УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА ИЗ ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ

Полезная модель относится к области производства водорода из газообразных продуктов переработки отходов, путем их газификации и пиролиза, путем использования процесса рециркуляции окиси углерода, совмещенного с паровой конверсией.
Известна установка для плазменной переработки отходов, содержащая печь пиролиза с плазмотроном с автономным источником электропитания, выходы которой соединены с входами гранулятора шлака, приемника металла, системы очистки пирогаза, линию водоподготовки, теплообменник, энергетический блок. Теплообменники автономно соединены либо с печью пиролиза, либо с системой очистки пирогаза, либо с энергетическим блоком. Патент Российской Федерации №2143086. МПК: F23G 5/00, 1999 г.
Известна пиролизная энергетическая установка, содержащая блок плазменной переработки твердых бытовых отходов, энергоблок электроснабжения и теплоснабжения, газоочистки и газового выброса с газотурбинной и паротурбинной установками с электрическим генератором. Блок газификации состоит из спаренных газификаторов и ресивера-циклона, обеспечивающего выравнивание давления газа в системе и предварительную очистку его от пыли. Плазмотроны обеспечивают работу, как в окислительном режиме, так и в восстановительном. Блок преобразования энергии включает систему охлаждения и очистки газа, газотурбинную и паротурбинную установки с электрическим генератором. Патент Российской Федерации №2294354, МПК: C10J 3/14, 2007. Прототип.
Приведенные выше аналог и прототип представляют собой сложные, высокогабаритные сооружения.
Техническим результатом полезной модели является повышение удельного выхода водорода от переработки пиролизом твердых бытовых отходов и повышение его чистоты.
Технический результат достигается тем, что установка для получения водорода из твердых бытовых отходов, содержащая камеру горения с зоной сушки и пирогенетического разложения, с зонами сгорания смол, регенерации и очистки генераторного газа, газоходы, охладителем газа и камерой подогрева генераторного газа, содержит блок первой стадии получения водорода путем сепарации водорода из состава пирогаза, блок второй стадии получения водорода путем паровой конверсии окиси углерода с регенерацией тепла экзотермических реакций и сепарацией водорода из газовой смеси, блок третьей стадии парового риформинта углеводородов с сепарацией водорода и селективного выделения углекислого газа, блок регенерации окиси углерода из двуокиси углерода и бойлер-дожигатель, зону предварительной очистки пиролизного газа.
Сущность полезной модели поясняется на чертеже.
На чертеже схематично представлена технологическая схема установки для получения водорода из твердых бытовых отходов, где: 1 - реактор для плазмотермической переработки отходов, 2 - циклон для отделения твердых частиц (пыли) от газообразных продуктов переработки отходов, 3 - скруббер-смолоотделитель, 4 - бойлер-дожигатель, 5 - установка обессоливания воды, 6 - фильтры газоочистки продуктов сгорания, 7 - скруббер-нейтрализатор, 8 - конденсатор - осушиватель, 9 - мембранный сепаратор для первичного выделения водорода из состава газовой смеси, 10 - теплообменник-рекуператор тепла экзотермических реакций, 11 - аппарат паровой конверсии окиси углерода на водород, 12 - холодильник для охлаждения газовой смеси, 13 - сепаратор-осушиватель, 14 - мембранный блок для концентрирования водорода, подаваемого на КЦА, 15 - аппарат парового риформинга углеводородов на водород, 16 - аппарат короткоцикловой адсорбции, 17 - метанатор, 18 - микроволновый плазмакаталитический реактор конверсии двуокиси углерода в окись углерода, 19 - магнетрон для поддержки СВЧ-разряда в плазмотроне, 20 - источник постоянного тока, 21 - теплообменник
закалки продуктов реакций в плазмокаталитическом реакторе, 22 -форвакуумный насос для обеспечения запуска СВЧ-разряда в плазмокаталитическом реакторе, 23 - узел абсорбционного выделения СО, 24 - дожигатель кислорода.
На схеме не показаны вспомогательные элементы технологического оборудования, такие как циркуляционные насосы, запорно-регулирующая арматура, газовые нагнетатели (вентиляторы), датчики и исполнительные устройства системы автоматического управления и др., а также узел сбора и хранения получаемого водорода.
Установка получения водорода из твердых бытовых отходов работает следующим образом.
Твердые бытовые отходы подают в шахтную печь плазмохимического реактора 1, в котором подвергают тепловому воздействию горячего воздуха, подаваемого от электродуговых плазмотронов в слабовосстановительной атмосфере.
