока через зону газификации.

Устройство содержит множество воздушных пушек, направленных к зоне газификации для обеспечения импульсного воздушного потока в зоне газификации; и выходной патрубок для рабочего газа, образованного продуктами сгорания, предназначенный для отвода рабочего газа, образованного продуктами сгорания, из камеры газификации.

Камера повышенного давления дополнительно содержит входной патрубок для горючего газа.

Входные патрубки для газообразного окислителя соединены с клапанами для регулирования входа окислителя.

Воздушные пушки соединены по меньшей мере с одним воздушным импульсным клапаном для обеспечения синусоидальных воздушных импульсов, генерируемых с частотой в диапазоне от 20 Гц до 3 кГц.

Воздушные пушки генерируют воздушные импульсы, имеющие давление в диапазоне 1-1000 фунт/кв. дюйм (6,895-6895 кПа).

Устройство газификатора дополнительно содержит множество входных патрубков для газообразного окислителя, направленных к зоне улавливания золы.

Устройство газификатора дополнительно содержит входной патрубок для химического реагента, предназначенный для введения химического реагента в зону газификации для обеспечения химической реакции с материалом фидстока или с его побочными продуктами.

Химический реагент является химическим соединением для очистки газа, предназначенным для удаления соединений SO_x.

Устройство газификатора дополнительно содержит верхнюю зону, обеспечивающую газовое сообщение между зоной газификации и выходом рабочего газа, образованного продуктами сгорания, в котором скорость газа в верхней зоне достаточно мала, чтобы заставлять захваченные частицы опускаться назад в зону газификации.

В устройстве газификатора камера газификации имеет форму сплющенного сфероида.

Устройство газификатора дополнительно содержит множество трубок Вентури, предназначенных для обеспечения рециркуляции.

Воздушные пушки направлены к зоне газификации для обеспечения импульсного воздушного потока в зоне газификации, который перемешивает и псевдоожижает слой материала отходов. Перемешивание регулируют посредством рабочей частоты и давления импульсных клапанов, соединенных с воздушными пушками. Применение воздушных пушек и воздушных импульсных клапанов дает возможность исключить все внутренние механические подвижные части. Синусоидальные волновые импульсы воздушных пушек гарантируют полное перемешивание всего непрореагировавшего материала, который неполностью газифицирован, и регулируют баланс окислителя, необходимый для газификации.

Входные патрубки для газообразного окислителя, расположенные в зоне улавливания золы, используют для регулирования содержания углерода результирующей золы. Большие количества окислителя будут способствовать полному сгоранию углеродистых материалов отходов. Может быть получено менее 5 мас. % углерода в золе. В альтернативном варианте небольшое количество или полное отсутствие окислителя в зоне улавливания золы приведет к неполному сгоранию материала фидстока, что может привести к получению золы с высоким содержанием углерода, например углеродной сажи.

Для обеспечения химической реакции с материалом фидстока или с его побочными продуктами в камеру газификации могут быть введены химические реагенты. Рециркуляция газа камеры газификации позволяет продлить время пребывания и время реакции химических реагентов. Примером типового химического реагента, соответствующего настоящему изобретению, является химическое соединение для сухой очистки, предназначенное для регулирования содержания нежелательных окислов серы (SO_x) или других нежелательных химических соединений. В соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы различные известные и новые химические соединения для очистки газа, которые включат в себя (без ограничения приведенными веществами), кальций, известняк, известь и керогенные сланцы. Химические реагенты предпочтительно вводят в камеру газификации через входной патрубок для подачи фидстока, хотя для таких химических соединений может быть предусмотрен отдельный входной патрубок. Горючий материал фидстока вводят в камеру газификации, имеющую повышенное давление. Конструкция питателя может изменяться в зависимости от подлежащего газификации материала фидстока. Например, используемые покрышки могут быть успешно загружены в реакционную камеру посредством компрессионного питателя. Такой вид питателя позволит точно регулировать загрузку фидстока и даст возможность загружать покрышки в камеру газификации, имеющую повышенное давление. Для введения высушенного или частично высушенного материала фидстока в камеру газификации, имеющую повышенное давление, пригодны также и другие питательные клапаны, включающие в себя конические питательные клапаны.

