СПОСОБ И СИСТЕМА ТЕПЛООБМЕНА
METHOD AND SYSTEM OF HEAT EXCHANGE

Изобретение относится к способу теплообмена при сверхкритической или околокритической водяной газификации биомассы, включающий стадии нагревания биомассы в первом теплообменнике посредством передачи тепловой энергии от теплоносителя, проведения реакции биомассы в вышеуказанном процессе с получением продуктов реакции, охлаждения продуктов реакции биомассы во втором теплообменнике посредством поглощения тепловой энергии продуктов реакции указанным теплоносителем, и циркуляции указанного теплоносителя между первым теплообменником и вторым теплообменником.
Изобретение также относится к системе теплообмена в процессе сверхкритической или околокритической водяной газификации биомассы, при этом система включает в себя первый теплообменник для нагревания указанной биомассы, второй теплообменник для охлаждения продуктов реакции от указанного процесса сверхкритической или околокритической водяной газификации, и систему для циркуляции теплоносителя между первым теплообменником и вторым теплообменниками.
Изобретение также относится к применению системы.
Способ и устройство в соответствии с изобретением могут быть использованы в процессах и системах при обработке биомассы и ее превращений в газообразные или жидкие топлива или в базовые компоненты для дальнейшей переработки.
Исследования в области гидротермического процесса газификации/сжижения, при высоком давлении и высоких температурах, проводились еще в 1978 г., когда J. Model открыл, что сверхкритическая вода, т.е. вода при условиях, когда температура ее выше 374°С и под давлением по меньшей мере 221 бар, может быть использована для газификации органического материала, в качестве среды. Этот способ был в дальнейшем разработан несколькими исследовательскими группами, включая сжижение, а также газификацию различных подаваемых мокрых биомасс водой в околокритических условиях, т.е. водой под давлением по меньшей мере 150 бар и с температурой выше 300°С, и сверхкритической водой.
Этот процесс может быть использован для газификации, например, полужидких отходов в целлюлозной и бумажной промышленности и для отделения органического материала от неорганического материала. Хотя органический материал газифицируется в основном до водорода, метана, диоксида углерода и моноокиси углерода, неорганические материалы могут быть отделены механически от жидкой фазы. Газификацию осуществляют при температуре приблизительно 450-700°С в зависимости от газифицируемого материала, условий ее проведения и от наличии или отсутствия катализаторов.
Из-за высокой температуры, высокого давления и высокого содержания воды способ является очень энергоемким. Поэтому существует необходимость в системе для рекуперации тепла или теплообмена, которая нагревает входящие потоки реагентов, добавки и катализаторы теплом отходящего горячего потока прореагировавшего материала.
Известно использование теплообменников в качестве оборудования при гидротермической газификации и/или сжижения для улучшения эффективности использования энергии. К сожалению, из-за крайне сложных условий проведения процесса и неоднородного характера биомассы общепринятые теплообменники не работают хорошо в гидротермических процессах газификации и/или сжижения.
Существенной серьезной проблемой в общеизвестных трубчатых теплообменниках является то, что имеет место высокое давление с двух сторон труб, то есть поток материала внутри труб и теплоноситель с внешней стороны труб должны доводиться до высокого давления, например 221 бар, чтобы создать достаточно высокую температуру. Это означает, что корпус теплообменника должен быть стойким к высокому давлению, т.е. он должен иметь большую толщину стенки труб и поэтому дорогим.
Другая проблема, связанная с теплообменниками, вызвана низкими скоростями нагревания. Это вызывает накопление смолы, угля и других твердых веществ или жидкостей высокой вязкости на поверхностях каналов теплообмена, благодаря чему возникает повышенное термическое сопротивление потоку и их закупорка. Например, были проведены эксперименты, в которых общеизвестные теплообменники со сдвоенными стенками или теплообменники типа труба в трубе, размещенные в оборудовании для процесса, оказались неподходящими из-за закупорки (Biljana Potic, D. Sc. Dissertation 2006, Universiteit Twente, ISBN 90 365-2367-2).
Краткое описание изобретения
Таким образом целью настоящего изобретения является обеспечение способа и системы для преодоления указанных выше недостатков. Цели изобретения достигаются посредством способа и системы, которые отличаются тем, что заявлено в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные воплощения изобретения раскрыты в ее зависимых пунктах.
