СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩИХ ВЕЩЕСТВ
METHOD AND INSTALLATION FOR PROCESSING CARBON-CONTAINING SUBSTANCES

Изобретения относятся к области переработки углеродсодержащих веществ, в частности, к способам их переработки пиролизом, и могут быть использованы для переработки отходов деревообработки, торфа, отходов бурого угля и шламов пищевого производства с получением топливных продуктов.
Известен способ переработки углеродсодержащих веществ, описанный в патенте Российской Федерации №2451880 на изобретение «Способ переработки углеродсодержащих твердых веществ методом быстрого пиролиза (варианты)» по классу F23G 5/02, F23G 5/027, F23G 5/04, В09В 3/00, заявленном 18.09.2009 года и опубликованном 27.05.2012 года.
Известный способ переработки углеродсодержащих веществ, таких как твердые бытовые и промышленные отходы, включая отходы сельскохозяйственного производства, заключается в том, что отходы высушивают при температуре не более 170°С до влажности не более 2,0%, при этом образовавшуюся паровоздушную смесь очищают и отводят, а высушенный материал подвергают последующему быстрому пиролизу без доступа кислорода при температуре 570-950°С в течение не более 5 с, а образовавшийся пиролизный газ через теплообменник направляют в систему конденсации для разделения на жидкое топливо и синтез-газ, при этом теплообменник служит для передачи части тепловой энергии пиролизного газа для процесса высушивания. Исходный перерабатываемый материал подают в вибрационную сушильную камеру с кипящим слоем и высушивают до требуемой влажности, При необходимости, перед сушкой исходный материал дробят до требуемого размера частиц от 0,1 до 5 мм в зависимости от вида материала. Далее, высушенный материал направляют в реактор быстрого пиролиза, где его подвергают термической деструкции путем инициации энтропийных взрывов, время нахождения материала в реакторе устанавливают, исходя из вида перерабатываемого материала.
Недостатком этого способа переработки углеродсодержащих веществ является его низкая эффективность из-за необходимости предварительного измельчения сырья и технологического разделения процессов сушки и пиролиза, проводимых в устройствах разного типа.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются способ и установка для переработки углеродсодержащих веществ, описанные в патенте Российской Федерации №2349624 на изобретение «Способ и установка для переработки органического и минерального вещества в жидкое и газообразное топливо» по классу С10В 53/00, C10G 1/00, С10В 53/02, заявленном 06.09.2007 года и опубликованном 20.03.2009 года.
Данный способ переработки органического и/или минерального вещества в жидкое и газообразное топливо включает его пиролизную переработку в установке путем нагрева без доступа кислорода в камере переработки в присутствии холодно-плазменного высокочастотного разряда с получением в качестве продуктов пиролиза газообразного топлива с последующей конденсацией его в жидкое топливо и твердого остатка, причем сырье помещают на конвейер в герметичном реакторе и обрабатывают на конвейере в дуге плазменного разряда с температурой 500-1500°С и затратах энергии 0,2-0,6 кВт⋅ч на 1 кг сырья при скорости обработки 0,1-10 тонн сырья в час.
Реализующая данный способ установка пиролизной переработки органического и/или минерального вещества в жидкое и газообразное топливо содержит бункер приема перерабатываемого сырья, дозатор, камеру переработки, емкость для твердого остатка и устройство конденсации топлива, причем камера переработки представляет собой герметический реактор, в котором установлен конвейер для перемещения сырья из бункера в емкость для твердого остатка с производительностью 0,1-10 тонн сырья в час, над конвейером установлен плазмотрон, совмещающий функции устройства получения плазмы высокочастотного разряда и устройства высокоскоростного нагрева сырья до температуры 500-1500°С электрической мощностью 180-600 кВт на одну тонну перерабатываемого сырья в час. Установка установлена на мобильном транспортном средстве с автономным источником энергии.
Недостатком указанных способа и установки для переработки органического и/или минерального вещества в жидкое и газообразное топливо является недостаточная эффективность, обусловленная тем, что нагрев сырья осуществляют в толстом слое на холодном конвейере, вследствие чего прилегающая к нему часть сырья не прогревается до нужной температуры и остается не переработанной, а также тем, что диапазон температур нагрева сырья, а также значительное время пребывания парогазовой смеси при высокой температуре существенно превышают параметры, необходимые для максимального выхода жидкой фракции, и значительно снижают ее долю в продуктах пиролиза. Кроме того, стенки реактора в процессе переработки сырья остаются холодными, что приводит к конденсации на них парогазовой смеси и неконтролируемым потерям и загрязнению установки.
Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности способа и установки для переработки углеродсодержащих веществ.
Техническим результатом, позволяющим решить указанную задачу, является повышение процента переработки углеродсодержащих веществ и снижение потерь в установке в процессе их переработки.
