СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОЭТАНОЛА Российский патент 2014 года по МПК F23G5/30 

Изобретение относится к способу эксплуатации установки для производства биоэтанола, в котором органические отходы процесса производства, прежде всего DGS и DDGS, сжигают, и полученное таким образом полезное тепло снова подводят к этой же установке.

Известны способы сжигания образующихся в установках для производства биоэтанола органических отходов производства, которые получаются в виде барды или высушенных гранулированных продуктов, известных как DGS (Distillers Dried Grains) и DDGS (Distillers Dried Grains with Solubles), и использования полученного таким образом полезного тепла в этих установках. Этот способ можно найти, например, в интернет-энциклопедии WIKIPEDIA по состоянию на октябрь 2008 года под ключевым словом «Биоэтанол». Однако разновидность процесса сжигания и возникающие при этом температуры в этом литературном источнике найти не удается.

Используемыми в настоящее время видами утилизации DGS и DDGS являются использование в качестве корма для скота, в качестве удобрения, в качестве субстрата для установок по производству биогаза, а также сжигание на работающих на биомассах тепловых электростанциях. При этих видах утилизации отходы производства транспортируются от установок по производству биоэтанола к месту утилизации.

Задача данного изобретения заключается в видоизменении вышеописанного способа таким образом, чтобы стали возможными более рациональная эксплуатация установки для производства биоэтанола и более дешевая утилизация органических отходов производства.

Эта задача согласно изобретению решена за счет того, что:

а) отходы производства сжигают в печи с кипящим слоем, и от всех объемов (9, 11), в которых происходит процесс сжигания, отводят такое количество тепла, что ни в одном месте температура не превышает температуру плавления золы отходов производства, прежде всего 700°С;

б) полезное тепло получают частично из образующихся при сгорании дымовых газов и частично из тепла, отводимого из процесса сжигания для поддержания максимальной температуры.

Изобретение основывается на содержащихся в литературном источнике «WIKIPEDIA» основных идеях не транспортировать органические отходы из процесса производства биоэтанола в другое место для утилизации, а сжигать их на месте и использовать полученное полезное тепло в самой установке. В установке для производства биоэтанола существует много возможностей использования тепла, например для получения пара или прямого нагрева деталей установки или материалов.

Изобретение выходит за рамки этих известных идей, и предлагает процесс сжигания проводить в печи с кипящим слоем. Если процесс сжигания в ней проводится так, что ни в одном месте температура не превышает температуру плавления золы отходов производства, то образуется мелкозернистая твердая зола, которая подмешивается к кипящему слою и может быть без проблем извлечена из него. Если бы, как предлагается в изобретении, тепло из процесса сжигания не отводилось, то температура бы поднялась до значения, при котором образовавшаяся зола плавится. Однако жидкая зола удаляется намного труднее, чем твердая мелкозернистая зола, образующаяся в процессе согласно изобретению.

Предлагаемое согласно изобретению охлаждение камеры сгорания до температуры ниже температуры плавления золы отходов не приводит к заметному снижению теплового коэффициента полезного действия, так как отведенное тепло используется так же, как и содержащееся в дымовых газах тепло.

Из-за сравнительно низкой температуры в печи с кипящим слоем согласно изобретению можно отказаться от огнеупорной футеровки корпуса печи с кипящим слоем. Это не только значительно снижает затраты; из-за меньшей массы запуск в работу и охлаждение печи с кипящим слоем происходит намного быстрее, чем у существующих печей с футеровкой.

Как уже указывалось выше, предпочтительная форма осуществления способа согласно изобретению заключается в том, что полезное тепло по меньшей мере частично используется для получения пара.

Для отвода тепла из процесса сжигания может быть использован по меньшей мере один теплообменник, через который протекает теплоноситель. Геометрия и место расположения одного или нескольких теплообменников следует выбирать в зависимости от местных условий, так, чтобы достигалась цель поддержание максимальной температуры процесса сжигания.

