УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

Предполагаемое изобретение относится к области переработки твердого углеводородного сырья и может найти применение при переработке твердых бытовых и промышленных отходов, при газификации углей и торфа.
Известен способ переработки твердых бытовых отходов, при котором отходы загружают в реактор, в который противотоком к отходам подают газифицирующий агент, содержащий кислород. В реакторе организуют режим пиролиза твердых отходов с последующим сжиганием/газификацией остатков пиролиза, вывод твердых продуктов переработки из реактора, а также вывод из реактора продуктов сушки, пиролиза и горения в виде продукт-газа (пиролизного газа). Газификацию осуществляют путем последовательного пребывания отходов в зонах: нагревания и сушки, пиролиза, горения (окисления) и охлаждения. Максимальную температуру в реакторе поддерживают в пределах (700-1400)°С путем регулирования, по меньшей мере, одного из параметров: массовой доли кислорода в газифицирующем агенте, массовой доли негорючего материала в отходах и массовой доли горючего материала в отходах (см. патент RU 2079051 C1, 1997.05.10).
Известный способ имеет ряд существенных недостатков:
- сложность обеспечения оптимального режима процесса переработки из-за необходимости регулирования массовой доли кислорода в газифицирующем агенте, массовой доли горючего и негорючего материала в перерабатываемых отходах;
- невысокая надежность процесса переработки отходов, так как при температуре в реакторе, равной 1000-1400°С происходит плавление и спекание компонентов твердых продуктов переработки, выводимых из реактора;
- невысокая производительность процесса переработки, обусловленная содержанием в газифицирующем агенте значительного количества азота, не участвующего в процессе окисления продуктов переработки;
- невысокая эффективность использования пиролизного газа, направляемого внешнему потребителю, из-за низкой удельной теплоты сгорания пиролизного газа, обусловленной наличием в нем большого количества негорючих компонентов, таких как азот, двуокись углерода и других;
- высокая экологическая опасность процесса, обусловленная значительными нагрузками на систему очистки дымовых газов от выбросов, таких, как диоксины, бензопирен и других, синтезированных в процессе прохождения пиролизного газа через перерабатываемые отходы и при его сжигании.
Из известных способов переработки твердых бытовых и промышленных отходов наиболее близким заявляемому является способ, при котором осуществляют предварительную обработку отходов, их загрузку в реактор, нагрев, сушку, пиролиз и сжигание перерабатываемых отходов, вывод из реактора продуктов переработки - пиролизного газа и жидкого шлака. 15-30% полученного пиролизного газа используют в качестве технологического топлива на образование газифицирующего агента, а остальную часть в качестве энергетического топлива направляют внешнему потребителю, при этом технологический пиролизный газ предварительно смешивают с воздухом (см. патент RU 2213908 С1, 2003.10.10.).
Существенными недостатками известного способа являются:
- ограничение состава перерабатываемых отходов по количеству в их составе низкокалорийных компонентов из-за невозможности получения достаточной температуры продуктов переработки, обеспечивающей им переход в жидкую фазу (шлак) для удаления из реактора;
- невысокая производительность процесса переработки, вызванная содержанием в газифицирующем агенте значительного количества азота, не участвующего в процессе окисления продуктов переработки;
- невысокая эффективность использования пиролизного газа, направляемого внешнему потребителю для различного типа силовых энергетических установок, из-за низкой удельной теплоты сгорания пиролизного газа, обусловленной наличием в нем достаточно большого количества балластных - негорючих компонентов;
- значительная экологическая опасность процесса, обусловленная высокими нагрузками на систему очистки дымовых газов, получаемых при сжигании пиролизного газа, из-за наличия в них повышенного содержания окислов азота.
Известна установка обезвреживания и уничтожения твердых отходов, содержащая камеру газификации с отверстиями для регулируемой подачи кислородсодержащего газифицирующего агента и отверстиями для вывода газообразных продуктов в камеру дожигания, камеру дожигания с отверстиями для ввода вторичного воздуха. Камера газификации частично, той ее частью, где расположена зона газификации, погружена в камеру дожигания (см. патент RU 2089786 С2, 1997.09.10).
Недостатками известной установки являются:
- низкая надежность и эффективность работы, обусловленная зависанием перерабатываемых отходов в верхней части камеры газификации из-за выделения смол из отходов при их нагреве пиролизным газом и осаждением их на относительно холодные стенки верхней части камеры, а также, из-за закоксования проточной части трубопроводов, по которым поступает пиролизный газ;
- сложность конструкции из-за наличия дополнительных энергоемких устройств получения газифицирующего агента.
