СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ В ТОПЛИВО Российский патент 2015 года по МПК C10G1/00 C10G9/00 C10B53/02 C10L1/00 

Изобретение относится к области переработки органических отходов, в частности к технике переработки отходов животноводства и птицеводства, а также древесины и других видов биомассы, которые после быстрого пиролиза в реакторе при высокой температуре в среде газообразных углеводородов в отсутствие кислорода образовывают смолистые высокомолекулярные вещества, склонные к отверждению, и может быть использовано в сельском хозяйстве, коммунальном хозяйстве, в топливной промышленности в качестве топлива для транспортных средств, теплоэлектростанций, котельных и т.д.

Известен способ переработки органических веществ в газообразное и жидкое топливо (RU 2265625, Кл. C08J 11/00, F23G 5/027, F23G 7/00, 2005 г.) путем их измельчения и нагрева без доступа воздуха сначала в камере удаления влаги, а затем в камере пиролиза с переводом продуктов пиролиза в парогазовую фазу и последующей конденсацией части парогазовой фазы в жидкое топливо. Время термической обработки органического вещества в камере удаления влаги изменяют в зависимости от его влажности, измеряемой в потоке органического вещества, например, электрическим датчиком, постоянно передающим сигнал устройству, регулирующему скорость подачи органического вещества в камеру удаления влаги и/или протяженность зоны нагрева органического вещества в камере удаления влаги, а в камере пиролиза время термической обработки фракций органического вещества, различающихся по размерам частиц, изменяют в зависимости от размеров частиц органического вещества, для чего увеличивают суммарное время нахождения более крупных частиц вещества в зоне нагрева камеры пиролиза до их полного разложения за счет многократного прохождения этой зоны путем повторной загрузки неразложившихся частиц в зону нагрева и их повторной термической обработки.

Однако качество топлива, полученного указанным способом, невысокое из-за большого загрязнения его смолистыми веществами, полученными в результате пиролиза.

Известен способ термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо (RU 2395559, Кл. C10B 57/10, C10B 51/00, C10B 47/00, C10B 49/02, 2010 г.) путем нагрева сначала в камере сушки, а затем без доступа воздуха в камере пиролиза с переводом продуктов пиролиза в уголь и газообразное топливо - парогазовую смесь с последующей конденсацией части парогазовой смеси в жидкое топливо. Часть несконденсированной парогазовой смеси после предварительного подогрева до температуры 450-520°C подается в камеру пиролиза в количестве, обеспечивающем время пребывания продуктов пиролиза в камере пиролиза не более 2 с и избыточное давление в камере пиролиза на уровне 500-1000 Па.

Продукты конденсации (жидкого и газообразного топлива), полученные по известному способу, также не обладают высоким качеством из-за наличия в них смолистых элементов, и, кроме того, способ достаточно сложный, т.к. требует избыточного давления.

Известен способ переработки твердых органосодержащих веществ и отходов в газообразное и жидкое топливо (RU 2281312, C10B 49/00, C10B 53/00, C08J 11/12, F23G 5/027, 2006 г.) путем нагрева их с заданной скоростью нагрева, с последующим направлением полученных газообразных фракций на дальнейшую переработку конденсацией. Органосодержащие вещества и отходы измельчают до размеров частиц 0,05-5 мм, а высокоскоростной нагрев осуществляют без доступа воздуха со скоростью нагрева 10-10⁶ град/с при температуре 751-1000°C в течение 10-10^-5 с, очистку полученного газообразного топлива осуществляют путем пропускания через жидкую фракцию предварительно сконденсированного топлива, при этом органосодержащее вещество и отходы спрессовывают между вращающимися валами при температуре валов 751-1000°C в течение 10-10^-5 с, а скорость подачи органосодержащего вещества и отходов устанавливают в пределах V=(0,02÷10,2)D, где V - скорость подачи, г/с, D - диаметр валов, см, при скорости вращения валов 1-100 об/мин.

Однако указанный способ требует повышенного расхода электроэнергии и также не обладает высоким качеством.