Поставленная задача в части способа решается тем, что способ газификации горючего фидстока предусматривает
а) подачу материала фидстока в камеру газификации, имеющую зону газификации, расположенную в центральной области в камере газификации; зону улавливания золы, предназначенную для улавливания золы, образуемой в процессе газификации материала фидстока, имеющую конфигурацию, сходящуюся в направлении вниз; по меньшей мере одну трубку Вентури, предназначенную для обеспечения рециркуляции, имеющую входное отверстие для газа рециркуляции, камеру повышенного давления и выходное отверстие трубки Вентури, направленное к зоне газификации, и множество отверстий, которые направляют газообразный окислитель к выходному отверстию трубки Вентури для создания рециркуляции газового потока через трубку Вентури к зоне газификации;
б) введение газообразного окислителя в камеру повышенного давления каждой трубки Вентури, предназначенной для обеспечения рециркуляции, для создания рециркуляции газового потока вверх из зоны газификации и вниз через трубку Вентури к зоне газификации;
в) обеспечение импульсного воздушного потока в зоне газификации из множества воздушных пушек, направленных к зоне газификации, в которой импульсный воздушный поток перемешивает материал фидстока;
г) регулирование скорости потока материала фидстока и входов газообразного окислителя с тем, чтобы поддерживать температуру в зоне газификации в диапазоне 180-1180^oC; и
д) отвод рабочего газа, образованного продуктами сгорания, из камеры газификации.

Способ газификации горючего фидстока дополнительно предусматривает воспламенение материала фидстока в камере газификации.

Способ газификации горючего фидстока дополнительно предусматривает введение в камеру повышенного давления горючего газа в процессе воспламенения.

Для регулирования перемешивания материала фидстока в зоне газификации предусмотрен импульсный воздушный поток, генерируемый с частотой от 20 Гц до 3 кГц.

Импульсный воздушный поток предусмотрен при давлении в диапазоне 1-1000 фунт/кв. дюйм (6,895-6895 кПа).

Способ газификации горючего фидстока дополнительно предусматривает введение в зону газификации химического реагента для обеспечения химической реакции с материалом фидстока или с его побочными продуктами.

Способ газификации горючего фидстока дополнительно предусматривает введение газообразного окислителя в зону улавливания золы для уменьшения содержания углерода в золе.

Камера газификации имеет форму сплющенного сфероида.

Поставленная задача в части устройства по второму варианту решается тем, что устройство газификатора содержит входной патрубок для материала фидстока, предназначенный для введения материала фидстока в газификатор; зону газификации, расположенную в газификаторе, для газификации материала фидстока в указанной зоне газификации; множество воздушных пушек, соединенных с импульсными клапанами, направленных к зоне газификации для обеспечения импульсного воздушного потока в зоне газификации, который перемешивает материал фидстока в зоне газификации; зону улавливания золы, предназначенную для улавливания золы, образуемой в процессе газификации материала фидстока; по меньшей мере одну трубку Вентури, предназначенную для обеспечения рециркуляции, имеющую входное отверстие для газа рециркуляции, камеру повышенного давления и выходное отверстие трубки Вентури, направленное к зоне газификации, в которой камера повышенного давления содержит входной патрубок для газообразного окислителя и множество отверстий, которые направляют газообразный окислитель к выходному отверстию трубки Вентури; и выходной патрубок для рабочего газа, образованного продуктами сгорания, предназначенный для отвода из газификатора рабочего газа, образованного продуктами сгорания.

На фиг. 1 изображено изометрическое изображение геодезического устройства для газификации отходов, имеющего форму сплющенного сфероида и соответствующего настоящему изобретению.

На фиг. 2 – разрез, сделанный по линии 2-2, показанной на фиг. 1, иллюстрирующий внутреннюю часть устройства для газификации отходов.

На фиг. 3 – разрез, сделанный по линии 3-3, показанной на фиг. 1, иллюстрирующий внутреннюю часть устройства для газификации отходов.

На фиг. 4 – увеличенный разрез камеры повышенного давления в трубке Вентури, предназначенной для обеспечения рециркуляции и показанной на фиг. 2.

На фиг. 5 – поперечное сечение вращательного узла импульсного клапана.

На фиг. 6 – другое поперечное сечение вращательного узла импульсного клапана, иллюстрирующее средство для крепления клапана к стандартному газопроводу.