Теплоносителем может быть вода. Этот вариант имеет особое преимущество тогда, когда целью является прямое получение пара.

Альтернативой может быть использование масла-теплоносителя. Посредством этого масла-теплоносителя из процесса сжигания выводится тепло. Дальнейшее использование этого тепла может быть любым.

С энергетических позиций может быть целесообразным, когда воздух, который используется для создания кипящего слоя, предварительно подогревается выходящими из печи с кипящим слоем дымовыми газами.

Отходы, которые воспламенились бы при нанесении на кипящий слой, должны в принципе вводиться прямо в кипящий слой для того, чтобы они были по возможности равномерно распределены и полностью сгорали.

В случае отходов, которые при нанесении на поверхность кипящего слоя не воспламеняются, следует различать 2 случая. Если они имеют такую природу, что они будут подниматься в потоке газа над поверхностью кипящего слоя, то они также должны вводиться непосредственно в кипящий слой. Если же они имеют такую природу, что будут в потоке газа опускаться под поверхность кипящего слоя, то они должны наноситься на поверхность кипящего слоя. За счет выбора места ввода отходов происходит наилучшее смешение и сгорание отходов.

Один пример осуществления изобретения будет описан ниже при помощи рисунка. На единственной фигуре схематически показана установка для проведения процесса согласно изобретению.

Обозначенная в целом ссылочным обозначением 1 установка включает в себя в качестве главного компонента печь 2 с кипящим слоем, принцип конструкции которой хорошо известен. Ее корпус состоит из трех коаксиальных частей 3а, 3b, 3с, которые имеют осевую симметрию. Нижняя часть 3а является цилиндрической; к ней сверху примыкает коническая расширяющаяся часть 3b, над которым, наконец, находится цилиндрическая часть 3с. Корпус 3 состоит из жаропрочной стали с толщиной стенок примерно 10-15 мм и не оснащен огнеупорной футеровкой, как это имеет место у известных печей с кипящим слоем такого типа.

Самая нижняя часть За корпуса 3 разделена горизонтальным сопловым дном 4 на 2 камеры. Нижняя камера 4а исполняет роль воздушной камеры. Воздуходувка 5 засасывает воздух из внешней атмосферы по описанным ниже причинам по выбору или напрямую через трубопровод 25 или через теплообменник 13 и направляет его в воздушную камеру 4а. К соединенной с воздушной камерой 4а горелке 6 через схематически показанный трубопровод 7 подводится природный газ и воздух 8 для сжигания.

В верхней камере 4b предусмотрен распространяющийся внутрь части 3b корпуса 3 кипящий слой 9, который состоит из зернистого, инертного и термостойкого материала, прежде всего песка. Над верхним уровнем кипящего слоя 9 через схематически показанный трубопровод 10 внутрь корпуса 3 подаются подлежащие сжиганию отходы производства биоэтанола, в случае которых речь может идти о DGS или DDGS. Эта место ввода, согласно вышесказанному, особенно пригодно для отходов, которые являются сравнительно влажными и не легко возгораемыми.

Расположенная выше кипящего слоя 9 внутренняя камера 11 корпуса 3 служит в качестве успокоительной камеры. Из нее через трубопровод 12 могут отводиться горячие дымовые газы и через теплообменник 13 подаваться в парогенератор 14. Парогенератор 14 может иметь любую известную конструкцию, которая не нуждается в подробном описании. В парогенератор 14 через трубопровод 26 поступает вода. Требуемый в данном случае конечный продукт процесса, а именно горячий пар, выходит через трубопровод 15, а через трубопровод 16 - охлажденные дымовые газы, которые затем подводятся к дымовой трубе.