Суть способа по изобретению заключается в том, что способ включает стадии: нагревания биомассы в первом теплообменнике тепловой энергией от теплоносителя, проведения реакции биомассы в условиях сверхкритической или околокритической водяной газификации с получением продуктов реакции, охлаждения продуктов реакции биомассы во втором теплообменнике путем поглощения тепловой энергии продуктов реакции указанным теплоносителем, и циркуляции указанного теплоносителя между первым теплообменником и вторым теплообменником, при этом в качестве теплоносителя используется расплавленная соль.
Суть системы по изобретению состоит в том, что она включает в себя первый теплообменник для нагревания указанной биомассы, второй теплообменник для охлаждения продуктов реакции в указанном процессе водяной газификации при сверхкритических или околокритических условиях, и систему циркуляции для циркуляции теплоносителя между первым теплообменником и вторым теплообменником, при этом теплоносителем является расплавленная соль.
Суть использования изобретения заключается в том, что в качестве теплоносителя используют расплавленную соль при сверхкритической или околокритической водяной газификации биомассы.
Суть второго использования изобретения заключается в том, что расплавленную соль используют в качестве теплоносителя при сверхкритической или околокритической водяной газификации биомассы, причем процесс включает в себя нагревание биомассы в первом теплообменнике тепловой энергией теплоносителя, проведение реакции биомассы в условиях сверхкритической или околокритической водяной газификации с получением продуктов реакции, охлаждение продуктов реакции биомассы во втором теплообменнике указанным теплоносителем, и циркуляцию теплоносителя между первым теплообменником и вторым теплообменником.
Преимущество способа и системы по изобретению заключается в том, что можно удерживать скорость нагревания биомассы высокой, при использовании расплавленной соли в качестве теплоносителя и поэтому накопление смолы, угля и других твердых веществ или жидкостей высокой вязкости на поверхностях каналов в теплообменнике можно избежать или по меньшей мере существенно снизить. Было отмечено, что накопление твердых веществ или жидкостей высокой вязкости происходит, если температура биомассы находится в температурном диапазоне около 200-400°С. Помимо этого коррозионные реакции интенсивно протекают в указанном диапазоне температур, что таким образом сокращает срок службы аппарата. Этих недостатков, которые возникают, когда скорость нагревания биомассы слишком медленная, можно избежать при использовании расплавленной соли в качестве теплоносителя. В связи с тем, что расплавленная соль имеет хорошие теплопередающие свойства, скорость нагревания может быть повышена и диапазон критической температуры может быть быстро пройден.
Другое преимущество способа и системы по изобретению заключается в том, что высокие температуры, требующиеся для гидротермической газификации и/или сжижения биомассы, могут быть быстро достигнуты, что приводит к более эффективному процессу и к более высокой производительности оборудования.
Еще одно преимущество способа и системы по изобретению заключается в том, что давление расплавленной соли может удерживаться низким без ущерба для теплообменной способности теплообменников.
Еще одно преимущество заключается в том, что только трубопроводы, транспортирующие биомассу, должны быть стойкими к давлению. Теплоноситель, окружающий трубопроводы, может работать при низком давлением, например при атмосферном давлении. Конструкция, переносящая теплоноситель и окружающая трубопроводы, может быть, таким образом, изготовлена из более дешевых материалов чем в известных теплообменниках. Создание обвязывающей конструкции также является легким.
Суть воплощения изобретения состоит в том, что способ и система совмещены с процессами на целлюлозном заводе и/или заводе для производства бумаги. Это создает преимущество, заключающееся в том, что целлюлозный завод и/или бумажная фабрика обеспечивает постоянную поставку биомассы, используемой в гидротермической обработке, что устраняет ее дорогую транспортировку.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение будет более подробно описано посредством предпочтительных воплощений со ссылкой на приложенные чертежи, в которых
Фиг.1 представляет собой блок-схему системы и способ в соответствии с изобретением в виде схемы поточных операций процесса.
Подробное описание изобретения
Фиг.1 представляет собой блок-схему системы и способ в соответствии с изобретением в виде схемы поточных операций процесса.
Сначала биомасса смешивается с добавками и/или катализаторами, но не обязательно, сжимается до заданного давления, например, в диапазоне 150-400 бар, компрессирующим устройством 1 и подается в реакторную систему 2. Компрессирующее устройство 1, показанное на Фиг.1, включает в себя насос. Сжатие до заданного давления может происходить в одну операцию, например, одним насосом, или ступенчато, например, несколькими насосами, соединенными последовательно.