Предпочтительное в настоящее время устройство для газификации отходов на фиг. 1 указано общим ссылочным номером 10. Устройство 10 газификатора, соответствующее настоящему изобретению, иллюстрируемое на фиг. 1, имеет геодезическую камеру 12 газификации, имеющую форму сплющенного сфероида. Камера 12 газификации содержит входной патрубок 14 для материала фидстока. Как показано на фиг. 1-3, входной патрубок 14 для материала фидстока предпочтительно расположен в верхней области камеры 12 газификации. Выходной патрубок 16 для рабочего газа, образованного продуктами сгорания, позволяет удаление газов, образованных продуктами сгорания, из камеры 12 газификации. Рабочие газы, образованные продуктами сгорания, как правило, содержат смесь поддающихся конденсации углеводородных соединений и топливных газов, которые могут быть отведены для применения в качестве топлива или сырья. Множество входных патрубков 18, 20 и 22 для газообразного окислителя обеспечивает возможность введения газообразного окислителя в различные внутренние области в камере 12 газификации. Входные патрубки 18, 20 и 22 для газообразного окислителя предпочтительно соединены с клапанами (не показаны) для регулирования давления и скорости потока газообразного окислителя, проходящего через входные патрубки. Выходной патрубок 24 для золы обеспечивает возможность удаления золы газифицированного материала фидстока. Выходной патрубок 24 для золы может содержать известный или новый затвор для удаления золы (не показан) или аналогичное устройство для удаления золы при сохранении давления в камере 12 газификации. Входной патрубок 26 для горючего газа обеспечивает возможность введения дополнительного топлива в камеру газификации в течение запуска процесса газификации для нагрева камеры газификации до требуемой рабочей температуры. Дополнительное топливо может быть также введено в камеру газификации при необходимости дополнительного регулирования процесса газификации.

На фиг. 2 и фиг. 3 иллюстрируется внутренняя конфигурация камеры 12 газификации. Канал 28 материала фидстока, выполненный из сетки или сетчатого материала, подает материал фидстока из входного патрубка 14 для материала фидстока к зоне 30 испарения. Как показано, зона 30 испарения имеет в общем расходящуюся в направлении вниз форму, которая открывается в зону 32 газификации. Материал фидстока, входящий в зону испарения, частично испаряется. Испаренные и легкие частицы поднимаются вверх, как более подробно описано ниже, тогда как более тяжелый неиспаренный фидсток опускается в зону 32 газификации. Зона испарения представляет собой верхнюю часть колонны испарения, проходящей через центральную ось камеры 12 газификации. Как показано, зона 32 газификации постепенно сужается, образуя зону 34 улавливания золы, предназначенную для улавливания золы, образуемой в результате газификации материала фидстока.

Камера газификации содержит одну или более трубок 35 Вентури, предназначенных для обеспечения рециркуляции, каждая труба Вентури имеет входное отверстие 36 для рециркуляции газа, расположенное выше зоны 30 испарения, канал 38 рециркуляции, камеру 40 повышенного давления и выходное отверстие 42 трубки Вентури, предназначенное для выхода газа, направленное к зоне 32 газификации. Как лучше всего показано на фиг. 4, камера повышенного давления ограничивает кольцевую камеру 44. Входной патрубок 18 для газообразного окислителя и входной патрубок 26 для горючего газа входят в кольцевую камеру 44. Камера 40 повышенного давления имеет внутреннее кольцо 46, которое расходится через трубку 35 Вентури. Кольцо 46 камеры повышенного давления имеет множество отверстий 48. Отверстия 48 дают возможность газообразным окислителям и другим химически активным газам проходить из камеры повышенного давления в трубку 35 Вентури. Отверстия 48 предпочтительно направлены вниз. Это заставляет газообразный окислитель из входного патрубка 18 для газообразного окислителя и при необходимости топливо из входного патрубка 26 для горючего газа направляться вниз через трубку 35 Вентури к выходному отверстию 42 трубки Вентури.

Как показано на фиг. 4, канал 38 рециркуляции сужается так, чтобы отверстие поперечного сечения было приблизительно равно размеру внутреннего кольца 46. Область поперечного сечения трубки 35 Вентури постепенно увеличивается между камерой 40 повышенного давления и выходным отверстием 42 трубки Вентури, предназначенным для выхода газа.