Указанный результат достигается тем, что:
1. В способе переработки углеродсодержащих веществ, включающем их пиролизную переработку в установке путем нагрева в камере переработки с получением в качестве продукта пиролиза газообразного топлива, согласно изобретению, предварительно подготовленное сырье из равного количества опилок, лигнина и торфа с размером частиц до 3 мм измельчают при помощи шредера и загружают потоком сжатого воздуха в печь кипящего слоя, где подвергают пиролизу при температуре 600-800°С в два этапа, при этом на первом этапе измельченное сырье распыляют сжатым воздухом во встречном потоке нагретого до температуры 600-700°С пиролизного газа, получаемого над решеткой кипящего слоя, где дисперсная часть сырья подвергается пиролизу, а не прореагировавшая часть сырья поступает на второй этап, где на решетке кипящего слоя при температуре 700-800°С в кипящем слое частицы измельчаются и взаимодействуют с воздухом, подаваемым через решетку вентилятором высокого давления, с образованием пиролизного газа, который из печи кипящего слоя подают в газосборник, где его охлаждают до температуры 100-105°С распыляемой водой, нагретой до температуры 90-95°С, и направляют газодувкой в газгольдер для использования потребителями, а уловленные в газосборнике принесенные пиролизным газом частицы сырья через гидрозатвор направляют в емкость для шлама, куда также поступают частицы сырья, провалившиеся сквозь решетку печи, отделяют их в отстойнике и после обезвоживания в распылительной сушилке вторично используют в процессе пиролиза.
2. В установке для переработки углеродсодержащих веществ, содержащей бункер перерабатываемого сырья, камеру переработки сырья и емкость для твердого остатка, согласно изобретению, камера переработки сырья выполнена в виде печи кипящего слоя, разделенной на две части решеткой и снабженной расположенным над ней загрузочным устройством, содержащим шредер в виде двухвалкового шнека и патрубок для подачи сжатого воздуха, кроме того, установка снабжена газосборником, газодувкой, газгольдером, емкостью горячей воды, емкостью для шлама, отстойником с механизмом удаления шлама, шламовым насосом, распылительной сушилкой, вентиляторами низкого и высокого давления и емкостью для твердого остатка в виде бункера не прореагировавших частиц сырья.
3. В установке по п. 2, согласно изобретению, высоту камеры печи кипящего слоя выбирают, исходя из размера частиц, подаваемых на переработку веществ.
Переработка предварительно подготовленного сырья из равного количества опилок, лигнина и торфа с размером частиц до 3 мм, которое измельчают при помощи шредера и загружают потоком сжатого воздуха в печь кипящего слоя, где подвергают пиролизу при температуре 600-800°С в два этапа, при этом на первом этапе измельченное сырье распыляют сжатым воздухом во встречном потоке нагретого до температуры 600-700°С пиролизного газа, получаемого над решеткой кипящего слоя, где дисперсная часть сырья подвергается пиролизу, а не прореагировавшая часть сырья поступает на второй этап, где на решетке кипящего слоя при температуре 700-800°С в кипящем слое частицы измельчаются и взаимодействуют с воздухом, подаваемым через решетку вентилятором высокого давления, с образованием пиролизного газа, который из печи кипящего слоя подают в газосборник, где его охлаждают до температуры 100-105°С распыляемой водой, нагретой до температуры 90-95°С, и направляют газодувкой в газгольдер для использования потребителями, а уловленные в газосборнике принесенные пиролизным газом частицы сырья через гидрозатвор направляют в емкость для шлама, куда также поступают частицы сырья, провалившиеся сквозь решетку печи, отделяют их в отстойнике и после обезвоживания в распылительной сушилке вторично используют в процессе пиролиза, а также выполнение камеры переработки сырья в виде печи кипящего слоя, разделенной на две части решеткой и снабженной расположенным над ней загрузочным устройством, содержащим шредер в виде двухвалкового шнека и патрубок для подачи сжатого воздуха, кроме того, снабжение установки газосборником, газодувкой, газгольдером, емкостью горячей воды, емкостью для шлама, отстойником с механизмом удаления шлама, шламовым насосом, распылительной сушилкой, вентиляторами низкого и высокого давления и емкостью для твердого остатка в виде бункера не прореагировавших частиц сырья, позволяют повысить процент переработки углеродсодержащих веществ и снизить потери в установке в процессе их переработки, что дает возможность повысить эффективность способа и установки для переработки углеродсодержащих веществ.
При этом высоту камеры печи кипящего слоя могут выбирать, исходя из размера частиц, подаваемых на переработку веществ.