В другом воплощении изобретения имеются два или даже больше потоков биомассы, добавок и/или катализаторов, которые подаются по отдельности в реакторную систему 2. Указанные потоки смешиваются и образуют реакционную смесь в реакторной системе 2.
Биомасса обычно содержит по меньшей мере 70% масс. воды. Указанная вода предпочтительно уже присутствует в биомассе. При необходимости вода может быть добавлена.
Термин «биомасса» относится к природным материалам и отходам растительного, животного и/или рыбного происхождения, таким как муниципальные отходы, промышленные отходы или побочные продукты, сельскохозяйственные отходы или побочные продукты (включая навоз), отходы или побочные продукты деревообрабатывающей промышленности, отходы и побочные продукты пищевой промышленности, морские растения (например, водоросли) и их комбинации. Материал биомассы предпочтительно выбирается из несъедобных ресурсов, таких как несъедобные отходы и несъедобные растительные материалы, включая масла, жиры и воска. Предпочтительный биомассовый материал в соответствии с настоящим изобретением включает в себя отходы и побочные продукты деревообрабатывающей промышленности, такие как древесные остатки, городские древесные отходы, отходы пиломатериалов, деревянная щепа, опилки, солома, дрова, лесоматериалы, бумажные полужидкие отходы, первичный и/или вторичный шлам, обесцвеченная макулатурная масса, бумажный черный щелок, побочные продукты бумажного или деревообрабатывающего производства, недозревшие озимые и т.д. Также в процессе может быть использован торф в качестве биомассы. Биомассой может быть смесь, включающая в себя воду и органический материал, который был намеренно смешан для использования в способе и системе в соответствии с изобретением.
Способ и система в соответствии с изобретением могут быть совмещены с процессами на целлюлозном заводе и/или на бумажной фабрике. Это обеспечивает преимущество, так как целлюлозный завод и/или бумажная фабрика обеспечивают непрерывную подачу биомассы, добавок и/или катализаторов, используемых в гидротермической обработке, и отсутствие дорогой транспортировки. Черный щелок может быть использован не только как биомасса, но также как добавка, улучшающая гидротермическую обработку других биомасс.
Реакторная система 2 включает в себя нагревательную секцию 3, реакционную секцию 4 и охлаждающую секцию 5.
Биомасса сначала нагревается в нагревательной секции 3. После нагревания до заданной температуры биомасса подается в реакционную секцию 4.
После протекания необходимых реакций в реакционной секции 4 полученные продукты реакций подаются в охлаждающую секцию 5, где они охлаждаются, и давление снижается.
Нагревательная секция 3 предназначена для нагревания биомассы до температуры реакции или температуры, близкой температуре реакции. Основным компонентом нагревательной секции 3 является первый теплообменник 6. Первый теплообменник 6 представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, который включает в себя кожух 7 и трубки, расположенные внутри кожуха 7. Трубки закреплены прямо или косвенно у первого торца со средством 1 для создания давления и у второго торца с первым выпускным каналом 8. Реакционная смесь протекает через указанные трубки из первого теплообменника 6 через первый выпускной канал 8.
Первый теплообменник 6 включает в себя также первое впускное отверстие 9 и первое выпускное отверстие 10 для подачи и выпуска теплоносителя в первый теплообменник 6 и из первого теплообменника 6. Теплоноситель циркулирует в межтрубном пространстве между кожухом 7 и наружными поверхностями трубок. Теплоноситель таким образом омывает трубки теплообменника по их наружным поверхностям. В воплощении, показанном на Фиг.1, первый теплообменник 6 функционирует в режиме противотока, но также в режиме прямотока, и также возможны конструкции с поперечными потоками.
Сутью изобретения является то, что теплоносителем является расплавленная соль. Расплавленная соль может, например, продаваться под торговой маркой Hitec. Температура плавления соли Hitec составляет около 150°С и максимальная рабочая температура составляет около 550°С. Hitec является эвтектической смесью водорастворимых неорганических солей нитрата калия, нитрита натрия и нитрата натрия. Другие соли, т.е. чистая соль, смеси солей или солевые композиции, конечно, могут использоваться в качестве теплоносителя. Вязкость расплавленной соли предпочтительно составляет около 1-10 сП при температурах циркуляционной системы. Температура соли поддерживается выше ее температуры плавления в течение всего процесса.