Трубка 35 Вентури предпочтительного изготовлена из тугоплавкого материала, способного выдерживать воздействие высоких температур. В настоящее время для изготовления трубки Вентури тугоплавкий материал предпочитают обычной стали, поскольку он может выдерживать воздействие высоких температур непосредственно ниже по технологической цепочке от камеры 40 повышенного давления. Безусловно могут быть использованы сталь и другие конструкционные материалы, но они, как правило, имеют не столь длительный срок службы, как тугоплавкие материалы. Толщина стенки трубки 35 Вентури предпочтительно больше вблизи камеры 40 повышенного давления для обеспечения дополнительного сопротивления воздействию высоких температур. Часть канала 38 рециркуляции, которая ближе всего расположена к камере 40 повышенного давления, также предпочтительно выполнена из тугоплавкого материала, тогда как остальная часть канала 38 рециркуляции предпочтительно изготовлена из стали. Камеру 40 повышенного давления предпочтительно изготавливают из стали с тем, чтобы в ней с помощью механической обработки было бы можно получить отверстия 48 и кольцевую камеру 44.

Входные патрубки 20 для газообразного окислителя предпочтительно соединены по меньшей мере с одним воздушным импульсным клапаном 50, предназначенным для обеспечения импульсов газообразного окислителя при различных частотах и давлениях. Входные патрубки 20 для газообразного окислителя, соединенные с импульсными клапанами 50 для регулирования входа окислителя, названы воздушными пушками вследствие их способности периодически вводить мощные импульсы окислителя в камеру 12 газификации, а более конкретно – в зону 32 газификации. Воздушные пушки предпочтительно обеспечивают синусоидальные воздушные импульсы в диапазоне частот 20 Гц – 3 кГц при давлении, которого достаточно для перемешивания слоя фидстока. Рабочая температура может изменяться в зависимости от размера камеры 12 газификации и особенностей газифицируемого материала. Давление может быть в диапазоне 1-1000 фунт/кв. дюйм (6,895-6895 кПа), причем типичное рабочее давление может быть в диапазоне от 1 фунт/кв. дюйм (6,895 кПа) до более 90 фунт/кв. дюйм (620,55 кПа).

Предполагается, что используемый в этой заявке термин “воздух”, используемый в связи с воздушной пушкой, воздушным импульсным клапаном включает в себя помимо атмосферного воздуха другие виды газообразных окислителей. Предполагается также, что для химического взаимодействия с рабочим газом, образованным продуктами сгорания, в камеру сгорания могут быть введены другие химически активные газы. Примеры таких химически активных газов включают в себя, но без ограничения указанными газообразными веществами, двуокись углерода, метан, пропан, перегретый пар и другие газообразные вещества.

На фиг. 5 и фиг. 6 иллюстрируются поперечные сечения предпочтительного в настоящее время импульсного клапана 50, соответствующего настоящему изобретению. Как показано на фиг. 5 и фиг. 6, ротор 54 установлен в корпусе 56 ((прим. пер. ) на фиг. 5 и фиг. 6 позиция 56 не указана). Ротор 54 вращают посредством аксиального вала 58, соединенного с двигателем (не показан). Через центр ротора 54 проходит модифицированное ромбовидное отверстие 60. На противоположных сторонах корпуса 56 пара прорезей 62 расположена так, чтобы, когда отверстие 60 и прорези 62 совмещены, через импульсный клапан 50 был образован газовый канал. Фланец и труба 64 для выпуска воздуха соединены с корпусом 56 для обеспечения возможности соединения импульсного клапана 50 с входным патрубком 20 для газообразного окислителя.

При вращении ротора 54 в корпусе 56 взаимодействие геометрических конфигураций модифицированного ромбовидного отверстия 60 и прорезей 62 в сочетании с газом высокого давления во входном патрубке 20 для газообразного окислителя создает описанные выше синусоидальные импульсы давления газа.

Входные патрубки 22 для газообразного окислителя, которые направляют газообразный окислитель в зону 34 улавливания золы, используют для регулирования содержания углерода в результирующей золе. Большие количества окислителя способствуют более полному сгоранию углеродистых материалов фидстока. При избытке кислорода может быть получена зола с содержанием углерода менее 5 мас. %. Небольшое содержание окислителя или его полное отсутствие в зоне улавливания золы вызывает неполное сгорание материала фидстока, что может привести к получению углеродной сажи.