Заявляемый способ переработки углеродсодержащих веществ обладает новизной по сравнению с ближайшим аналогом, отличаясь от него тем, что предварительно подготовленное сырье из равного количества опилок, лигнина и торфа с размером частиц до 3 мм измельчают при помощи шредера и загружают потоком сжатого воздуха в печь кипящего слоя, где подвергают пиролизу при температуре 600-800°С в два этапа, при этом на первом этапе измельченное сырье распыляют сжатым воздухом во встречном потоке нагретого до температуры 600-700°С пиролизного газа, получаемого над решеткой кипящего слоя, где дисперсная часть сырья подвергается пиролизу, а не прореагировавшая часть сырья поступает на второй этап, где на решетке кипящего слоя при температуре 700-800°С в кипящем слое частицы измельчаются и взаимодействуют с воздухом, подаваемым через решетку вентилятором высокого давления, с образованием пиролизного газа, который из печи кипящего слоя подают в газосборник, где его охлаждают до температуры 100-105°С распыляемой водой, нагретой до температуры 90-95°С, и направляют газодувкой в газгольдер для использования потребителями, а уловленные в газосборнике принесенные пиролизным газом частицы сырья через гидрозатвор направляют в емкость для шлама, куда также поступают частицы сырья, провалившиеся сквозь решетку печи, отделяют их в отстойнике и после обезвоживания в распылительной сушилке вторично используют в процессе пиролиза.
Заявляемая установка для переработки углеродсодержащих веществ обладает новизной по сравнению с ближайшим аналогом, отличаясь от него тем, что:
1. камера переработки сырья выполнена в виде печи кипящего слоя, разделенной на две части решеткой и снабженной расположенным над ней загрузочным устройством, содержащим шредер в виде двухвалкового шнека и патрубок для подачи сжатого воздуха, кроме того, установка снабжена газосборником, газодувкой, газгольдером, емкостью горячей воды, емкостью для шлама, отстойником с механизмом удаления шлама, шламовым насосом, распылительной сушилкой, вентиляторами низкого и высокого давления и емкостью для твердого остатка в виде бункера не прореагировавших частиц сырья,
2. высоту камеры печи кипящего слоя выбирают, исходя из размера частиц, подаваемых на переработку веществ.
Заявителю неизвестны способ и установка для переработки углеродсодержащих веществ, обладающие вышеуказанными отличительными существенными признаками, позволяющими явным образом достичь такого же технического результата, они не следуют явным образом из изученного им уровня техники, поэтому заявитель считает, что заявляемое изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемые способ и установка могут найти широкое применение в области переработки углеродсодержащих веществ, в частности, в способах и установках их переработки пиролизом, и могут быть использованы для переработки отходов деревообработки, торфа, отходов бурого угля и шламов пищевого производства с получением топливных продуктов, поэтому заявляемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».
Заявляемый способ переработки углеродсодержащих веществ представляет собой совокупность операций, позволяющих повысить долю переработанного сырья и снизить потери в установке в процессе его переработки, и заключается в том, что предварительно подготовленное сырье из равного количества опилок, лигнина и торфа с размером частиц до 3 мм измельчают при помощи шредера и загружают потоком сжатого воздуха в печь кипящего слоя, где подвергают пиролизу при температуре 600-800°С в два этапа, при этом на первом этапе измельченное сырье распыляют сжатым воздухом во встречном потоке нагретого до температуры 600-700°С пиролизного газа, получаемого над решеткой кипящего слоя, где дисперсная часть сырья подвергается пиролизу, а не прореагировавшая часть сырья поступает на второй этап, где на решетке кипящего слоя при температуре 700-800°С в кипящем слое частицы измельчаются и взаимодействуют с воздухом, подаваемым через решетку вентилятором высокого давления, с образованием пиролизного газа, который из печи кипящего слоя подают в газосборник, где его охлаждают до температуры 100-105°С распыляемой водой, нагретой до температуры 90-95°С, и направляют газодувкой в газгольдер для использования потребителями, а уловленные в газосборнике принесенные пиролизным газом частицы сырья через гидрозатвор направляют в емкость для шлама, куда также поступают частицы сырья, провалившиеся сквозь решетку печи, отделяют их в отстойнике и после обезвоживания в распылительной сушилке вторично используют в процессе пиролиза.
Заявляемый способ реализуют с помощью установки для переработки углеродсодержащих веществ, схема которой приведена на чертеже.
Установка для переработки углеродсодержащих веществ содержит бункер 1 перерабатываемого сырья, загрузочную камеру 2, содержащую шредер в виде двухвалкового шнека и патрубок для подачи сжатого воздуха (на чертеже не показаны), расположенную под загрузочной камерой 2 печь 3 кипящего слоя, разделенную на две части решеткой, газосборник 4, газодувку 5, газгольдер 6, емкость 7 горячей воды, емкость 8 для шлама, отстойник 9 с механизмом удаления шлама, шламовый насос 10, распылительную сушилку 11, бункер 12 не прореагировавших частиц сырья, вентилятор 13 низкого и вентилятор 14 высокого давления.