Как в кипящем слое 9, так и в расположенной над кипящим слоем 9 свободном внутреннем пространстве 11 корпуса 3 установлены теплообменники 17 и 18. Теплообменники 17 и 18 могут иметь любую форму, если они обеспечивают следующее. Они должны быть в состоянии охлаждать в процессе сжигания отходов производства всю камеру сгорания корпуса 3, то есть как занимаемое кипящим слоем пространство, так и расположенное над ним свободное пространство 11, до температуры ниже температуры плавления золы отходов производства. Эта температура не должна надежно и по возможности постоянно превышаться во всем объеме печи 3. В случае рассматриваемых здесь DGS и DDGS это означает, что ни в одном месте температура не должны превышать примерно 650-700°C. Каким образом при этом должны быть сделаны теплообменники 17 и 18 можно легко определить с помощью простых испытаний для каждой геометрии печи 2 с кипящим слоем и подлежащих сжиганию отходов производства.

Теплообменники 17 и 18 находятся в контуре циркуляции теплоносителя, в котором масло-теплоноситель поддерживается в состоянии циркуляции с помощью насоса 19. Циркуляционный трубопровод 20 обеспечивает циркуляцию, начиная со стороны нагнетания насоса 19, сначала через теплообменник 18 и затем к нижнему теплообменнику 17. Оттуда масло-теплоноситель через трубопровод 20 подается к теплообменнику 21, который сам находится внутри парогенератора 14. Там у масла-теплоносителя отбирается тепло и отдается для поддержания производства пара. Затем охлажденное масло-теплоноситель возвращается к насосу 19.

Вышеописанная установка 1 работает следующим образом:

При запуске установки 1 сначала в воздушную камеру 4а с помощью воздуходувки 5 подается воздух, который засасывается через трубопровод 22 или через трубопровод 25 или через теплообменник 13 из окружающей атмосферы. Поскольку в это время теплообменник 13 еще холодный, то закачиваемый воздух в обоих случаях имеет температуру окружающей среды,

Закачиваемый в воздушную камеру 4 воздух проходит через сопловое дно и псевдоожижает находящийся на ней слой песка, в результате чего образуется кипящий слой.

С помощью горелки 6, к которой через трубопроводы 7 и 8 подводятся природный газ и воздух для горения, подаваемый в камеру сгорания печи 3 через сопловое дно 4 воздух и тем самым кипящий слой нагреваются до температуры, при которой начинают гореть подаваемые через трубопровод 10 отходы производства. Если отходы производства обладают достаточной энергией, то после этой начальной стадии интенсивность горения горелки 6 может быть уменьшена или горелка может быть полностью отключена.

С помощью теплообменников 17 и 18, через которые насос 19 прокачивает масло-теплоноситель, внутри кипящего слоя 9 и расположенного над ним свободного пространства 11 вышеописанным способом поддерживается температура, находящаяся ниже температуры плавления золы отходов производства.

Это означает, что с течением времени в кипящем слое 9 накапливается твердая, мелкозернистая и сыпучая зола. Поэтому высота кипящего слоя 9 в процессе работы увеличивается. Путем измерения падения давления в кипящем слое 9 с помощью соответствующих датчиков определяется, когда кипящий слой 9 достигнет определенной высоты, которая не должны превышаться. Затем с помощью не показанного разгрузочного механизма через трубопровод 27 из кипящего слоя 9 выгружается материал, который состоит из золы и песка. Эта смесь при желании может быть разделена не описанным здесь более подробно способом, так что зола может быть утилизирована, а песок при необходимости возвращен в кипящий слой 9.

Покидающие печь 2 с кипящим слоем дымовые газы могут уносить с собой в сравнительно небольших количествах частицы золы. Эти частицы с помощью циклона, установленного в трубопроводе 12, но не показанного па рисунке, могут быть при необходимости удалены из горячих дымовых газов. Последние проходят через теплообменник 13 и подогревают воздух, который засасывается воздуходувкой 5 через трубопровод 22 и подается в воздушную камеру 4. Далее на своем пути дымовые газы попадают в парогенератор 14, где они охлаждаются с производством пара, который выходит через трубопровод, так что они в виде сравнительно холодных дымовых газов через трубопровод 16 выпускаются в атмосферу.