Из известных установок обезвреживания и уничтожения твердых отходов наиболее близкой заявляемой является установка, содержащая загрузочное устройство, камеру газификации (реактор) с отверстиями вывода газообразных продуктов, камеру дожигания, приемный контейнер отходов, устройство отвода газообразных продуктов переработки, камеры сжигания, одни из которых расположены в нижней части камеры дожигания тангенциально внешней поверхности рабочего пространства камеры, а другие расположены в нижней части камеры газификации по радиусу к центру камеры и соединены с отверстиями вывода газообразных продуктов камеры газификации. Камера дожигания охватывает зону сушки и зону пиролиза камеры газификации, нижняя часть которой расположена в корпусе с образованием кольцевого пространства, соединенного с внутренним объемом камеры газификации и с отверстиями вывода газообразных продуктов. Камеры сгорания, расположенные по радиусу к центру камеры газификации, установлены между корпусом и камерой дожигания (см. патент RU 2201552 С 2, 2003.03.27).
Известная установка имеет ряд существенных недостатков:
- низкая энергетическая эффективность газифицирующего агента, получаемого при сжигании смеси пиролизного газа с воздухом в камерах сгорания и, как следствие, невысокая производительность по перерабатываемым отходам и ограничен состав перерабатываемых отходов по количеству в них низкокалорийных компонентов из-за недостаточной температуры в камере газификации;
- низкая удельная теплота сгорания пиролизного газа, передаваемого внешнему потребителю для различного типа силовых энергетических установок, из-за значительного количества в нем азота, входящего в состав газифицирующего агента, и, как следствие, невысокая удельная мощность;
- значительная экологическая опасность процесса переработки из-за высоких нагрузок на систему очистки дымовых газов, получаемых при сжигании пиролизного газа, из-за повышенного содержания в них окислов азота.
Техническая задача, которую решает предполагаемое изобретение, -расширение состава перерабатываемых отходов, в том числе за счет низкокалорийных; повышение производительности процесса переработки; повышение теплоты сгорания и эффективности применения пиролизного газа, передаваемого внешнему потребителю; повышение экологической безопасности процесса переработки путем снижения нагрузки на систему очистки дымовых газов, получаемых при сжигании пиролизного газа.
Техническая задача решается тем, что в способе переработки твердого углеводородного сырья подготовленное сырье загружают в реактор, нагревают, сушат, осуществляют пиролиз и сжигание с образованием продуктов переработки в газообразной (пиролизный газ) и жидкой (шлак) фазе, выводят продукты переработки из реактора, при этом часть (не более 30%) полученного пиролизного газа используют в качестве технологического, а остальную его часть в качестве энергетического топлива, при этом технологический пиролизный газ предварительно смешивают с воздухом для образования газифицирующего агента. Способ отличается тем, что в качестве газифицирующего агента используют пароводяную плазму, полученную в одном или нескольких плазмотронах, и продукты сжигания смеси технологического пиролизного газа с воздухом и/или кислородом, а отвод продуктов газификации осуществляют по прямоточной и/или противоточной схеме движения сырья и пиролизного газа. Необходимую максимальную температуру в реакторе поддерживают регулированием температуры, расхода, и состава газифицирующего агента. Для образования смеси в качестве технологического топлива используют не менее 5% полученного пиролизного газа.
В установке по переработке твердого углеводородного сырья, содержащей загрузочное устройство, реактор с отверстиями вывода газообразных продуктов, камеры сгорания, расположенные в нижней части реактора по радиусу к его центру, соединенные с отверстиями вывода газообразных продуктов и ввода газифицирующего агента в реактор. Установка отличается тем, что в нижней части реактора установлены плазмотроны, соединенные с источниками воды и/или водяного пара, электрического тока и отверстиями ввода газифицирующего агента в реактор. Отверстия вывода газообразных продуктов размещены в верхней и/или нижней части реактора, а камеры сгорания соединены с внешним источником воздуха и/или кислорода. Плазмотроны установлены по радиусу к центру реактора.
Таким образом, введенные в способ и установку новые отличительные признаки в совокупности с известными признаками позволяют решить поставленную задачу.
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 дан общий вид установки в разрезе, на фиг.2 - сечение по А-А.
Предлагаемый способ переработки твердого углеводородного сырья осуществляется следующим образом. Твердое углеводородное сырье предварительно подвергают механической обработке, при которой сырье сортируют, дробят и возможно прессуют в брикеты заданных размеров.
