УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ БИОМАССЫ

Полезная модель относится к установкам для переработки отходов, преимущественно, биомассы, путем газификации с получением энергии, горючих газов (синтез-газ) в качестве сырья для химического синтеза или топлива.
2
Предложено много способов утилизации дешевого биотоплива или отходов для производства энергии с целью уменьшения доли ископаемых топлив в производстве энергии и таким образом снижения выбросов CO. Биотопливо и особенно отходы являются низкокалорийным топливом и часто содержат вредные и токсичные компоненты, что создает проблемы при их переработке, особенно при сжигании. Токсичные компоненты, такие, как соединения тяжелых металлов, могут вызывать экологически вредные выбросы, в то время как щелочные соединения обусловливают технические проблемы, особенно при их сжигании.
Низкая калорийность биотоплива и отходов делает их непригодными для высокоэффективного производства энергии, такого, как пар высокой температуры, высокого давления или электричество. Состояние и качество отходов часто бывает непригодным для прямого использования в паровых котлах. Такой материал должен быть предварительно высушен, измельчен или брикетирован.
Известны различные комбинации газификаторов с устройствами для сжигания. Биотопливо и отходы могут быть довольно легко газифицированы. Однако утилизация биотоплива и отходов для производства энергии предполагает сложную установку для газификации с газификатором и очисткой газа и сложную силовую установку с бойлером, турбинами и т.д. Это невыгодно экономически для переработки небольших количеств биотоплива или отходов.
В частности, (US 6190429, F27B 015/08, 20.02.2001) предложен способ переработки отходов путем газификации, включающий стадии: газификация отходов в реакторе кипящего слоя при сравнительно низкой температуре; подачу газов и угля, полученных в реакторе кипящего слоя, в высокотемпературную камеру сгорания; получение низко- или среднекалорийного газа в высокотемпературной камере сгорания при сравнительно высокой температуре. Реактор кипящего слоя может
включать вращающийся кипящий слой. Высокотемпературная камера сгорания может быть выполнена как вихревая камера сгорания. Температура в реакторе кипящего слоя может быть в интервале 450-800°С. Температура в высокотемпературной камере сгорания может быть 1300°С и выше. К недостаткам известного способа можно отнести высокую температуру в камере сгорания (1300°С и выше) и сложность установки для его осуществления.
Известны способ и установка для переработки отходов путем сушки, сублимации, окисления и сжигания (US 5806444, F23G 015/00, 15.09.98). Установка для осуществления метода включает печь с камерой внутри для кипящего слоя частиц; средства для рециркуляции частиц слоя; устройство для смешивания, покрытия и сушки рециркулированных частиц и отходов; средство для подачи отходов в печь из устройства. Изобретение применимо для переработки влажных отходов, в особенности шламов, в инертную форму. Способ характеризуется высокой эффективностью, небольшими энергозатратами, гибким режимом работы, в особенности температурным режимом кипящего слоя, позволяющим автоматически изменять подачу энергии для осуществления полного сжигания горючих компонентов. Однако, установка для осуществления способа отличается сложностью и большими размерами.
Все предложенные выше процессы предполагают, что устройства для сжигания, бойлер или горелки разработаны специально для этого процесса - продолжительного сжигания биотоплива или полученного из отходов горючего газа. Их конструкции достаточно сложны.
Наиболее близким является способ переработки биомассы или отходов и устройство для его осуществления с получением энергии, а именно высокоэффективного получения пара и/или электричества путем сжигания биотоплива или отходов с минимальными выбросами вредных или токсичных соединений. (SU 5626088, F23G 007/00, 6.05.97).
Основная концепция известного решения предусматривает:
- пседоожиженный слой в газификаторе, для газификации биотоплива или отходов;
- стандартный бойлер для сжигания топлива, обычно имеющий горелку для сжигания пылевидного угля или нефти (или природного газа) в его нижней части, и средства для сжигания газа, полученного в газификаторе, расположенные на уровне выше горелки.
