СПОСОБ СВЧ-ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ В ТОПЛИВНЫЙ ГАЗ Российский патент 2024 года по МПК C10J3/46 B01J23/745 

Изобретение относится к способу получения высококалорийного топливного газа из твердого органического сырья, и может быть использовано в энергетической отрасли при выработке тепловой и электрической энергии.

Известен способ пиролиза коммунальных и иных отходов [RU 2767786 С1, МПК B09B 3/00, B09B 5/00, F23G 5/027, F23G 5/08, опубл. 21.03.2022] для получения топливного газа, в котором фрагментированные отходы во фракциях до диаметра 5-20 мм из резервуара вводят в питатель. Затем отходы вводят в технологическую камеру реактора, в которой материал нагревают от горячих стенок реактора и с помощью СВЧ-энергии, излучаемой в камере реактора СВЧ-излучателями. При этом материал дополнительно нагревается до температуры от 600 до 900°С, а образующиеся в результате термического разложения газы поступают в двухсекционный сепаратор. Тяжелые углеводородные фракции и осажденную сажу удаляют и возвращают в технологическую камеру ректора с помощью ленточного конвейера, а оставшиеся очищенные газы направляют в двигатель электрогенератора или сжимают в емкостях.

Высокие температуры процесса переработки требуют использования жаропрочных материалов, что существенно увеличивает себестоимость устройства и получаемого продукта.

Известен способ переработки биомассы в синтез-газ [RU 2590565 С1, МПК C10B 53/02, C10J 3/00, опубл. 10.07.2016], в котором биомассу механически смешивают с катализатором, представляющим собой смешанный оксид эмпирической формулы Mo_1.0V_0.37Te_0.2Nb_0.12O₃ либо каталитическую систему на основе высокодисперсного металла, выбранного из группы, включающей Pt, Pd, Ni, Fe, нанесенного на оксидный носитель, например TiO₂ или Fe₃O₄, способным нагреваться до высоких температур под воздействием СВЧ-излучения, при массовом соотношении биомасса : катализатор в диапазоне 1-10:1 с последующим нагреванием полученной реакционной смеси до температуры 300-340°C под воздействием СВЧ-излучения мощностью до 10 Вт в токе воздуха или кислорода при объемной скорости подачи, равной 500-2500 ч^-1. В качестве биомассы используют гидролизный лигнин либо целлюлозу.

Получение синтез-газа согласно данному способу требует использования дорогостоящих катализаторов.

Известен способ получения топливного газа путем СВЧ-пиролиза биомассы - сосновых опилок и рисовой шелухи с использованием металлокомпозитов с древесным углем в качестве катализаторов и поглотителей СВЧ-излучения [Mao S., Shu R., Guo F., Bai J., Xu L., Dong K., Wei H., Qian L. Fuel gas production from microwave-induced biomass pyrolysis using char-supported metal composites as both catalysts and microwave absorbers // International Journal of Hydrogen Energy. - 2022. - Vol. 47. - Issue 60. - P. 25309-25321, https://doi.org/10.1016/j.ijhydene. 2022.05.260], выбранный в качестве прототипа, в котором предварительно осуществляют подготовку катализатора, включающую пропитывание части биомассы или Ni(NO₃)₂·6H₂O, или Co(NO₃)₂·6H₂O или Fe(NO₃)₃·9H₂O, ее сушку и последующую карбонизацию методом микроволнового нагрева в атмосфере азота. Подготовленный катализатор смешивают с исходной биомассой в соотношении 1:1, после чего полученную смесь загружают в реактор пиролиза, продувая остальной объем азотом. Смесь нагревают СВЧ-излучением с частотой 2450 МГц до 800°C, получая топливный газ с высшей теплотой сгорания 12,5-14,0 МДж/м³.

Получаемый топливный газ имеет низкую теплоту сгорания, а сам способ характеризуется многостадийностью при приготовлении катализаторов.

Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение используемой сырьевой базы и повышение теплоты сгорания топливного газа.

Предложенный способ СВЧ-переработки твердого органического сырья в топливный газ, также как в прототипе, включает перемешивание исходного сырья с катализатором, загрузку в реактор СВЧ-пиролиза, продувку реактора азотом и нагрев смеси СВЧ-излучением с частотой 2450 МГц.

Согласно изобретению, в качестве катализатора используют или порошок железа или порошок оксида железа или смесь порошков железа и оксидов железа, которые добавляют к измельченному до фракции менее 3 мм твердому органическому сырью в количестве 5-10 мас.%. Полученную смесь гранулируют в пеллеты при температуре 20-230°C и давлении 75-225 МПа, загружают в реактор СВЧ-пиролиза и нагревают СВЧ-излучением до 550-700°C.