Прототипом изобретения является способ термохимической переработки органического сырья в топливные компоненты (RU, 2265625, Кл. C10L 5/48, F23G 5/027, 2006 г.), включающий загрузку сырья в реактор для термохимической переработки, термохимическую переработку (быстрый пиролиз), осуществляемую в потоке газообразного теплоносителя, вводимого в нижнюю часть реактора, выгрузку углистого твердого остатка и разделение парогазовой смеси на жидкую и газовую составляющие. Перед загрузкой в реактор в органическое сырье вводят катализатор, осуществляют предварительный прогрев и дополнительную продувку органического сырья от кислорода, для равномерной и полной обработки сырья в реактор, по меньшей мере, в двух местах, вводят газообразный теплоноситель, который готовят вне реактора. Разделение парогазовой смеси производят путем ее ступенчатого пропускания через разделительные аппараты, где выделяют из смеси не менее двух фракций жидких углеводородов и топливный газ, после чего смесь пропускают через теплообменник для сбора остатков фракций жидких углеводородов, далее смесь направляют в циклон-сепаратор, где окончательно отделяют фракции жидких углеводородов, а очищенный топливный газ направляют для дальнейшего использования.

Недостатком указанного способа является невысокий выход газообразного и жидкого топлива и невысокое его качество.

Задачей изобретения является разработка способа переработки органического сырья в топливо, в том числе: жидкое, газообразное и углистое, дающего при пиролизе смолистые компоненты с одновременной возможностью регулирования выхода топливного газа и жидких углеводородов.

Техническим результатом изобретения является повышение выхода и качества жидкого и газообразного топлива.

Поставленная задача и, как следствие, технический результат достигаются тем, что способ переработки органического сырья в топливо, включает термохимическую переработку сырья в реакторе быстрого пиролиза с последующей конденсацией парогазовой смеси в конденсаторе-холодильнике, выделением из нее фракций жидких углеводородов и топливного газа с дальнейшей их очисткой. Согласно изобретению температуру парогазовой смеси на пути его перемещения из реактора до входа в конденсатор-холодильник поддерживают на уровне 450-700°C, при этом пирогазовую смесь сначала конденсируют холодной водой с температурой 0-65°C при соотношении вода : пирогазовая смесь = 2÷1-3÷1, удаляют из конденсатора-холодильника образовавшийся топливный газ, который вторично охлаждают, выделяя из него воду путем конденсации водяного пара и направляют на быстрый пиролиз, после наполнения емкости конденсатора-холодильника водой и снижения температуры до 65°C из нее сливают воду с жидким топливом из легких углеводородов, а оставшийся в конденсаторе-холодильнике смолистый осадок растворяют при перемешивании мешалкой в течение 30-40 минут биоэтанолом.

Процесс конденсации парогазовой смеси в конденсаторе-холодильнике, состоящем из двух одинаковых конденсаторов-холодильников, осуществляют попеременно, после наполнения одной емкости водой ее отключают от подачи пирогазовой смеси для растворения смолистого осадка, а вторую емкость включают для поступления в нее парогазовой смеси.

Перед подачей пирогазовой смеси в конденсатор-холодильник ее целесообразно пропускать через фильтр для очистки от твердых включений. При этом подачу воды в конденсатор-холодильник осуществляют путем ее распыления форсункой, создающей пленку воды толщиной не более 2 мм на пути пирогазовой смеси. Скорость вращения мешалки при растворении смолистого осадка биоэтанолом должна составлять 20-50 об/мин.

При снижении температуры парогазовой смеси, выходящей из реактора, ниже 450°C начнется конденсация высокомолекулярных смолистых веществ прямо в трубопроводе, что приведет к быстрому его засмолению и потребует очистки, из-за чего снизится выход пирожидкости, а следовательно, и производительность установки. При повышении температуры парогазовой смеси выше 700°C произойдет передел пирожидкости в пирогаз и процесс станет неуправляемым. Кроме того, с помощью температуры возможно регулировать выход топливного газа и жидких углеводородов, для увеличения выхода пирожидкости до 70% (масс.) температуру поддерживают на уровне 450-550°C, а при увеличении температуры до 700°C повышается выход пирогазов до 80%.

Охлаждение пирогазовой смеси необходимо осуществлять в конденсаторе-холодильнике холодной водой, при этом при повышении температуры воды свыше 65°C произойдет испарение спирта из смеси биоэтанола-растворителя и пирожидкости, что создаст невозможные условия дальнейшей операции растворения смолистых веществ. Чем ниже температура воды, подаваемой на охлаждение пирогазовой смеси, тем выше качество будет у конечного продукта - жидкого углеводорода и топливного газа.

Распыление холодной воды форсункой обеспечивает максимальное увеличение поверхности охлаждения и конденсации у пирогаза за меньшее время, что ведет к более быстрой и полной конденсации пирожидкости. При этом, чем быстрее происходит охлаждение и конденсация газов, тем меньше образуется смолистых веществ, тем выше получается качество топлива. Толщина пленки воды, образуемой форсункой, подобрана экспериментальным путем и является оптимальной для охлаждения пирогазовой смеси.