Биотопливо или отходы газифицируют в кипящем слое газификатора в слое, например, угольной золы, отделенной из топочного газа бойлера, или других твердых частиц. Полученный горячий газ из газификатора может подаваться прямо в горелку бойлера, или, преимущественно, газ может быть предварительно очищен от частиц, содержащих щелочные и тяжелые металлы. Полученный газ подается в бойлер на уровне выше основных горелок (например, для сжигания пылевидного угля или нефти). Сжигание газа таким образом образует стадию дожигания в бойлере, что снижает содержание оксидов азота в топочных газах бойлера.
К недостаткам известного изобретения относятся необходимость дополнительной очистки газифицированной биомассы в отдельном реакторе перед подачей в горелку бойлера и потери тепла, образующегося при сжигании биомассы, при транспорте горячего газа от газификатора к бойлеру.
Задача, решаемая полезной моделью: создание установки, достаточно простой и надежной в эксплуатации, компактной и экономичной.
Сущность полезной модели.
Поставленная задача решается тем, что, в устройстве для газификации биомассы, включающем вертикальный цилиндрический реактор со слоем твердых частиц в его нижней части, оборудованный средствами для подачи биомассы и средствами для подачи среды под давлением (воздуха, паровоздушной смеси, инертного газа) в слой твердых частиц, а также средствами для сбора горючих продуктов газификации, расположенных в его верхней части, реактор для газификации биомассы расположен коаксиально внутри кольцевого реактора, содержащего слой гранулированного катализатора полного окисления в его нижней части, и оборудованного газораспределительной решеткой и средствами для подачи топлива, например, дизельного, и воздуха в слой катализатора, а также средствами для сбора продуктов сгорания, расположенных в его верхней части.
Преимущественно, выход внутреннего реактора (средства для сбора горючих продуктов газификации) дополнительно снабжен каналом для подачи части продуктов газификации в качестве дополнительного топлива в нижнюю часть внешнего реактора.
Преимущественно, внутренний реактор дополнительно оборудован циклоном и емкостью для сбора твердых продуктов газификации биомассы, а внешний реактор дополнительно оборудован циклоном и емкостью для сбора твердых продуктов горения топлива.
В частном случае дно внутреннего реактора выполнено в виде конуса с острым углом, например, 30°.
Сущность предлагаемой полезной модели иллюстрируется следующими фигурами.
На Фиг.1 приведена принципиальная схема установки для газификации биомассы.
Установка включает внешний реактор 1 со слоем гранулированного катализатора полного окисления, оборудованный средствами подачи топлива и воздуха в слой катализатора и газораспределительной решеткой 2, внутренний реактор 3 со слоем инертного твердого материала, оборудованный клапаном 4; резервуар с биомассой 5, эжектор 6 для подачи биомассы; реактор 3 оборудован циклоном и емкостью 7 для сбора твердых продуктов газификации биомассы; реактор 1 оборудован циклоном и емкостью 8 для сбора твердых продуктов горения топлива. Реактор 3 на выходе снабжен каналом 9 для отвода части продуктов газификации и подачи их в нижнюю часть реактора 1.
На Фиг.2 приведена схема установки для газификации биомассы в частном случае, предусматривающем подачу горючих продуктов газификации в качестве сырья для синтеза Фишера-Тропша. Установка аналогична изображенной на Фиг.1 и дополнительно содержит компрессор 10, в который поступают очищенные от твердых частиц продукты газификации, и реактор Фишера-Тропша 11 с емкостью для сбора продуктов синтеза 12.
Установка работает следующим образом.
Производят розжиг и вывод на режим внешнего реактора 1 с кипящим слоем катализатора полного окисления при температуре примерно 600-700°С. Используют жидкое углеводородное топливо, например, дизельное.
Во внутренний реактор 3 через форсунку подают расчетное количество воздуха для создания кипящего слоя твердых частиц, в частности, гранулированного оксида алюминия. После стабилизации температурного режима в реакторе 3 включают подачу биомассы, например, манной крупы в реактор. Биомассу подают непрерывно из емкости 5 через эжектор 6 и конический клапан 4. Регулируют расход биомассы с помощью сменных трубок разного диаметра на выходе из дозировочной воронки. Через 5-10 мин после начала загрузки биомассы из емкости 7 отбирают газообразные продукты пиролиза и газификации для газохроматографического анализа.