Трубопровод соединяет первое впускное отверстие 9 с первым резервуаром 13 для соли, где расплавленная соль выдерживается при высокой температуре, предпочтительно, около максимальной рабочей температуры расплавленной соли. Первый резервуар 13 соли включает в себя второй нагреватель 16, который предпочтительно является электрическим нагревателем. Конечно, также могут быть использованы нагреватели другого типа. Второй нагреватель обычно используется в начальной фазе процесса. Как только температура первого резервуара 13 для соли достигает стабильного состояния, второй нагреватель 16 может быть выключен. Второй нагреватель 16 может также использоваться для управления процессом, то есть для поддержания температуры расплавленной соли на заданном уровне.
Гидротермические реакции, необходимые для деструкции биомассы, протекают в реакционной секции 4. Однако важные реакции, образующие промежуточные продукты, могут также протекать уже в нагревательной секции 3.
Указанные гидротермические реакции, протекающие в реакционной секции 4, являются реакциями газификации и/или сжижения, протекающими при высокой температуре и под высоким давлением или в воде в сверхкритических условиях, то есть при температуре выше 374°С и давлении по меньшей мере 221 бар, или в воде в околокритических условиях, т.е. при температуре выше 300°С и давлении выше 150 бар. В воде в сверхкритических условиях органические соединения и газы становятся более растворимыми, и тем самым реакции могут протекать в одну стадию и время реакции уменьшается.
В результате указанных гидротермических реакций органические материалы или соединения в биомассе разлагаются и подвергаются повторному структурированию под влиянием горячей сжатой воды. Обычно реакции газификации требуют температур от около 500 до 700°С, в то время как реакции сжижения требуют температур от около 350 до 500°С.
Имеется несколько способов нагревания реакционной секции 4 до требуемой температуры реакции. В реакционной секции 4, показанной на Фиг.1, например, биомасса протекает по трубкам 20, которые погружены в солевой слой или солевую ванну, содержащую вторую соль. Вторая соль служит в качестве теплоносителя между указанными трубами и первым нагревательным устройством 11. Первое нагревательное устройство 11 расположено в реакционной секции 4 для поддержания температуры второй соли и также температуры биомассы на заданном уровне в реакционной секции 4. Первое нагревательное устройство 11 может поддерживать температуру стабильной во всей реакционной секции 4. Первое нагревательное устройство 11 является, например, электрическим или газовым нагревателем.
Второй солью может являться, например, хлорид натрия, смешанный с небольшим количеством хлорида кальция. Вторая соль может находиться в расплавленном состоянии или в твердом состоянии.
После того как заданное время реакции истекло, продукты реакции отводятся в охлаждающую секцию 5 для охлаждения. Из охлаждающей секции 5 продукты реакции могут подаваться в разделительный аппарат (на Фиг.1 не показан), давление снижается и происходит разделение продуктов реакции. Снижение давления может также происходить в охлаждающей секции 5.
Охлаждающая секция 5 включает в себя второй теплообменник 12, конструкция которого аналогична конструкции первого теплообменника 6. Таким же образом второй теплообменник 12 включает в себя кожух 7, трубки, соединенные со вторым выпускным каналом 19, второе впускное отверстие 17 для приема теплоносителя и второе выпускное отверстие 18 для отвода теплоносителя, который протек через второй теплообменник 12.
Теплообменники 6, 12 соединены с циркуляционной системой теплоносителя для его непрерывной циркуляции через первый и второй теплообменники 6, 12. Первый резервуар 13 для соли, а также второй резервуар 14 для соли расположены между теплообменниками 6, 12 в циркуляционной системе теплоносителя.
Основными компонентами циркуляционной системы теплоносителя являются пространства между кожухом 7 и наружными поверхностями трубок в первом и втором теплообменниках 6, 12, первый и второй резервуары 13 и 14 для соли и насос 15. Трубопроводы или трубки соединяют эти компоненты друг с другом. Циркуляционная система для теплоносителя термически изолирована от окружающей среды.
В цикле циркуляции расплавленная соль подается в первый теплообменник 6 из первого резервуара 13 для соли и выводится из первого теплообменника 6 во второй резервуар 14 для соли. Из второго резервуара 14 для соли расплавленная соль подается во второй теплообменник 12 и выводится из него в первый резервуар 13 для соли.