Подготовленное к переработке сырье подают в верхнюю часть реактора. Перемещающееся под действием силы тяжести сырье нагревают до температуры 200°С за счет теплопередачи от движущегося в противотоке к нему горячего пиролизного газа. Затем сырье подвергают сушке при температуре 200-450°С, в результате которой оно теряет воду, которую в виде водяного пара затем используют для формирования газифицирующего агента. При дальнейшем нагреве сухое сырье подвергают пиролизу (термохимическому крекингу), сначала низкотемпературному, а затем среднетемпературному при температуре, соответственно 450-900°С. В результате пиролиза органические составляющие перерабатываемого сырья подвергаются распаду на пиролизный газ и твердое вещество, движущиеся в противотоке друг к другу. Твердое вещество представляет собой твердый негорючий остаток и углистое вещество. При движении в реакторе твердое вещество подвергают дальнейшему нагреву, в результате которого углистое вещество, участвуя в процессе высокотемпературного пиролиза (900-1350°С), разлагается на пиролизный газ. При дальнейшем движении углистого вещества и негорючих компонентов, в результате реализации экзотермических реакций окисления, температура в реакторе повышается до 1600°С, при этом негорючие компоненты подвергаются плавлению, образуя жидкий шлак, который удаляют из нижней части реактора. Выведенный из реактора пиролизный газ подают внешнему потребителю в качестве топлива теплоэнергетических установок, а жидкий шлак подвергают грануляции и охлаждению.
Для осуществления процесса высокотемпературного пиролиза и газификации углистого вещества, осуществляемых с помощью экзотермических реакций окисления, используют газифицирующий агент, подаваемый в углистое вещество. В качестве газифицирующего агента используют пароводяную плазму, полученную в одном или нескольких плазмотронах, и продукты сгорания смеси, содержащей от 5 до 30% полученного пиролизного газа с воздухом и/или кислородом внешнего источника. Сформированный газифицирующий агент подают в углистое вещество, находящееся над жидкой фазой. Отвод продуктов пиролиза осуществляют по прямоточной и/или противоточной схемам движения сырья и пиролизного газа. При протекании экзотермических реакций углерод углистого вещества окисляется до окиси углерода, а водород частично используется в реакциях синтеза низших углеводородов, частично - в реакции окисления кислородом, с образованием водяного пара, который, реагируя с углеродом, также синтезирует углеводороды. В результате протекания химических реакций, осуществляемых с помощью газифицирующего агента, пиролизный газ обогащается горючими компонентами. В состав горючих компонентов входят окись углерода, низшие углеводороды и водород, увеличивая удельную теплоту сгорания пиролизного газа. При противоточной схеме движения сырья и пиролизного газа (верхний отбор пиролизного газа) пиролизный газ содержит максимальное количество смол, меньшее количество газообразной фазы, имеет относительно низкую температуру и высокую удельную теплоту сгорания. При прямоточной схеме движения сырья и пиролизного газа (нижний отбор пиролизного газа) в пиролизном газе практически отсутствуют смолы, он содержит максимальное количество горючих газов, его температура близка максимальной, удельная теплота сгорания его несколько ниже, чем при верхнем отборе пиролизного газа. Смешанная схема движения сырья и пиролизного газа (комбинированный отбор пиролизного газа) позволяет реализовать одновременно циклы поршневого когенератора или газотурбинной энергетической установки и паровой турбины теплоэнергетической установки.
Необходимую максимальную температуру в реакторе поддерживают путем регулирования температуры, расхода и состава газифицирующего агента.
При переработке низкокалорийного углеводородного сырья, характеризуемого низкой удельной теплотой сгорания и, как следствие, низкой удельной теплотой сгорания получаемого пиролизного газа, для формирования газифицирующего агента используют пароводяную плазму, генерируемую плазмотронами, и продукты сгорания смеси, содержащей до 30% (верхний предел) полученного пиролизного газа с воздухом и/или кислородом. Это приводит к увеличению расхода газифицирующего агента при заданной температуре, и увеличению количества кислорода и водорода, участвующих в газификации сырья, и, как следствие, увеличению удельной теплоты сгорания полученного пиролизного газа за счет уменьшения в его составе азота и увеличения количества водорода и низших углеводородов
При переработке высококалорийного углеводородного сырья, характеризуемого высокой удельной теплотой сгорания, для формирования газифицирующего агента используют пароводяную плазму, генерируемую плазмотронами, и одновременно продукты сгорания смеси, содержащей не менее 5% (нижний предел) полученного пиролизного газа с воздухом и/или кислородом. При этом за счет увеличения коэффициента избытка воздуха в камерах сгорания обеспечивают заданную температуру газифицирующего агента, а за счет подачи в камеры сгорания кислорода для образования газифицирующего агента увеличивают удельную теплоту сгорания пиролизного газа (снижается содержание азота). Использование 5% пиролизного газа на образование смеси для камер сгорания увеличивает количество пиролизного газа подаваемого внешнему потребителю. При использовании 30% полученного пиролизного газа на образование смеси увеличивает производительность процесса.