Настоящее изобретение относится к устройству и способу для широкого применения для газификации материалов фидстока, включающих в себя материалы отходов. Материал фидстока, описываемый в этой заявке, включает в себя, но без ограничения указанными ниже материалами, городские твердые отходы (включая покрышки), промышленные, строительные и сельскохозяйственные отходы и даже материалы, которые не относятся к отходам, например уголь и древесина. Предпочтительное в настоящее время устройство газификатора представляет собой одну камеру газификации, имеющую форму сплющенного сфероида, но не ограниченную такой конфигурацией конструкции, причем постоянный слой материала фидстока имеет поперечное сечение в форме обратного конуса, которое обеспечивает увеличение окислительной способности по мере опускания материала фидстока к зоне улавливания золы. Высота камеры газификации может быть изменена для увеличения или уменьшения длины пути химического взаимодействия через устройство газификатора и изменения зоны испарения.

Ниже приведено описание способа газификации материала фидстока в описанном устройстве газификатора, имеющем форму сплющенного сфероида. В этом описании в качестве материала фидстока использовали покрышки, но должно быть очевидным, что могут быть использованы другие материалы фидстока, например отходы и материалы, которые нельзя отнести к отходам.

Используемые покрышки предпочтительно подают в камеру газификации посредством питателя экструзионного типа под давлением, величина которого достаточно велика для экструдирования резины покрышек во входной патрубок 14 для материала фидстока. Экструдер высокого давления обеспечивает также герметизацию входного патрубка 14 для материала фидстока от атмосферы. При выборе конструкции питателя важно, чтобы питатель был способен вводить материал фидстока в камеру газификации, имеющую повышенное давление. В зависимости от особенностей подлежащего газификации материала фидстока могут быть использованы различные конструкции питателей. Например, для введения высушенного материала отходов в имеющую повышенное давление камеру газификации могут оказаться пригодными конические питательные клапаны, такие как описаны в патенте США N 5484465.

При вхождении материала фидстока в зону 30 испарения материал фидстока частично испаряется благодаря теплу из зоны 32 газификации. Происходит разделение твердых, жидких и парообразных материалов. Пары и легкие частицы втягиваются вверх по направлению к входным отверстиям 36 трубок Вентури, предназначенным для обеспечения рециркуляции, а более тяжелые твердые вещества и жидкости продолжают опускаться вниз к зоне 32 газификации и в конце концов образовывать в зоне 32 газификации и в зоне 34 улавливания золы слой материала фидстока.

В камере 12 газификации используют одну или более трубок 35 Вентури, предназначенных для обеспечения рециркуляции, для отсасывания испаренного материала непосредственно над зоной 32 газификации, которая является наиболее окисленной областью и самой горячей частью камеры 12 газификации. При движении твердых и жидких веществ вниз в зону 32 газификации дополнительный твердый и жидкий материал испаряется и захватывается потоком рециркуляции трубок 35 Вентури, которые повторно вводят пары и легкие частицы в зону 32 газификации. Жидкие и испаренные материалы постепенно восстанавливаются до не поддающегося конденсации стабильного топливного газа.

Как указано выше, входные патрубки 18, 20 и 22 для газообразного окислителя обеспечивают возможность регулирования реакций горения и испарения и потока рециркуляции в камере газификации так, чтобы в результате образовывался стабильный продукт. Газообразный продукт извлекают из камеры 12 газификации через выходной патрубок 16 для рабочего газа, образованного продуктами сгорания. Для выхода из выходного патрубка 16 для рабочего газа, образованного продуктами сгорания, газообразный продукт должен войти в верхнюю зону 68 в камере 12 газификации. В этой верхней зоне 68 газ движется с низкой скоростью, которая заставляет захваченные частицы опускаться назад в зону 32 газификации. Это обеспечивает низкое содержание порошковых частиц в газообразном продукте.