Выбор соотношения воды, подаваемой на охлаждение, и пирогазовой смеси должно быть в пределах 2÷1-3÷1. Если количество воды снизить, то увеличивается время конденсации и снизится качество топливных продуктов в связи с увеличением смолистых веществ, при увеличении воды качество тоже снизится, но из-за увеличения воды в пирожидкости, состоящей из легких углеводородов.

Выбор растворителя - биоэтанола, время растворения и скорость вращения мешалки подобраны также экспериментальным путем, при этом выход из указанных режимов снизит выход топливных продуктов и их качество. При этом уменьшение времени растворения и скорости вращения мешалки приведет к отверждению высокомолекулярных смолистых соединений, а также приведет к их слипанию и образованию комков, а превышение времени и скорости вращения мешалки - нецелесообразно в связи с увеличением затрат энергии.

Способ переработки органического сырья в газообразное, жидкое и углистое топливо иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1

В качестве исходного сырья брали птичий помет в смеси с древесиной в соотношении 3:1 в количестве до 24 кг. Смесь подавали в реактор быстрого пиролиза с помощью питателей и пиролизного газа в виде газовзвеси из расчета 24 кг/час. В газовзвеси полностью отсутствовал свободный кислород. В реакторе в течение примерно 0,8-1,5 сек находящееся там сырье перерабатывалось при температуре 470-500°C в карбонизат и пирогаз в гидродинамическом режиме - закрученные потоки. В реакторе одновременно с реакцией протекала сепарация - твердые частицы отделялись от газообразного продукта. Степень разделения была примерно 0,8. Далее твердые частицы собирались в охлаждаемый бункер и выводились из процесса при температуре ниже 50°C, а газообразные продукты направлялись в блок очистки-конденсации.

Из реактора полученная пирогазовая смесь при температуре 500°C поступала в блок очистки-конденсации, включающий в себя фильтры, тягодутьевую машину, конденсатор-холодильник, состоящий из двух емкостей с мешалками и с одной общей стенкой, работающих попеременно. Объем каждой емкости при производительности установки 25 кг/час пирогазовой смеси составляет 80 л. Пирогазовая смесь поступала в одну из емкостей конденсатора-холодильника и встречалась с водяной пленкой толщиной 2 мм, образованной форсункой. В емкость также подавали регулируемый поток воды при температуре 12°C в количестве 40 л/час, что составляло соотношение вода : пирогазовая смесь как 2:1. Пирогазовая смесь при температуре 500°C, столкнувшись с водой, мгновенно охлаждалась, и та ее часть, которая может конденсироваться, конденсируется. Вода при этом в основном испарялась, а частично вместе с конденсатом попадала в цилиндрическую часть емкости. Неконденсируемые газы и пары воды выводили через отводной штуцер из емкости конденсатора-холодильника. Пирожидкость со смолистыми веществами поступала вниз емкости и вовлекалась во вращательное движение валами, движущимися со скоростью 30 об/мин. При этом процесс охлаждения смолистых веществ и пирожидкости продолжался до снижения температуры до 65°C. После этого подача пирогазовой смеси в первую емкость прекращалась, и пирогазовая смесь начинала поступать во вторую емкость. Из первой емкости сливали пирожидкость с водой, которые направлялись на центрифугу для отделения воды от пирожидкости. В емкость заливали биоэтанол и при перемешивании мешалкой со скоростью 30 об/мин в течение 30 мин растворяли смолистые вещества, затем раствор сливали в емкость. Выходящие из конденсата газы направляли в водяной холодильник-конденсатор, в котором воду отделяли от газов. Воду направляли на технологические нужды, а газы - на линию быстрого пиролиза.

В результате переработки по указанной методике было получено 12 кг пирожидкости с теплотой сгорания 28-32 МДж/кг, кинематической вязкостью 0,05×10^-3 м²/сек, 9 кг пирогазов с теплотой сгорания 30 МДж/нм³ и примерно 3 кг углистого вещества с содержанием углерода до 92%.

Пример 2

Способ осуществлялся аналогично примеру 1, с тем же сырьем и теми же режимами, кроме температуры, которую поддерживали на уровне 700°C на пути от реактора до конденсатора-холодильника. В этом случае было получено 14 кг пирогаза такого же, как и ранее качества, 5 кг пирожидкости низкого качества и 6 кг углистого вещества.