Расплавленная соль в первом резервуаре 13 для соли имеет высокую температуру, например, 400-600°С. В случае Hitec температура предпочтительно составляет около 550°С. Первый резервуар 13 для соли расположен в соединении с первым впускным отверстием 9 в первом теплообменнике 6 так, чтобы расплавленная соль, имеющая указанную высокую температуру подавалась в пространство между кожухом 7 и наружными поверхностями его трубопроводов. Конструкция кожуха 7 может быть легкой и недорогой из-за того, что давление расплавленной соли низкое.
Высокотемпературная расплавленная соль отдает свое тепло биомассе, протекающей через трубопроводы первого теплообменника 6, повышая ее температуру. В результате этого расплавленная соль охлаждается. Теплообмен между расплавленной солью и реакционной смесью происходит быстро и одинаковым образом в первом теплообменнике 6. Таким образом реакционная смесь быстро нагревается и ионные реакции, дающие смолу, уголь и т.д., твердые вещества или жидкости высокой вязкости, могут быть исключены или ограничены. Подобным образом быстро достигаются высокие температуры, необходимые для радикальных реакций гидротермической газификации и/или реакции сжижения.
Расплавленная соль, которая охладилась в первом теплообменнике 6, выводится из него через первое выпускное отверстие 10 и подается во второй резервуар 14 для соли. Температура расплавленной соли, поступающей во второй резервуар 14 для соли, предпочтительно, близка к температуре плавления расплавленной соли.
Во втором резервуаре 14 для соли температура расплавленной соли значительно ниже чем в первом резервуаре 13 для соли, причем эта температура предпочтительно существенно равна температуре расплавленной соли, полученной от первого теплообменника 6. Указанная температура, однако, выше температуры плавления соли. В случае Hitec температура составляет предпочтительно около 160°С. Второй резервуар 14 для соли также включает в себя второй нагреватель 16, который используется таким же образом, как и второй нагреватель первого резервуара 13 для соли.
Расплавленная соль подается из второго резервуара 14 для соли во второй теплообменник 12. В воплощении изобретения, показанном на Фиг.1, насос 15 расположен между вторым резервуаром 14 для соли и вторым теплообменником 12 для циркуляции расплавленной соли через циркуляционную систему для теплоносителя. Насос 15 может также быть расположен в другом месте системы, например, между первым теплообменником 6 и вторым резервуаром 14 для соли. Производительность насоса 15 подбирают таким образом, чтобы достигалась оптимальная скорость потока расплавленной соли.
Продукты реакции, полученные в реакционной секции 4 и находящиеся все еще при высокой температуре, например, около 650°С, подаются во второй теплообменник 12 для охлаждения. Температура расплавленной соли удерживается ниже температуры продуктов реакции. Температура расплавленной соли во втором теплообменнике составляет, например, около 160°С. Поэтому тепловая энергия передается от продуктов реакции к расплавленной соли, в результате расплавленная соль нагревается, и продукты реакции охлаждаются. Предпочтительно расплавленная соль поглощает тепло от продуктов реакции в таком количестве, что она достигает высокой температуры, которая преобладает в первом резервуаре 13 для соли. Высокотемпературная расплавленная соль подается из второго теплообменника 12 через выпускное отверстие 18 в первый резервуар 13 для соли и снова в первый теплообменник 6. Охлажденные продукты реакции выводятся из второго теплообменника 12 через второй выпускной канал 19. Затем давление охлажденных продуктов реакции может быть снижено и они разделяются на газообразную и жидкую фазы.
Следует отметить и подчеркнуть, что аппарат, показанный на Фиг.1, является только примерным вариантом устройства для реализации изобретения. Аппарат может быть сконструирован по другому. Один или оба теплообменника 6 и 12, например, могут быть двухтрубчатыми теплообменниками или теплообменниками типа труба в трубе, в которых используются две или больше обычно концентрических труб в качестве поверхностей для обеспечения теплопередачи или каналов для теплоносителя.
Для специалиста в этой области вполне очевидно, что по мере развития технологии идея изобретения может быть реализована по разному. Изобретения и его воплощения не ограничиваются примерами, описанными выше, и могут быть изменены в пределах объема формулы изобретения.