В качестве твердого органического сырья используют или бурый, или каменный уголь, или сосновые опилки. В качестве катализатора используют порошок оксида железа Fe₂O₃ или смесь порошков железа и оксидов железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Fe 1,0-82,0 FeO 12,7-83,8 Fe₃O₄ 5,0-15,2

Верхний предел температуры прессования, равный 230°С, обусловлен температурой начала произвольного повышения температуры при торрефикации пеллет [RU 161775 U1, МПК B27M 1/06, F27B 1/00, опубл. 10.05.2016], свыше которого возможно их самовозгорание.

Увеличение количества катализатора в составе пеллет свыше 10 мас.% нецелесообразно, так как в таком случае повышаются удельные затраты на получение топливного газа.

Повышение давления свыше 225 МПа нецелесообразно, так как не приводит к существенному увеличению характеристик гранул (Tabakaev R., Kahn V., Dubinin Y., Rudmin M., Yazykov N., Skugarov A., Alekseenko E., Zavorin A., Preis S. High-strength fuel pellets made of flour milling and coal slack wastes // Energy. 2022. - Vol. 243. - Article number 123071. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.123071), требуя при этом существенного повышения металлоемкости прессующего оборудования и увеличения энергозатрат.

При пиролизе твердого органического сырья при температурах ниже 550°C наблюдается низкая эффективность деструкции в топливный газ, кроме того, генерируемый газ имеет низкое значение теплоты сгорания (Богданов Н.Н. Полукоксование и газификация торфа. - М.: Госэнергоиздат, 1947. - 268 с.). При нагреве свыше 700°C требуется использование труднодоступных конструкционных материалов для изготовления реактора пиролиза, что существенно повышает себестоимость получаемого топливного газа.

Теплота сгорания получаемого газа находится в диапазоне от 15,2 до 24,8 МДж/м³.

Предложенный способ позволяет использовать в качестве исходного сырья любое твердое органическое топливо: сосновые опилки, некондиционные виды бурого и каменного угля, включая угольную мелочь (штыб и т.п.), что, к тому же, частично решает проблему загрязнения окружающей среды отходами различных отраслей.

В таблице 1 представлены примеры СВЧ-переработки твердого органического топлива в топливный газ при использовании различных видов твердого органического сырья и параметров процесса.

Пример 1. В качестве исходного твердого органического сырья использовали бурый уголь c Таловского месторождения (Томская область). Бурый уголь предварительно измельчали в шаровой мельнице до фракции менее 3 мм. Затем измельченный бурый уголь смешивали с порошком Fe₂O₃ с фракцией менее 1 мм, доля которого в смеси составила 10 мас.%. Смесь гранулировали в пеллеты в пресс-форме диаметром 12 мм при температуре 20°C и давлении 150 МПа, используя гидравлический пресс. Изготовленные пеллеты загружали в реактор СВЧ-пиролиза (Табакаев Р.Б., Димитрюк И.Д., Калинич И.К., Астафьев А.В., Гиль А.В., Ибраева К.Т., Чумерин П.Ю. Экспериментальное исследование СВЧ-пиролиза твердых органических топлив // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2022. - Т. 333. - № 12. - С. 190-199. DOI: 10.18799/24131830/2022/12/3789), осуществляли продувку реактора азотом. Пеллеты нагревали СВЧ-излучением с частотой 2450 МГц и мощностью 700 Вт до температуры 800°C, в результате чего получали топливный газ следующего состава: водород (Н₂) - 24,2 %, монооксид углерода (СО) - 22,1 %, метан (СН₄) - 53,5 %, диоксид углерода (СО₂) - 0,2 %, теплота сгорания топливного газа - 21 МДж/м³. Время инициирования процесса составило 80 с.

Другие примеры СВЧ-переработки твердого органического топлива в топливный газ при использовании различных видов твердого органического сырья и параметров процесса представлены в таблице 1.

