СПОСОБ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ КАРБОНИЗАЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО СЫРЬЯ И ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
METHOD FOR HYDROTHERMAL CARBONISATION OF RENEWABLE RAW MATERIALS AND ORGANIC WASTES

Изобретение относится к области переработки органического сырья, например древесины, торфа, сланцев, угля, промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие, отходов растениеводства, животноводства и т.п., и может найти применение в химической, лесо- и нефтеперерабатывающих отраслях, коммунальном, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности методом гидротермальной карбонизации.
Процесс гидротермальной карбонизации начинается с подготовки биомассы: из нее удаляют механические примеси (песок, камни и т.п.), затем измельчают и смачивают. Далее биомассу отправляют в реактор (реторту), в котором при помощи пара создается давление 10-25 бар и температура 180-220°С.
3
В ходе реакции образуются гидроксоний (гидроксоний, оксоний, гидроний) НO+ (комплексный ион, соединение протона с молекулой воды), которые снижают рН реакционной смеси до 5 и ниже. Этот процесс можно ускорить, добавив в реактор катализатор.
В качестве катализатора могут быть использованы: 1) неорганические кислоты Бренстеда: HNO3, HCl;
2) органические кислоты Бренстеда: муравьиная кислота, уксусная кислота, лимонная кислота, NH4Cl;
3) кислоты Льюиса, такие как, например, галогениды металлов: FeCl3, FeBr3, AlCl3, AlBr3;
4) общие галогениды и оксиды металлов: NaCl, FeO, Fe2O3, LiCl, [Fe(NH4)2(SO4)2]-6 H2O.
6
2
N
Причем нужно учесть, что при низких рН большее количество углерода переходит в жидкую фазу. Реакция экзотермическая, то есть протекает с выделением энергии. Через 12 ч 90-99% углерода переходит в водную суспензию в виде пористых зерен карбонизата (CHO) с размером пор от 8 до 20 нм.
Остальная часть углерода (от 1 до 10%) частично остается в жидкой фазе в виде водной суспензии, частично выбрасывается в атмосферу в виде углекислоты. Уравнение реакции в упрощенном виде можно записать в такой форме:
Реакцию можно остановить и раньше с получением при этом других промежуточных продуктов. К примеру, через 8 ч можно получить продукт, схожий по составу с торфом, а в течение первого часа - гидрофобные промежуточные продукты.
Охлажденная угольная суспензия с помощью механического прессования обезвоживается до такого состояния, когда в ней остается 50-60% от исходного содержания воды. Большая часть сепарированной воды используется в последующих циклах производства. После механического обезвоживания продукт подлежит дальнейшей сушке до влажности, требуемой заказчиком; обычно это 5-25%.
Описанная технология гидротермальной карбонизации используется в той или иной степени в известных способах переработки органических отходов.
Известен способ термической переработки древесины (патент РФ №2083633, 24.11.1995, С10В 53/02). Способ включает предварительную сушку древесины и последующую термическую обработку в присутствии газообразного теплоносителя в непрерывном процессе с прохождением последовательно зон досушивания, пиролиза с образованием древесного угля, его прокалки и охлаждения при противоточной подаче охлаждающего агента, в качестве которого используют дымовые газы от полного сгорания топлива с содержанием в них кислорода 1,5-7,0%, при этом указанные газы после прохождения ими зоны охлаждения используют в качестве теплоносителя в зонах прокалки, пиролиза и подсушки.
Описанные выше способ являются низко производительными, требуют дополнительного топлива и не позволяют перерабатывать древесину с влажностью выше 25%.
Известен способ производства древесного угля и установка для производства древесного угля (патент РФ №2166527, 02.01.2000, С10В 53/02). Способ включает предварительную сушку сырья и последующую термическую обработку в присутствии газообразного теплоносителя в непрерывном процессе с прохождением последовательно зон сушки, пиролиза с образованием древесного угля и его прокалки. Применение газового теплоносителя в зоне пиролиза резко снижает концентрацию древесно-смоляных продуктов в парогазах термического разложения сырья, повышает их температуру и усложняет конденсационную систему выделения биомасел.