Преимущественно, часть продуктов газификации на выходе из реактора 3 направляют в канал 9 для подачи в нижнюю часть реактора 1 в качестве дополнительного топлива.
Преимущественно, продукты газификации на выходе из реактора 3 направляют для отделения твердых частиц в циклон с емкостью 7, а продукты горения из реактора 1 направляют для отделения твердых частиц в циклон с емкостью 8.
Очищенный от твердых частиц горючий газ из реактора 3 направляют на дальнейшую переработку (химический синтез) или сжигание для получения энергии. Очищенные продукты горения из реактора 1 не содержат токсичных компонентов и могут быть направлены в атмосферу.
Для иллюстрации заявляемого изобретения приводим примеры его конкретного выполнения.
Пример 1. Воздушная конверсия биомассы.
2
3
экв.
В таблице 1 приведены технологические характеристики процесса воздушной конверсии биомассы при вариации удельного расхода биомассы. Высота стационарного слоя - 0.32 м; высота псевдоожиженного слоя - 0.5 м. Загрузка гранулированного γ-АlО с d=1 мм - 2.5 л.
Таблица 1
№п/п
Параметры
Ед. изм.
№эксперимента
1
2
3
4
5
6
7
1
Расход воздуха
нм<sup>3</sup>/час
8.2
8.2
8.2
8.2
8.2
15
15
2
Начальная температура слоя
°С
650
600
600
600
640
640
650
3
Рабочая температура слоя
°С
770
750
740
720
740
830
780
4
Расход биомассы
кг/час.
1.7
4.3
6.6
7.3
7.3
2.0
8.2
5
Удельный расход биомассы
КГ/М<sup>3</sup>
0.2
0.5
0.8
0.9
0.9
0.13
0.55
6
Время термообработки
сек.
0.45
0.45
0.45
0.45
0.45
0.24
0.24
2
4
Результаты ГХ-анализа газообразных продуктов показывают, что с увеличением удельного расхода биомассы до значений 0.5-0.6 количество газообразных продуктов пиролиза и газификации растет: Н- до 7 об.%, СО - до 16 об.%, CH - до 1,7 об.%, затем, с дальнейшим увеличением величины удельного расхода остается постоянным; тогда как содержание азота и кислорода в продуктах реакции уменьшается с 75% и 5% до 55 и 1% соответственно.
Пример 3. Использование продуктов газификации биомассы в качестве сырья для синтеза Фишера-Тропшл
3
-1
Газификацию биомассы проводят на установке, схема которой приведена на Фиг.2. Воздушную конверсию проводят аналогично примеру 1, величина удельного расхода биомассы составляет 0,8-0,9 кг/м. Очищенные от твердых частиц газообразные продукты конверсии поступают в компрессор и далее - в реактор Фишера-Тропша. Условия синтеза: температура 200°С, давление 30 атм, объемная скорость 100 ч, катализатор состава, мас.%: Со - 32, MgO - 3, носитель - цеолит-остальное. Состав исходного газа для синтеза (без учета воды и кислорода) и выход углеводородов приведены в таблице 3.
Таблица 3
№опыта
Исходный газ, об.%
Выход углеводородов, мас.%
СН<sub>4</sub>
СО
Н<sub>2</sub>
СO<sub>2</sub>
N<sub>2</sub>
C<sub>1</sub>
C<sub>2</sub>-C<sub>4</sub>
>С<sub>5</sub>
общий
1
1,5
12
9
9
57
0,3
следы
4,95
5,26
2
1,7
15
10
13
52
1,5
2,86
6,18
10,58
Как видно из представленных данных, полученный на предлагаемой установке в результате конверсии биомассы в различных условиях газ пригоден для сжигания или дальнейшей химической переработки. Выбранный интервал начальной температуры слоя 600-700°С является оптимальным относительно скорости процесса и его экологической безопасности.