Пример 3

Способ реализовывали аналогично примеру 1, однако в качестве сырья использовали льняную костру. Состав костры: целлюлоза (45-50%), лигнин - до 29%, пентозаны - до 26%. Эксперименты проводили при температуре 550°C, при начальной влажности 7%. Соотношение вода : пирогазовая смесь как 3:1 и соответствовала 72 л/час. Воду подавали при температуре 30°C. Скорость вращения мешалки при растворении смолистого вещества 20 об/мин в течение 40 мин.

Выход продуктов следующий: пирожидкость высокого качества - 30% (теплота сгорания 34 МДж/кг, кинематическая вязкость - 0,035×10^-3 м²/с), пирогаз - 24%, твердое углистое вещество - 46%.

Пример 4

Способ реализовывали аналогично примеру 1, однако в качестве сырья использовали илистые остатки сточных вод из очистных сооружений г. Набережные Челны. Исходная влажность 65,4%, зольность - 69,6%. Температуру поддерживали на уровне 450°C, соотношение вода : пирогазовая смесь как 2:1 и соответствовала 40 л/час, скорость вращения мешалки 50 об/мин в течение 30 мин.

Выход продуктов следующий: пирожидкость высокого качества - 18,2%, пирогаз - 15,3%, карбонизат - 66,5%.

В настоящее время способ находится в процессе промышленной реализации. Проводится наладка установки ПУОС-П производительностью 100 кг/час. Сырье - птичий помет с 24% стружки буковой древесины.

Изобретение относится к области переработки органических отходов и может быть использовано в сельском, коммунальном хозяйстве, в топливной промышленности в качестве топлива для транспортных средств, теплоэлектростанций, котельных. Способ переработки органического сырья в топливо включает термохимическую переработку сырья в реакторе быстрого пиролиза с последующей конденсацией парогазовой смеси в конденсаторе-холодильнике, выделение из нее фракций жидких углеводородов и топливного газа с дальнейшей их очисткой, отличающийся тем, что температуру парогазовой смеси на пути его перемещения из реактора до входа в конденсатор-холодильник поддерживают на уровне 450-700°C, при этом парогазовую смесь сначала конденсируют холодной водой с температурой 0-65°C при соотношении вода : парогазовая смесь = 2÷1 - 3÷1, удаляют из конденсатора-холодильника образовавшийся топливный газ, который вторично охлаждают, выделяя из него воду путем конденсации водяного пара, и направляют на быстрый пиролиз, после наполнения емкости конденсатора-холодильника водой и снижения температуры до 65°C из нее сливают воду с жидким топливом из легких углеводородов, а оставшийся в конденсаторе-холодильнике смолистый осадок растворяют при перемешивании мешалкой в течение 30-40 минут биоэтанолом. Технический результат - получение пирожидкости с теплотой сгорания 28-32 МДж/кг, также получают пирогаз, при этом также осуществляют растворение смолистых вещкств. 4 з.п. ф-лы, 4 пр.

1. Способ переработки органического сырья в топливо, включающий термохимическую переработку сырья в реакторе быстрого пиролиза с последующей конденсацией прогазовой смеси в конденсаторе-холодильнике, выделением из нее фракций жидких углеводородов и топливного газа с дальнейшей их очисткой, отличающийся тем, что температуру прогазовой смеси на пути ее перемещения из реактора до входа в конденсатор-холодильник поддерживают на уровне 450-700°C, при этом пирогазовую смесь сначала конденсируют холодной водой с температурой 0-65°C при соотношении вода : пирогазовая смесь = 2÷1 - 3÷1, удаляют из конденсатора-холодильника образовавшийся топливный газ, который вторично охлаждают, выделяя из него воду путем конденсации водяного пара, и направляют на быстрый пиролиз, после наполнения емкости конденсатора-холодильника водой и снижения температуры до 65°C из нее сливают воду с жидким топливом из легких углеводородов, а оставшийся в конденсаторе-холодильнике смолистый осадок растворяют при перемешивании мешалкой в течение 30-40 минут биоэтанолом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что процесс конденсации прогазовой смеси в конденсаторе-холодильнике, состоящем из двух одинаковых конденсаторов-холодильников, осуществляют попеременно, после наполнения одной емкости водой ее отключают от подачи пирогазовой смеси для растворения смолистого осадка, а вторую емкость включают для поступления в нее прогазовой смеси.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что перед подачей пирогазовой смеси в конденсатор-холодильник ее пропускают через фильтр, очищая от твердых включений.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу воды в конденсатор-холодильник осуществляют путем ее распыления форсункой, создающей пленку воды толщиной не более 2 мм на пути пирогазовой смеси.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость вращения мешалки при растворении смолистого осадка биоэтанолом составляет 20-50 об/мин.