СПОСОБ СВЧ-ПЕРЕРАБОТКИ ТВЕРДОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА В ТОПЛИВНЫЙ ГАЗ

Таблица 1

№ Твердое органическое сырье Катализатор Доля катализатора, мас.% Давление прессования пеллет, МПа Температура прессования пеллет, °С Температура пиролиза, °С Топливный газ Среднее время инициирования пиролиза, с Состав, об.% Теплота сгорания, МДж/кг Н₂ СО СН₄ СО₂ 1 Бурый уголь 100,0 мас.% Fe₂O₃ 9 150 20 640 24,2 22,1 53,5 0,2 21,0 80 2 Бурый уголь 100,0 мас.% Fe 10 75 25 604 40,5 36,5 22,4 0,5 17,0 51 3 Бурый уголь 100,0 мас.% Fe 1 100 40 - - - - - - Превысило 600, топливный газ не выделился, что нецелесообразно 4 Бурый уголь 0,5 мас.% Fe + 19,5 мас.% FeO + 80 мас.% Fe₃O₄ 10 75 25 - - - - - - Превысило 600, топливный газ не выделился, что нецелесообразно 5 Бурый уголь 83,0 мас.% Fe + 4,6 мас.% FeO + 12,4 мас.% Fe₃O₄ 5 75 25 - - - - - - Превысило 600, топливный газ не выделился, что нецелесообразно 6 Бурый уголь 11,5 мас.% Fe + 85,0 мас.% FeO + 3,5 мас.% Fe₃O₄ 5 225 110 - - - - - - Превысило 600, топливный газ не выделился, что нецелесообразно 7 Сосновые пилки 100,0 мас.% Fe 10 150 140 550 30,8 45,6 23,7 0,0 17,6 66 8 Сосновые пилки 82,0 мас.% Fe + 13,0 мас.% FeO + 5,0 мас.% Fe₃O₄ 10 75 120 557 22,1 43,8 34,0 0,0 20,1 71 9 Сосновые пилки 100,0 мас.% Fe₂O₃ 10 90 180 690 29,3 57,0 13,6 0,1 15,2 56 10 Каменный уголь 80,0 мас.% Fe + 12,7 мас.% FeO + 7,3 мас.% Fe₃O₄ 8 150 150 675 34,2 13,7 52,1 0,0 24,1 170 11 Каменный уголь 83,8 мас.% FeO + 15,2 мас.% Fe₃O₄ + 1,0 мас.% Fe 10 75 80 700 28,4 16,8 54,7 0,0 24,8 31 12 Каменный уголь 83,8 мас.% FeO + 15,2 мас.% Fe₃O₄ + 1,0 мас.% Fe 5 150 230 621 34,4 22,5 43,0 0,0 22,0 280 13 Каменный уголь 100,0 мас.% Fe 10 225 15 615 29,3 23,2 47,5 0,0 23,1 25 14 Каменный уголь 100,0 мас.% Fe₂O₃ 10 225 150 695 24,2 22,1 53,5 0,2 24,6 80

Изобретение относится к способу получения высококалорийного топливного газа из твердого органического сырья и может быть использовано в энергетической отрасли при выработке тепловой и электрической энергии. Способ СВЧ-переработки твердого органического сырья в топливный газ включает перемешивание исходного сырья с катализатором, загрузку в реактор СВЧ-пиролиза, продувку реактора азотом и нагрев смеси СВЧ-излучением с частотой 2450 МГц. В качестве катализатора используют или порошок железа, или порошок оксида железа, или смесь порошков железа и оксидов железа, которые добавляют к измельченному до фракции менее 3 мм твердому органическому сырью в количестве 5-10 мас.%. Полученную смесь гранулируют в пеллеты при температуре 20-230 °C и давлении 75-225 МПа, загружают в реактор СВЧ-пиролиза и нагревают СВЧ-излучением до 550-700 °C. Технический результат - расширение используемой сырьевой базы и повышение теплоты сгорания топливного газа. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

1. Способ СВЧ-переработки твердого органического сырья в топливный газ, включающий перемешивание исходного сырья с катализатором, загрузку в реактор СВЧ-пиролиза, продувку реактора азотом и нагрев смеси СВЧ-излучением с частотой 2450 МГц, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют или порошок железа, или порошок оксида железа, или смесь порошков железа и оксидов железа, которые добавляют к измельченному до фракции менее 3 мм твердому органическому сырью в количестве 5-10 мас.%, полученную смесь гранулируют в пеллеты при температуре 20-230 °С и давлении 75-225 МПа, загружают в реактор СВЧ-пиролиза и нагревают СВЧ-излучением до 550-700 °С.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердого органического сырья используют или бурый, или каменный уголь.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве твердого органического сырья используют сосновые опилки.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют порошок оксида железа Fe₂O₃.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют смесь порошков железа и оксидов железа при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Fe 1,0-82,0 FeO 12,7-83,8 Fe₃O₄ 5,0-15,2