Таким образом, использование в качестве газифицирующего агента пароводяной плазмы, полученной в одном или нескольких плазмотронах, и продуктов сгорания смеси пиролизного газа с воздухом и/или кислородом, осуществление отвода продуктов пиролиза по прямоточной и/или противоточной схемам движения сырья и пиролизного газа позволяет:
- расширить состав перерабатываемого твердого углеводородного сырья, включая и низкокалорийное, и повысить производительность процесса переработки путем регулирования температуры, расхода и состава газифицирующего агента;
- повысить теплоту сгорания пиролизного газа за счет использования в качестве газифицирующего агента пароводяной плазмы, получаемой в одном или нескольких плазмотронах, и продуктов сгорания смеси 5-30% полученного пиролизного газа с воздухом и/или кислородом, подаваемых для газификации перерабатываемого сырья. В этом случае в составе пиролизного газа снижено содержание азота и повышено содержание водорода и окиси углерода;
- повысить эффективность применения передаваемого внешнему потребителю пиролизного газа путем регулирования состава и температуры пиролизного газа, которые зависят от его места отбора из реактора -верхний, нижний или комбинированный отбор. Место отбора пиролизного газа определяется схемой движения сырья и пиролизного газа, которая может быть прямоточной и/или противоточной;
- повысить экологическую безопасность переработки путем снижения нагрузки на систему очистки дымовых газов, получаемых при сжигании пиролизного газа, за счет снижения количества окислов азота в дымовых газах из-за низкого содержания азота в газифицирующем агенте.
Установка для переработки твердого углеводородного сырья содержит загрузочное устройство 1, реактор 2, камеры сгорания 3, плазмотроны 4. Реактор 2 в верхней части имеет отверстие 5 для вывода пиролизного газа, а в нижней части отверстия 6 и 7 для ввода газифицирующего агента, отверстие 8 для вывода пиролизного газа и отверстие 9 для вывода жидкого шлака. Камеры сгорания 3 и плазмотроны 4 расположены в нижней части реактора 2 по радиусу к его центру и соединены с отверстиями 6 и 7. Камеры сгорания 3 соединены каналами 10 и 11 с отверстиями вывода пиролизного газа 5 и 8 и коллекторами 12 и 13 с внешними источниками воздуха и/или кислорода. Плазмотроны 4 соединены коллекторами 14 с источниками воды и/или водяного пара, а коллекторами 15 с источником электрической энергии. Отверстия 5 и 8 вывода пиролизного газа соединены трубопроводами 16 и 17 с внешним потребителем пиролизного газа.
Установка работает следующим образом. Подготовленное к переработке сырье подается через загрузочное устройство 1 в верхнюю часть реактора 2.
Пусковой режим обеспечивается плазмотронами 4, генерирующими пароводяную плазму, используемую в качестве газифицирующего агента и подаваемую через отверстия 7 в реактор 2. Питание плазмотронов 4 осуществляется коллекторами 14 и 15. В результате взаимодействия высокотемпературных потоков пароводяной плазмы, содержащей положительно заряженные ионы водорода, отрицательно заряженные ионы ОН, ионы кислорода и водяного пара, с сырьем реактора 2, осуществляются экзотермические реакции окисления с выделением теплоты, пиролизного газа и углистого вещества, которое вновь подвергается процессу газификации. Пиролизный газ, перемещаясь в верхнюю и/или нижнюю часть реактора 2, нагревает расположенное там сырье, подвергая его разложению, газификации с образованием пиролизного газа и углистого вещества. Образовавшийся пиролизный газ выводится через отверстия 5 и/или 9. Выведенный пиролизый газ на режиме запуска полностью используется для образования газифицирующего агента в камерах сгорания 3. Продукты сгорания смеси пиролизного газа, воздуха и/или кислорода подаются через отверстия 6 в реактор 2, где используются в качестве газифицирующего агента.
