Способ гидротермальной карбонизации или влажной торрефикации биомассы, включая биоотходы
METHOD FOR HYDROTHERMAL CARBONATION OR WET TORREFICATION OF BIOMASS, INCLUDING BIOWASTE

Область техники
Область технического решения, более конкретно, но не ограничиваясь этим, относится к обработке жидких шламов (осадка сточных вод, навоза, помета, спиртовой барды и подобных отходов промышленности, сельского хозяйства или коммунального хозяйства). Такая обработка предназначена для уменьшения объема отходов, стабилизации их в биологическом и физико-химическом отношении, а также для получения из отходов продуктов, которые могут быть проданы.
Уровень техники
На предшествующем уровне техники разработаны две технологии переработки шламов:
термический гидролиз,
гидротермальная карбонизация или влажная торрефикация.
Технология термического гидролиза шламов была создана в начале 20 века. Этот метод реализует реакторы под давлением, работающие последовательно. Обычно шламы перекачиваются в первый реактор, в который нагнетается пар, производимый котлом, до тех пор, пока внутри этого первого реактора не будет достигнута температура около 180 ° C и давление 1,5 МПа, затем температура там поддерживается в течение 30 минут, после чего шлам откачивается под собственным давлением через теплообменник. Этот теплообменник используется для рекуперации тепла, содержащегося в шламе, покидающем первый реактор, и для повторного нагрева ила перед его поступлением во второй реактор.
Техника гидротермальной карбонизации аналогична термическому гидролизу, но направлена на преобразование шлама в углеродно-нейтральный биоуголь высокого качества за счет использования тепла и давления, как правило, выше, чем при термическом гидролизе, и за счет обеспечения более длительного времени выдержки шлама, чем при термическом гидролизе (несколько часов).
Технология гидротермальной карбонизации также позволяет производить биоуголь, продукт, напоминающий гумус, который можно использовать для улучшения сельскохозяйственных угодий, как топливо, для сокращения выбросов парниковых газов или как сорбент после активации.
Известен гидротермический способ получения углеподобного материала из биомассы и испарительная колонна, в котором реакционную смесь, содержащую биомассу, нагревают путем приведения в контакт с паром, причем пар движется в противотоке по отношению к реакционной массе, с образованием реакционной смеси, содержащей активированную биомассу, с последующим осуществлением полимеризации активированной биомассы с образованием реакционной смеси, содержащей углеподобный материал, а сам способ реализуется в вертикальной испарительной колонне, в которую реакционная смесь поступает в верхнюю часть колонны и движется вниз по колонне, при этом находясь в контакте с паром, который движется вверх по колонне, а полимеризация активированной биомассы происходит в затопленной части колонны, которая снабжена перемешивающими устройствами (международная заявка PCT / EP2010 / 051554, подана 09.02.2010, опубликована 19.08.2010, номер публикации WO 2010/092040, C10L 5/44 2006.1, C10B 53/02 2006.1, патентовладелец CSL CARBON SOLUTIONS LTD, имеется российский патент RU 2011132925).
Недостатками способа являются низкая энергоэффективность, т.к. способ не предполагает утилизацию отработанного пара, низкая эффективность обработки реакционной смеси и сложность конструкции колонны для его осуществления, т.к. трудно обеспечить отделение реакционной смеси от потока движущегося вверх пара и нахождение реакционной смеси в затопленной части колонны необходимое для обработки смеси время.
Наиболее близким к предлагаемому (прототипом) является способ и устройство для производства синтез - газа из подготовленной биомассы путем газификации во взвешенном потоке, включающее в себя топливоприготовительную установку для биомассы, имеющее устройство грубого помола, которое ниже по течению соединено с установкой для карбонизации, находящейся под давлением, для получения гидротермальным способом карбонизированного биоугля, причем установка для карбонизации имеет, по меньшей мере, один подогреватель и один карбонизирующий реактор, установленный ниже подогревателя и соединена ниже по течению с помощью второго шлюза с, по меньшей мере, одним устройством для разделения на твердую и жидкую фазы для приготовления топлива, причем топливоприготовлительная установка ниже устройства для разделения на жидкую и твердую фазу имеет сушильное устройство для сушки карбонизированного топлива, подключенное к измельчителю и установке для газификации топлива (международная заявка PCT / EP2010 / 007181, дата публикации 03.06.2011, номер публикации WO / 2011/063971, C10B 53/02 2006.1 C10L 5/44 2006.1 C10J 3/46 2006.1 C10J 3/66 2006.1, имеется российский патент RU 2012124875).