Применение импульсных клапанов 50 и воздушных пушек, связанных с входными патрубками 20 для газообразного окислителя, обеспечивает перемешивание и адекватную проницаемость слоя материала фидстока. Твердые частицы в испаренном материале имеют возможность (вследствие наличия потока рециркуляции трубок 35 Вентури) отфильтровываться слоем материала фидстока, обеспечивая более длительное время пребывания в зоне, имеющей самую высокую температуру, камеры 12 газификации. В этом случае захваченные частицы непрерывно удаляются слоем материала фидстока, приводя к получению газообразного продукта с низким содержанием порошковых частиц. При применении химических реагентов, например химических соединений для очистки газа, такой поток рециркуляции увеличивает время пребывания в контактном взаимодействии с горячими рабочими газами, образованными продуктами сгорания, обеспечивая благодаря этому удаление соединений SO_x или осуществление требуемой химической реакции. Применение химических соединений для очистки газа в камере газификации исключает необходимость химической очистки ниже по технологической цепочке от газификатора.

Воздушные импульсные клапаны 50 для обеспечения синусоидальной формы волны, которая перемешивает слой материала фидстока, могут работать синхронно и несинхронно. Как указано выше, частота импульсов может быть в диапазоне 20 Гц – 3 кГц в зависимости от скорости срабатывания клапанов. Амплитуда импульсов может быть изменена путем изменения давления газа, как правило, рабочего давления в диапазоне от одного до нескольких сот фунтов/кв. дюйм (1 фунт/кв. дюйм = 6,895 кПа). Изменение скоростей входного потока газообразного окислителя и потока рециркуляции обеспечивает регулирование процесса газификации и дает возможность использования множества различных материалов фидстока.

Камера 12 газификации может работать при температурах, которые ниже температур ошлаковывания большинства органических материалов. Типовые температуры в зоне газификации находятся в диапазоне 350-2150^oF (180-1180^oC). Конденсирующиеся пары газового потока выходят в виде испаренного материала, причем восстановление скрытого тепла позволит извлекать эти материалы. Температура, при которой работает газификатор, определяет наличие конденсирующихся паров в выходном потоке и производство топливного газа, не поддающегося конденсации.

Газообразный окислитель предпочтительно вводят через входные патрубки 22 в зону улавливания золы для регулирования содержания углерода золы ниже 5 мас. % и при необходимости получения высокого содержания углерода в золе, например для получения углеродной сажи входные патрубки 22 для газообразного окислителя могут быть перекрыты.

Формула изобретения

1. Устройство газификатора, содержащее камеру газификации, имеющую входной патрубок для материала фидстока, расположенный в верхней области камеры газификации, зону испарения, расположенную ниже входного патрубка для материала фидстока, имеющую расходящуюся вниз конфигурацию, зону газификации, расположенную в камере газификации ниже зоны испарения, зону улавливания золы, предназначенную для улавливания золы, образуемой в процессе газификации материала фидстока, имеющую конфигурацию, сходящуюся в направлении вниз, по меньшей мере одну трубку Вентури, предназначенную для обеспечения рециркуляции, имеющую входное отверстие для газа рециркуляции, камеру повышенного давления и выходное отверстие трубки Вентури, направленное к входному патрубку для газообразного окислителя, и множество отверстий, которые направляют газообразный окислитель к выходному отверстию трубки Вентури, множество воздушных пушек, направленных к зоне газификации для обеспечения импульсного воздушного потока в зоне газификации, и выходной патрубок для рабочего газа, образованного продуктами сгорания, предназначенный для отвода рабочего газа, образованного продуктами сгорания, из камеры газификации.

2. Устройство газификатора по п. 1, в котором камера повышенного давления дополнительно содержит входной патрубок для горючего газа.

3. Устройство газификатора по п. 1, в котором входные патрубки для газообразного окислителя соединены с клапанами для регулирования входа окислителя.

4. Устройство газификатора по п. 1, в котором воздушные пушки соединены по меньшей мере с одним воздушным импульсным клапаном для обеспечения синусоидальных воздушных импульсов, генерируемых с частотой в диапазоне от 20 Гц до 3 кГц.

5. Устройство газификатора по п. 1, в котором воздушные пушки генерируют воздушные импульсы, имеющие давление в диапазоне 1-1000 фунт/кв. дюйм (6,895-6895 кПа).

6. Устройство газификатора по п. 1, дополнительно содержащее множество входных патрубков для газообразного окислителя, направленных к зоне улавливания золы.

7. Устройство газификатора по п. 1, дополнительно содержащее входной патрубок для химического реагента, предназначенный для введения химического реагента в зону газификации для обеспечения химической реакции с материалом фидстока или с его побочными продуктами.