После выхода установки на режим рабочий процесс осуществляется следующим образом. Поданное через загрузочное устройство 1 в верхнюю часть реактора 2 сырье перемещается под действием силы тяжести и подвергается нагреву до температуры 200°С за счет теплопередачи от движущегося в противотоке к нему горячего пиролизного газа. В результате дальнейшего нагрева при температуре 200-450°С сырье подвергается сушке, в результате которой оно теряет воду, которая в виде водяного пара, затем входит в состав газифицирующего агента. При дальнейшем нагреве сухое сырье подвергается пиролизу, сначала низкотемпературному, а затем среднетемпературному при температуре, соответственно 450-900°С. В результате пиролиза органические составляющие перерабатываемого сырья подвергаются распаду на пиролизный газ и твердое вещество. Твердое вещество, представляет собой твердый негорючий остаток и углистое вещество. При дальнейшем движении в реакторе углистое вещество и негорючие компоненты подвергаются дальнейшему нагреву, при этом углистое вещество, участвуя в процессе высокотемпературного пиролиза (900-1350°С), реализуемого экзотермическими реакциями окисления, разлагается на пиролизный газ, а негорючие компоненты подвергаются плавлению, образуя жидкий шлак. 5-30% полученного пиролизного газа через отверстия 5 и/или 8 подается в камеры сгорания 3, а остальная его часть подается внешнему потребителю в качестве топлива. Собранный в нижней части реактора 2 жидкий шлак выводится через отверстие 9 и подвергается грануляции и охлаждению.
При протекании экзотермических реакций углерод углистого вещества окисляется до окиси углерода, а водород частично используется в реакциях синтеза низших углеводородов, частично - в реакции окисления кислородом, с образованием водяного пара, который, реагируя с углеродом, также синтезирует углеводороды. В результате протекания химических реакций, осуществляемых с помощью газифицирующего агента, пиролизный газ обогащается горючими компонентами. В состав горючих компонентов входят окись углерода, низшие углеводороды и водород, увеличивая удельную теплоту сгорания пиролизного газа. Необходимую максимальную температуру в реакторе поддерживают путем регулирования температуры, расхода и состава газифицирующего агента.
Эффективность применения полученного пиролизного газа в силовых теплоэнергетических установках связана с составом и температурой этого газа, а эти параметры зависят от места отбора пиролизного газа из реактора. Предлагаемый способ и установка позволяют реализовать верхний, нижний или комбинированный отбор пиролизного газа, то есть процесс газификации организовать по прямоточной и/или по противоточной схеме движения отходов и пиролизного газа, то есть три различных режима работы -противоточный, прямоточный и смешанный режимы.
При противоточном режиме пиролизный газ выводится только через отверстие 5 - верхний отбор и двигается в реакторе 2 в противотоке с перерабатываемым сырьем. В формировании газифицирующего агента участвуют камеры сгорания 3 и плазмотроны 4. Вывод пиролизного газа через отверстие 8 перекрыт.При верхнем отборе пиролизного газа он содержит максимальное количество смол, меньшее содержание газообразной фракции, имеет относительно низкую температуру и высокую удельную теплоту сгорания. После охлаждения и очистки пиролизный газ может быть использован в качестве топлива в поршневом двигателе внутреннего сгорания, работающем в режиме когенератора, а при использовании дожимного компрессора - в качестве топлива газотурбинной энергетической установки.
При прямоточном режиме пиролизный газ выводится только через отверстие 8 - нижний отбор и двигается в реакторе 2 в прямотоке с перерабатываемым сырьем. В формировании газифицирующего агента участвуют камеры сгорания 3 и плазмотроны 4. Вывод пиролизного газа через отверстие 5 отсутствует, оно перекрыто. При нижнем отборе пиролизного газа в нем практически отсутствуют смолы, максимальное содержание горючих газов, температура близка максимальной, удельная теплота сгорания несколько ниже, чем при верхнем отборе пиролизного газа. Без применения охлаждения и очистки пиролизный газ может быть непосредственно использован в качестве топлива в дожигателе или топке котельного агрегата для получения перегретого водяного пара, питающего паровую турбину теплоэнергетической установки.
При смешанном режиме пиролизный газ выводится через отверстия 5 и 8 - верхний и нижний отбор и двигается в реакторе 2 одновременно в противотоке и в прямотоке с перерабатываемым сырьем. В формировании газифицирующего агента участвуют камеры сгорания 3 и плазмотроны 4.
Комбинированный отбор пиролизного газа при смешанном режиме позволяет реализовать одновременно циклы поршневого когенератора или газотурбинной энергетической установки, и паровой турбины теплоэнергетической установки.
Таким образом, использование предлагаемого способа и установки для переработки твердого углеводородсодержащего сырья позволяет расширить состав перерабатываемого сырья, повысить производительность процесса, повысить теплоту сгорания и эффективность применения пиролизного газа, передаваемого внешнему потребителю, повысить экологическую безопасность процесса переработки.