Недостатком способа является низкая его производительность, т. к. процесс карбонизации длится от 6 до 24 часов, и невозможность его использования для переработки высоковлажной биомассы, т.к. дробилка грубого измельчения, как и любая другая дробилка, сможет измельчать относительно сухую биомассу, влажностью менее 20 %.
Ключевой задачей технического решения является повышение производительности способа для гидротермальной карбонизации или влажной торрефикации биомассы, включая биоотходы, за счет сокращения продолжительности процесса гидротермальной карбонизации и расширения диапазона влажности перерабатываемой исходной биомассы.
Для решения поставленной задачи предлагается способ гидротермальной карбонизации или влажной торрефикации биомассы, включая биоотходы, содержащие до 90 - 98 % воды, заключающийся в том, что биомасса последовательно проходит стадии гидротермальной карбонизации в жидком виде при температуре 180 - 200 °С с получением промежуточного твердого полупродукта, полу – биоугля, влажностью 50 - 60 %, сушки, измельчения твердого полупродукта гидротермальной карбонизации, полу-биоугля, отличающийся тем, что полученный на стадии гидротермальной карбонизации твердый полупродукт с влажностью 50 - 60 % подвергается повторной гидротермальной карбонизации в вертикальной колонне с кипящим слоем, который создается частицами полу-биоугля и частицами твердого карбонизированного продукта, биоугля, а переводятся в псевдоожиженное состояние с помощью перегретого водяного пара, генерируемого в нагревательном устройстве, установленном перед вертикальной колонной для гидротермальной карбонизации в кипящем слое, а отделяемая от биоугля влажная среда, отработанный перегретый пар, направляется в сушилку для сушки полу-биоугля, где происходит его конденсация, в следствии которой нагревается и сушится полу-биоуголь, тогда как неконденсируемые газы, представляющие собой газообразные продукты карбонизации и содержащие горючие газы, окись углерода, водород и метан, направляются в нагревательное устройство, в котором сжигаются с целью генерации перегретого водяного пара.
Краткое описание чертежей.
На фигуре 1 изображена схема технологического процесса, реализующего предлагаемый способ.
Технологическая схема включает следующее оборудование: реактор для гидротермальной карбонизации исходных биоотходов 1, устройство для механического отделения воды и полу-биоугля 2, сушилку полу-биоугля 3, дробилку 4, реактор для повторной гидротермальной карбонизации полу-биоугля 5, нагревательное устройство 6, циклон 7.
На фигуре 2 изображен реактор 5 с кипящим слоем для повторной гидротермальной карбонизации полу-биоугля.
Реактор 5 имеет вертикальный корпус 8, в котором располагается кипящий слой 9, состоящий из частиц полу-биоугля и частиц биоугля. Кипящий слой опирается на решетку 10, служащую для равномерного распределения ожижающего агента (перегретого водяного пара) на входе в кипящий слой. Реактор 5 снабжен приемником перегретого водяного пара 11, устройством для выпуска отработанного перегретого водяного пара 12 и устройством 13 для загрузки полу-биоугля в реактор 5.
Описание реализации предлагаемого способа.
Способ реализуется следующим образом.
Исходные биоотходы, содержащие 90 - 98 % воды, поступают в реактор для гидротермальной карбонизации исходных биоотходов 1 известной конструкции, который представляет собой обогреваемую емкость с мешалкой. Обогрев емкости осуществляется за счет какого-либо внешнего источника тепла, например, за счет электронагревателей. В реакторе 1 происходит частичная гидротермальная карбонизация исходных биоотходов, предпочтительно, при температуре 180 - 200 °С и избыточном давлении до 2 МПа. Предпочтительно процесс гидротермальной карбонизации биоотходов в реакторе 1 занимает не более 50 минут.
Из ректора 1 смесь воды и полу-биоугля поступает в устройство 2 для механического отделения воды и полу-биоугля. Устройство 2 может быть фильтром или центробежным сепаратором известной конструкции.
Грязная вода, отделяемая в устройстве 2, может быть направлена на переработку. Например, она может быть использована как удобрение.
Получаемый полу-биоуголь имеет влажность не более 60 %.
Этот полу-биоуголь поступает в сушилку 3, в рубашку которой поступает отработанный перегретый водяной пар.
Предпочтительно сушилка 3 представляет собой сушилку известной конструкции, предпочтительно барабанную сушилку, оборудованную рубашкой, в которую поступает отработанный перегретый водяной пар. В результате сушки влажность обрабатываемых частиц снижается с 60 % до 7 %.
После сушки высушенные биоотходы выгружаются из сушилки 2 и поступают в дробилку 4. Предпочтительно дробилка 4 представляет собой молотковую дробилку известной конструкции. Полу - биоуголь измельчается до частиц, предпочтительно, размером не более 3 мм.