Образовавшееся в процессе сжигания и извлеченное теплообменниками 17 и 18 из печи в кипящим слоем тепло через циркуляционный трубопровод 20 подается в теплообменник 21 внутри парогенератора 14. Там оно вносит свой вклад в выработку пара.

Изобретение относится к способам эксплуатации установок для производства биоэтанола. Изобретение позволит повысить эффективность утилизации органических отходов для получения биоэтанола. Способ эксплуатации установки для производства биоэтанола, в котором органические отходы процесса производства, прежде всего DGS и DDGS, сжигают. Полученное таким образом полезное тепло снова подводят к этой же установке. Процесс сжигания проводят в печи с кипящим слоем. От всех объемов, в которых происходит процесс сжигания, отводят такое количество тепла, что ни в одном месте температура не превышает температуру плавления золы отходов производства, прежде всего 700°С, и образуется мелкозернистая зола, которая подмешивается к кипящему слою и утилизируется. Полезное тепло получают частично из образующихся при сгорании дымовых газов и частично из тепла, отводимого из процесса сжигания для поддержания максимальной температуры. 12 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ эксплуатации установки для производства биоэтанола, в котором органические отходы процесса производства, прежде всего DGS и DDGS, сжигают, и полученное таким образом полезное тепло снова подводят к этой же установке, отличающийся тем, что
а) отходы производства сжигают в печи (2) с кипящим слоем, и от всех объемов (9, 11), в которых происходит процесс сжигания, отводят такое количество тепла, что ни в одном месте температура не превышает температуру плавления золы отходов производства, прежде всего 700°С;
б) полезное тепло получают частично из образующихся при сгорании дымовых газов и частично из тепла, отводимого из процесса сжигания для поддержания максимальной температуры.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что полезное тепло по меньшей мере частично используют для получения пара.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для отвода тепла из процесса сжигания используют по меньшей мере один теплообменник (17, 18), через который протекает теплоноситель.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что теплоносителем является вода.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что теплоносителем является масло-теплоноситель.

6. Способ по одному из пп.1, 2, 4, 5, отличающийся тем, что воздух, который используют для получения кипящего слоя (9), подогревают выходящими из печи (2) с кипящим слоем дымовыми газами.

7. Способ по п.3, отличающийся тем, что воздух, который используют для получения кипящего слоя (9), подогревают выходящими из печи (2) с кипящим слоем дымовыми газами.

8. Способ по одному из пп.1, 2, 4, 5, 7, отличающийся тем, что отходы производства, которые воспламенились бы при нанесении на кипящий слой (9), вводят непосредственно в кипящий слой (9).

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что отходы производства, которые воспламенились бы при нанесении на кипящий слой (9), вводят непосредственно в кипящий слой (9).

10. Способ по одному из пп.1, 2, 4, 5, 7, отличающийся тем, что отходы производства, которые не воспламенились бы при нанесении на кипящий слой (9) и имеют такую природу, что они поднимались бы в газовом потоке над поверхностью кипящего слоя (9), вводят непосредственно в кипящий слой (9).

11. Способ по п.3, отличающийся тем, что отходы производства, которые не воспламенились бы при нанесении на кипящий слой (9) и имеют такую природу, что они поднимались бы в газовом потоке над поверхностью кипящего слоя (9), вводят непосредственно в кипящий слой (9).

12. Способ по одному из пп.1, 2, 4, 5, 7, отличающийся тем, что отходы производства, которые не воспламеняются при нанесении на кипящий слой (9) и имеют такую природу, что они опускаются в газовом потоке выше поверхности кипящего слоя (9), вводят на поверхность кипящего слоя (9).

13. Способ по п.3, отличающийся тем, что отходы производства, которые не воспламеняются при нанесении на кипящий слой (9) и имеют такую природу, что они опускаются в газовом потоке выше поверхности кипящего слоя (9), вводят на поверхность кипящего слоя (9).