Известен также способ и устройство дегидратации биомассы вместе с жидкой водой при температурах свыше 100°°С (ЕР 1970431 А1) в котором биомассу при необходимости, подогревают и вводят с помощью насоса или шлюзового затвора в горизонтальный реактор под давлением, по которому ее перемещают с помощью шнекового транспортера. Реактор под давлением нагревается извне. Вступившую в реакцию биомассу выводят в конце реактора под давлением или с помощью насоса, или переходного шлюза. Недостатком этого технического решения является использование шнекового транспортера для того, чтобы передвигать содержимое реактора по трубообразному реактору. Из-за высоких температур шнек быстро изнашивается, и из-за высокого давления возникают трудности при изоляции от атмосферы.
Наиболее близким по технологии к заявляемому объекту является способ гидротермальной карбонизации биоотходов путем размельчения и увлажнения исходного сырья, например древесной щепы, до концентрации воды в образовавшейся пульпе до 30 - 99%. Затем древесноводная пульпа с помощью насоса подается в реактор, где подвергается обработке при температуре 200°С и при давлении 20 бар. В реакторе биомасса без доступа воздуха и с добавлением катализатора дегидратируется и карбонизируется до CO2 и нейтрального биоугля. Биоуголь представляет собой биомассу, которую в дальнейшем высушивают и спрессовывают в топливные брикеты (agrocontech.ru/ru/news/06-february-…).
Данный способ гидротермальной карбонизации органических отходов был выбран нами в качестве прототипа.
Недостатком способа, выбранного нами в качестве прототипа, является большой расход катализатора, который периодически вводится в реактор для обеспечения стабильной и эффективной его работы при длительном производстве биоугля.
2
Целью изобретения является возможность использования, ранее недоступного для полноценной переработки большого количества исходного сырья посредством улучшения уровня техники передела, в частности, большого объема органического исходного сырья, с высоким содержанием воды, посредством гидротермальной карбонизации. При котором исходное сырье превращают посредством дегидратации и карбонизации, главным образом, в карбонизат, воду и CO, т.е. в вспомогательные вещества и топливо с высокой потребительской ценностью, например, высокой теплотой сгорания и низким содержанием воды и золы.
Технический результат изобретения выражается в расширении арсенала методов и технических средств гидротермальной карбонизации возобновляемого сырья и органических отходов. Он достигается тем, что в способе гидротермальной карбонизации возобновляемого сырья и органических отходов, предусматривающем размельчение и увлажнение исходного сырья с концентрацией воды в образовавшейся пульпе до 30-99% и последующей подачи образованной смеси с помощью насоса в реактор для обработки при температуре 200°С и давлении 20 бар без доступа воздуха и с добавлением катализатора до стадии карбонизации с образованием карбонизата, при обезвоживании исходного сырья выделенную жидкость под действием электродиализа разделяют на кислоту и воду, после чего кислоту. по линии обратной связи в качестве катализатора возвращают в реактор, а воду сливают.
Для осуществления предложенного способа используется устройство, блок схема которого приведена на рисунке.
Из бака для сырья 1 с помощью насоса 19 сырье поступает в промежуточный бак 2. Клапан 9 перекрывается, из промежуточного бака 2 через насос 20 сырье, смешанное с кислотой, подаваемой из бака 3 через насос 21 подается в реактор 4. Клапан 12 перекрывается и в реакторе 4. происходит реакция карбонизации. Пар из реактора 4 сбрасывается через клапан 11 в паровой бак 25, который уравновешивает давление между реактором 4 и промежуточным баком 2 посредством открытия и закрытия клапана 10. Карбонизат из реактора 4 посредством насоса 22 подается в осушитель-брикетировщик 5. Клапан 15 перекрывается, лишняя влага стекает в установку электродиализа 6. Клапан 16 перекрывается, вода через клапан 18 сливается из установки электродиализа 6 через слив 7, а кислота подается через насос 24, клапан 14 в бак 3, откуда идет через насос 21, клапан 13 в промежуточный бак 2. Из осушителя-брикетировщика 5 через насос 23 готовый продукт сбрасывается в бак 8. Клапан 17 закрывается.
Предложенный нами непрерывный способ гидротермальной карбонизации биомассы положительно отличается от всех известных способов производства карбонизата более высокой эффективностью за счет рециркуляцией катализаторов, отсутствием необходимости предварительной сушки биомассы, возможностью использования самых разных видов биомассы, включая низкокачественную, которая может быть утилизирована только методом компостирования, простотой обслуживания оборудования и низкими эксплуатационными расходами, высокой экологичностью технологии, предотвращающей загрязнение окружающей среды, возможностью использования смеси, состоящей из различных видов биомассы.