Высота камеры печи 3 кипящего слоя выбрана, исходя из размера частиц, подаваемых на переработку веществ, при этом при размере частиц до 3 мм высота камеры составляет 25 м, при размере частиц до 2 мм - 20 м, а при размере частиц до 1 мм соответственно 15 м.
Заявляемый способ переработки углеродсодержащих веществ реализуют с помощью заявляемой установки следующим образом.
В таблице приведен химический состав перерабатываемых на установке веществ и их технические характеристики. Расчет теплотворной способности проведен по формуле Q=81С+300Н-26(О-S) ккал/кг.
Для получения пиролизного газа сырье из смеси опилок, лигнина и торфа, взятых в равном соотношении, с размером частиц до 3 мм подвергают пиролизу при температуре 600-800°С, при этом процесс пиролиза каждой составляющей части сырья протекает с образованием продуктов в зависимости от их состава по приведенным ниже реакциям:
1. При пиролизе опилок и лигнина
6
10
5
2
2
2
1
СН O+2O→6СО+2H+3HO+Q;
2
2
2
2
2CxHyOz+xO→2xCO+(y-z)H+zHO+Q.
2. При пиролизе торфа в зависимости от его состава
p
2
2
3
CnHmO+(n+m)O+→(n+p)CO+mH+Q;
14
10
2
2
4
CH+7 O→14СО+5Н+Q
3
3
Средний состав горючих компонентов смеси применяемых веществ в соответствии с принятым соотношением составляет: оксида углерода - 49,2%, водорода - 25,2%, воды - 4,6. Теплотворная способность такого газа равна 4679-60307 кг, в среднем 5343 ккал/кг газа, а выход газа из 1 т отходов составит 1270-1734 м, в среднем 1502 м. Исходя из этого, определяют оптимальный состав сырья и режимы его переработки.
Запуск процесса переработки и разогрев печи 3 кипящего слоя производят путем сжигания отработанного масла, подаваемого из специальной емкости (на чертеже не показана) в форсунку печи 3 вместе с воздухом. Кипящий слой в печи 3 создают путем поддержания скорости образуемого ожижающего агента пиролизного газа и кислорода 0,5-0,6 м/с при 95-100%-ном окислении веществ.
Предварительно подготовленное сырье в виде смеси взятых в равном соотношении опилок, лигнина и торфа с размером частиц до 3 мм, полученных путем просева на грохоте (на чертеже не показан), помещают в бункер 1 перерабатываемого сырья, оттуда сырье поступает в загрузочную камеру 2, где его измельчают при помощи шредера в виде двухвалкового шнека (на чертеже не показан) и загружают сверху в печь 3 кипящего слоя, распыляя сжатым воздухом, подаваемым вентилятором 13 низкого давления через патрубок (на чертеже не показан) в загрузочной камере 2.
На первом этапе процесса пиролиза сырье распыляют в печи 3 во встречном потоке имеющего температуру 600-700°С пиролизного газа, полученного над решеткой кипящего слоя. При этом дисперсная часть сырья подвергается пиролизу, а непрореагировавшие частицы сырья поступают на решетку печи 3 кипящего слоя. Там, на втором этапе процесса переработки при температуре 700-800°С в кипящем слое частицы сырья измельчаются и взаимодействуют с воздухом, подаваемым вентилятором 14 высокого давления снизу через решетку печи 3 кипящего слоя, с образованием пиролизного газа, который из печи 3 вместе с пылью поступает в газосборник 4.
Здесь газ охлаждают до температуры 100-105°С распыляемой водой, нагретой до 90-95°С и подаваемой из емкости 7 горячей воды, после чего газ через воздуходувку 5 подают в газгольдер 6 для использования потребителями.
Уловленные в газосборнике 4 принесенные пиролизным газом частицы сырья с водой направляют через гидрозатвор (на чертеже не показан) в емкость 8 для шлама, куда также поступают непрореагировавшие частицы сырья, провалившиеся вниз сквозь решетку печи 3. Шлам из емкости 8 поступает в отстойник 9 с механизмом удаления шлама, откуда с помощью шламового насоса 10 его подают в распылительную сушилку 11 и далее в бункер 12 не прореагировавших частиц сырья для их вторичного использования в процессе пиролиза. Таким образом, при реализации заявляемого способа с помощью заявляемой установки в процессе пиролиза происходит переработка всей массы углеродсодержащего сырья без потерь его не переработанным.
Заявляемые способ и установка для переработки углеродсодержащих отходов по сравнению с ближайшим аналогом имеют большую эффективность за счет повышения процента переработки углеродсодержащих веществ и снижения потерь в установке в процессе их переработки.