При этом органические составляющие отходов подвергают газификации и пиролизу, превращая в пиролизный газ (топливный газ), а неорганическая часть отходов переплавляют, превращая в стеклоподобный шлак.
Для муниципальных отходов типового состава в результате такой переработки в составе пиролизного газа получают: до 30-45% вес. водорода; от 30 до 40% углекислого газа; от 10 до 15% метана и других углеводородов; 4-5% двуокиси углерода; а также другие составляющие, такие как смола, пыль, сероводород, гидрохлорид, азот, влага и прочее. Объем генерируемого пирогаза может составлять от 350 до 650 куб. м на тонну отходов. Пиролизный газ, имеющий на выходе из плазмохимического реактора 1 температуру 250-300°С, подают на циклон 2 промышленного типа, обеспечивающий осаждение частиц крупнее 2-3 мкм. Смолистые соединения улавливают в полом скруббере-смолоотделителе 3. Скруббер-смолоотделитель 3 работает в конденсационном режиме, за счет подачи на орошение достаточно
холодного растворителя (жидких углеводородов), обеспечивающей перевод смолистых соединений из газовой фазы во взвешенное состояние и в раствор. Раствор является горючим компонентом, который используют для приготовления технологического пара. Далее раствор, содержащий сепарированные смолистые вещества, в составе которых содержится до 60% углерода, до 10% водорода, до 30% кислорода, а также некоторое количество серы, хлора, азота и алюминия, подают в бойлер-дожигатель 4, где сжигают (возможно, и с некоторой добавкой другого топлива). Для получения технологического пара используют обессоленную воду, приготовленную установкой обессоливания воды 5 (обратноосмотической или дистилляционной). Продукты сжигания охлаждают и очищают на фильтрах 6 газоочистки продуктов сгорания перед последующем выбросом в атмосферу. Очищенный от пыли и смолы пирогаз, имеет на выходе из скруббера-смолоотделителя 3 температуру около 35°С. Пирогаз подают в скруббер-нейтрализатор 7. Очищенную и осушенную конденсатором-сепаратором 8 газовую смесь подают далее на блок мембранного разделения 9, в котором концентрируют СО и углеводороды перед паровой конверсией. Блок снабжен собственным компрессором, который не показан на схеме. Наличие этого блока позволяет удалить водород из состава газовой смеси и снизить расход поступающего на конверсию газа примерно на треть (и, соответственно, уменьшить энергозатраты). Кроме того, присутствие водорода может снижать степень последующей конверсии окиси углерода.
Паровую конверсию СО проводят в две стадии: в реакторе среднетемпературной конверсии (при температурах 350-400°С) и низкотемпературной конверсии (при температурах 180-200°С).
Перед подачей в реактор газовую смесь нагревают в теплообменнике-рекуператоре тепла экзотермических реакций 10 до температуры не ниже 385°С.
В конвертор подают пар, нагретый до температуры 350-360°С в соотношении примерно 1,05-1,30 к объему газа, что обусловлено
необходимостью 2-3-кратного избытка водяных паров по отношению к стехиометрическому соотношению реакции.
2
2
2
Реакция СО+НО→Н+СО протекает с выделением тепла. Температура смеси на выходе из реактора поднимается до уровня 430-450°С, что позволяет использовать ее для подогрева пирогаза в теплообменнике-рекуператоре тепла экзотермических реакций 10.
Если в системе применяют низкотемпературный конвертор, то газовую смесь в него подают после рекуперативного охлаждения до температуры 190-200°С. В этом конверторе в качестве катализатора используют медьсодержащие смеси.
3
Суммарный коэффициент конверсии окиси углерода достигает 98%, что означает выход водорода около 370 литров на 1 м исходной газовой смеси.