8. Устройство газификатора по п. 7, в котором химический реагент является химическим соединением для очистки газа, предназначенным для удаления соединений SO_x.

9. Устройство газификатора по п. 1, дополнительно содержащее верхнюю зону, обеспечивающую газовое сообщение между зоной газификации и выходом рабочего газа, образованного продуктами сгорания, в котором скорость газа в верхней зоне достаточно мала, чтобы заставлять захваченные частицы опускаться назад в зону газификации.

10. Устройство газификатора по п. 1, в котором камера газификации имеет форму сплющенного сфероида.

11. Устройство газификатора по п. 1, дополнительно содержащее множество трубок Вентури, предназначенных для обеспечения рециркуляции.

12. Способ газификации горючего фидстока, предусматривающий а) подачу материала фидстока в камеру газификации, имеющую зону газификации, расположенную в центральной области в камере газификации, зону улавливания золы, предназначенную для улавливания золы, образуемой в процессе газификации материала фидстока, имеющую конфигурацию, сходящуюся в направлении вниз, по меньшей мере одну трубку Вентури, предназначенную для обеспечения рециркуляции, имеющую входное отверстие для газа рециркуляции, камеру повышенного давления и выходное отверстие трубки Вентури, направленное к зоне газификации, и множество отверстий, которые направляют газообразный окислитель к выходному отверстию трубки Вентури для создания рециркуляции газового потока через трубку Вентури к зоне газификации; б) введение газообразного окислителя в камеру повышенного давления каждой трубки Вентури, предназначенной для обеспечения рециркуляции, для создания рециркуляции газового потока вверх из зоны газификации и вниз через трубку Вентури к зоне газификации; в) обеспечение импульсного воздушного потока в зоне газификации из множества воздушных пушек, направленных к зоне газификации, в которой импульсный воздушный поток перемешивает материал фидстока; г) регулирование скорости потока материала фидстока и входов газообразного окислителя с тем, чтобы поддерживать температуру в зоне газификации в диапазоне 180-1180^oС, и д) отвод рабочего газа, образованного продуктами сгорания, из камеры газификации.

13. Способ газификации горючего фидстока по п. 12, дополнительно предусматривающий воспламенение материала фидстока в камере газификации.

14. Способ газификации горючего фидстока по п. 13, дополнительно предусматривающий введение в камеру повышенного давления горючего газа в процессе воспламенения.

15. Способ газификации горючего фидстока по п. 12, в котором для регулирования перемешивания материала фидстока в зоне газификации предусмотрен импульсный воздушный поток, генерируемый с частотой от 20 Гц до 3 кГц.

16. Способ газификации горючего фидстока по п. 12, в котором импульсный воздушный поток предусмотрен при давлении в диапазоне 1-1000 фунт/кв. дюйм (6,895-6895 кПа).

17. Способ газификации горючего фидстока по п. 12, дополнительно предусматривающий введение в зону газификации химического реагента для обеспечения химической реакции с материалом фидстока или с его побочными продуктами.

18. Способ газификации горючего фидстока по п. 12, дополнительно предусматривающий введение газообразного окислителя в зону улавливания золы для уменьшения содержания углерода в золе.

19. Способ газификации горючего фидстока по п. 12, в котором камера газификации имеет форму сплющенного сфероида.

20. Устройство газификатора, содержащее входной патрубок для материала фидстока, предназначенный для введения материала фидстока в газификатор, зону газификации, расположенную в газификаторе, для газификации материала фидстока в указанной зоне газификации, множество воздушных пушек, соединенных с импульсными клапанами, направленных к зоне газификации для обеспечения импульсного воздушного потока в зоне газификации, который перемешивает материал фидстока в зоне газификации, зону улавливания золы, предназначенную для улавливания золы, образуемой в процессе газификации материала фидстока, по меньшей мере одну трубку Вентури, предназначенную для обеспечения рециркуляции, имеющую входное отверстие для газа рециркуляции, камеру повышенного давления и выходное отверстие трубки Вентури, направленное к зоне газификации, в которой камера повышенного давления содержит входной патрубок для газообразного окислителя и множество отверстий, которые направляют газообразный окислитель к выходному отверстию трубки Вентури, и выходной патрубок для рабочего газа, образованного продуктами сгорания, предназначенный для отвода из газификатора рабочего газа, образованного продуктами сгорания.

РИСУНКИ