Измельченные и высушенные биоотходы поступают в реактор для гидротермальной карбонизации 5.
Перед реактором для гидротермальной карбонизации 5 установлено нагревательное устройство 6, которое представляет собой паровой котел известной конструкции, оборудованный топкой, конвективной частью и пароперегревателем.
За счет сжигания топлива в топке нагревательного устройства 6 происходит образование водяного пара из поступающей в это устройство воды и последующий перегрев этого пара до предпочтительной температуры не ниже 300 °С.
Перегретый водяной пар поступает из нагревательного устройства 6 в реактор для повторной гидротермальной карбонизации полу-биоугля 5.
Повторная гидротермальная карбонизация частиц полу-биоугля осуществляется за счет тепла, передаваемого от нагревателей, установленных на вертикальном корпусе 8 реактора. Время нахождения частиц полу-биоугля в реакторе для повторной гидротермальной карбонизации составляет 2 - 3 минуты. Предпочтительная температура повторной гидротермальной карбонизации частиц полу-биоугля составляет 300 °С.
Полученные в результате повторной гидротермальной карбонизации частицы биоугля выносятся из реактора 5 (фигура 1) вместе с отработанным водяным паром и поступают в циклон 7. Циклон 7 имеет известную конструкцию аппарата для очистки газовых потоков от твердых частиц за счет действия центробежной силы.
Отделенные в циклоне 7 от потока отработанного пара частицы биоугля направляются потребителю. Отработанный пар направляется в рубашку сушилки 3, где происходит его конденсация, за счет чего осуществляется нагрев и сушка полу-биоугля.
Конденсат отработанного перегретого водяного пара сливается в канализацию или отправляется на переработку (например, на извлечение 5 - гидрооксиметилфурфурола, содержащегося в конденсате).
Таким образом обеспечивается возможность переработки исходных биоотходов с высокой начальной влажностью и сокращается продолжительность процесса гидротермальной карбонизации.
В качестве примера рассмотрим процесс гидротермальной карбонизации куриного помета, удаляемого гидросмывом.
Помет имел следующий химический состав: содержание водорода - 4,8 %, содержание углерода - 37,8 %, содержание кислорода - 31 %, содержание азота - 1,9 %, содержание серы - 0,1 %, содержание золы - 24,4 %, высшая теплота сгорания - 15,1 МДж/кг.
Помет имеет изначальную влажность 90 %. С такой влажностью помет поступает в реактор для гидротермальной карбонизации, представляющий из себя герметичный сосуд, который обогревается электрически. За счет обогрева температура внутри реактора поднимается до 200 °С, а давление до 2,0 МПа.
Выдержка биоотходов в реакторе составляет 30 мин., после чего обогрев реактора прекращается, давление внутри реактора снижается и полу-биоуголь выгружается из реактора. Полу-биоуголь имеет влажность 55 %.
Этот биоуголь загружается в сушилку, которая обогревается отработанным перегретым водяным паром. В результате сушки в течении 20 мин. влажность полу-биоугля снижается с 55 % до 6 %.
Поскольку помет в исходном состоянии имеет размеры частиц 0,2 - 0,5 мм, то в сухом состоянии полученный из него биоуголь представляет собой порошок, измельчение которого не требуется.
Высушенный порошкообразный полу-биоуголь помет загружается в реактор для гидротермальной карбонизации, где он переводится в псевдоожиженное состояние перегретым водяным паром. Температура в реакторе составляет 300 °С. Среднее время нахождения частиц обрабатываемой биомассы в реакторе с кипящим слоем составляет 2 мин. Частицы полученного биоугля выносятся из реактора, поступают в циклон, в котором отделяются от потока отработанного перегретого водяного пара.
Полученный биоуголь имел следующий химический состав: содержание водорода - 4,6 %, содержание углерода - 57,6 %, содержание кислорода - 4 %, содержание азота - 3,1 %, содержание серы - 0,3 %, содержание золы - 30,4 %, высшая теплота сгорания - 24,4 МДж/кг.
Таким образом, полученный в результате предложенного процесса биоуголь имел теплоту сгорания в 1,62 раза больше, чем исходный помет, а общая продолжительность процесса гидротермальной карбонизации составила 52 мин. вместо 480 мин. при гидротермальной карбонизации по известной технологии (Bashir M. Ghanim, Daya Shankar Pandey, Witold Kwapinski, James J. Leahy Hydrothermal carbonisation of poultry litter: Effects of treatment temperature and residence time on yields and chemical properties of hydrochars, Bioresource Technology 216 (2016) 373-380).