2
Полученная после конверсии смесь содержит около 55-60% водорода и 0,2-0,3% об. СО при температуре 210-220°С. Кроме того, выходящая смесь содержит до 30% об. паров воды. Поэтому перед дальнейшей переработкой смесь охлаждают до температуры 20-30°С. После охлаждения в водяном холодильнике 12 сконцентрированную влагу отделяют в сепараторе-осушивателе 13. Очищенную и осушенную газовую смесь подают на мембранный блок 14, обеспечивающий концентрирование водорода перед подачей смеси на следующую ступень переработки. Для удаления остатков СО концентрат водорода направляют в реактор метанирования (метанатор) 17 под давлением на входе 0,11-0,12 МПа, предварительно нагревают в рекуперативном теплообменнике с последующим донагревом до 400°С в теплообменнике или в многоходовом теплообменнике после плазмотрона. Реактор метанирования содержит катализатор, в качестве которого возможно использование одного из известных никельсодержащих катализаторов метанирования. После реактора метанирования газовая смесь будет содержать не менее 99% об. водорода, 0,3-0,4% об. СО, 0,5-0,6% азота, менее чем 0,2% углеводородов. После реактора метанирования смесь
2
2
2
2
2
10
охлаждается в рекуперативном теплообменнике и водяном холодильнике, проходит через финишный фильтр, после чего поступает в накопитель для подачи потребителю. Из блока концентрирования водорода выходит также поток, образующийся при продувке колонн КЦА. Он содержит преимущественно CO(60-65%) и азот (20%). Содержание в нем горючих компонентов - водорода и углеводородов - незначительно и на сжигание он подаваться не может. Содержащуюся в сбросном потоке двуокись углерода подают на плазмакаталитический реактор 18, в котором происходит разложение СО по схеме: 2СО→2СО+0 с коэффициентом конверсии 0,35-0,40. Верхнее ограничение степени конверсии обусловлено тем, что смесь газов после разложения СС>2 может быть взрывоопасной при концентрации двуокиси углерода менее 60% вес. Для разложения СО применяют высокочастотные плазмотроны мощностью 100-500 кВт с многоуровневым вводом мощности. Плазмотрон работает на типе волны Н в прямоугольном волноводе. Разрядная камера пересекает широкую стенку волновода.
2
2
2
2
3
Длина волны микроволнового излучения 30 см (0,9 ГГц). СВЧ-разряд в плазмотроне поддерживается мощным магнетроном 19, питающимся от источника постоянного тока 20. Из плазмотрона смесь газов СО, СО и О поступает в закалочное устройство 21, представляющее собой водяной теплообменник, а после него - на форвакуумный насос 22, создающий разряжение в СВЧ плазмотроне. Величина разрядных (плазменных, электрических) энергозатрат в плазмокаталитическом процессе не более 0,05-0,1 кВт-ч/м газа. Продукты разложения СО затем поступают на блок разделения, после чего выделенная окись углерода возвращают в систему ее переработки на водород. Таким образом, цикл разложения СО замкнут а расходным материалом для получения водорода является вода (паровая конверсия), так что при использовании такого плазмокаталитического процесса в системе получения водорода капитальные и энергетические затраты ниже, чем при прямом электролизе воды, и сравнимы с энергозатратами при производстве водорода из
метана, считающимся наиболее дешевым промышленным способом получения водорода.
2
2
2
Высокоселективное абсорбционное выделение окиси углерода из тройной смеси СО-СО-О реализуют в сепараторе 23. Процесс основан на химической абсорбции СО раствором смешанной соли тетрахлорида меди и алюминия в различных ароматических углеводородах (например, толуоле) с образованием комплекса с оксидом углерода и применим при наличии в газовой смеси достаточно больших количеств кислорода и СО. Абсорбция происходит при температуре до 40°С и минимальном избыточном давлении. Последующая десорбция СО происходит при нагревании раствора до 120-140°С.
2
2
2
Абсорбционное выделение СО осуществляется по следующей схеме. Осушенный исходный газ контактирует в абсорбере с циркулирующим жидким абсорбентом, который селективно поглощает СО. Насыщенный абсорбент нагревается в рекуперативном теплообменнике потоком регенерированного абсорбента и подается в десорбер на регенерацию. Выделенный СО отделяют от капель и паров абсорбента в холодильнике-конденсаторе и подают обратно на паровую конверсию в аппарат 11. Регенерированный абсорбент охлаждается в холодильнике и насосом вновь подается в абсорбер. Таким образом, узел абсорбционного выделения окиси углерода 23 включает следующее оборудование: блок предварительной осушки газа; компрессоры для сжатия исходной смеси (0,3-0,5 МПа) и десорбированного СО; абсорбер и десорбер; циркуляционный насос для обеспечения циркуляции абсорбента; теплообменник с паровым (или электрическим) подогревателем и холодильник-конденсатор парогазовой смеси; сепаратор и фильтр для предотвращения уноса капельных частиц абсорбента с очищенным от СО газом; емкость для приготовления и содержания раствора. Очищенная от СО смесь СО и О направляется сначала на дожигатель кислорода 24, а выделенный таким образом углекислый газ рециклируют на стадию плазмокаталитической конверсии СО.