СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО МАТЕРИАЛА В ТОПЛИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПУТЕМ ГАЗИФИКАЦИИ (ПИРОЛИЗА)
METHOD AND DEVICE FOR HYDROCARBONS PROCESSING TO FUEL COMPONENTS BY GASIFICATION (PYROLYSIS)

Группа изобретений относится к области аппаратов, реализующих проведение различных химико-физических и тепловых процессов, в частности к устройствам, предназначенным для переработки углеводородного материала (углеводородных отходов, угля, нефтешламов, использованных масел, любого углеводородного сырья) в топливные компоненты путем газификации (пиролиза), и может быть использовано для утилизации бытовых и коммунальных отходов, а также при переработке угля низкой степени углефикации и различной зольности, илов, отходов переработки растительного сырья и т.п. Также изобретение относится к способу переработки углеводородных материалов в топливные компоненты путем газификации (пиролиза).
В число способов, которые разработаны для обработки углеводородных материалов, входит способ сжигания, при котором материалы термически обрабатывают при стехиометрическом или избыточном количествах кислорода. Этот способ обычно осуществляют на воздухе. В число примеров этого способа сжигания входят: сжигание с горением в массе, сжигание топлива из твердых отходов, при котором топливо из твердых отходов обычно сжигают в механической топке с качающимися колосниками, и сжигание в псевдоожиженном слое.
Другой способ обработки углеводородных материалов заключается в использовании пиролиза, т.е. термического разложения материалов в установке для пиролиза. В области обработки материалов термин "пиролиз" обозначает термическую обработку в отсутствии кислорода. Процессы пиролиза обычно являются эндотермическими и, таким образом, нуждаются в подводе тепловой энергии для продолжения пиролиза. Это контрастирует с горением, которое является экзотермическим процессом и как таковое не нуждается в дополнительном подводе тепла после того, как инициировано горение. При процессе пиролиза, при котором используется сочетание из термического крекинга и конденсации, многие из органических компонентов, находящихся в углеводородных материалах, превращаются в газообразные, жидкие и твердые фракции.
Пиролиз обычно приводит к образованию трех продуктов: газового погона, содержащего, главным образом, водород, метан, монооксид углерода, диоксид углерода и другие газы; жидкой фракции, содержащей деготь или масло, содержащее уксусную кислоту, ацетон, метанол или сложные окисленные углеводороды; угля, состоящего из почти чистого углерода, плюс любого первоначально инертного материала, первоначально присутствующего в твердых углеводородных материалах.
Третий способ обработки углеводородных материалов заключается в газификации материалов. Газификация - это частичное сжигание материала, при котором содержание кислорода в газификаторе регулируют таким образом, чтобы он присутствовал при субстехиометрическом количестве относительно материала. Газификация углеводородных материалов, содержащих углеродистые компоненты, приводит к образованию горючего топливного газа, обогащенного монооксидом углерода, водородом и некоторыми насыщенными углеводородами, главным образом метаном. Существуют газификаторы пяти основных типов: вертикальный газификатор с неподвижным слоем, горизонтальный газификатор с неподвижным слоем, газификатор с псевдоожиженным слоем, многотопочный газификатор и газификатор с вращающейся печью. Наиболее широко используются газификаторы первых трех типов.
При использовании газификаторов, обеспечивающих газификацию (пиролиз) материалов за счет нагрева, одним из определяющих факторов стабильности газификации является подготовка углеводородных материалов равномерного состава по влажности, размерам и морфологии.
Постоянный по составу материал для газификации (пиролиза) подается в зону нагрева со стабильным подводом тепла, что обеспечивает качественную газификацию и стабильный состав газовой смеси. При резком изменении состава материала или количества подводимого тепла состав газовой смеси значительно меняется по составу и его дальнейшее использование в аппаратах химической переработки невозможно.
Из уровня техники известен способ переработки твердых углеводородных материалов (в том числе бытовых отходов), при котором материалы загружают в реактор, в который противотоком к материалам подают газифицирующий агент, содержащий кислород. В реакторе организуют режим пиролиза твердых углеводородных материалов с последующим сжиганием/газификацией остатков пиролиза, вывод твердых продуктов переработки из реактора, а также вывод из реактора продуктов сушки, пиролиза и горения в виде газовой смеси. Газификацию осуществляют путем последовательного пребывания материалов в зонах: нагревания и сушки, пиролиза, горения (окисления) и охлаждения. Максимальную температуру в реакторе поддерживают в пределах (700-1400)°C путем регулирования по меньшей мере  одного из параметров: массовой доли кислорода в газифицирующем агенте, массовой доли негорючих компонентов в материале и массовой доли горючих компонентов в материале (см. RU 2079051 С1).
Вышеуказанный способ имеет ряд существенных недостатков: сложность обеспечения оптимального режима процесса переработки; невысокая надежность процесса переработки углеводородных материалов; невысокая производительность процесса переработки; высокая экологическая опасность процесса, обусловленная значительными нагрузками на систему очистки дымовых газов от выбросов.
Известен способ термической переработки углеводородных материалов, включающий сушку материалов, пиролиз высушенных материалов с разделением на твердую и газообразную составляющие, удаление газообразной составляющей и введение ее в контакт с жидким расплавом для обработки компонентами твердой составляющей, образовавшей жидкий слой (см. GE 3940830).
Также известен способ термической переработки углеводородных материалов, включающий сушку материалов, пиролиз высушенных материалов с разделением их на твердый остаток и газообразную составляющую (см. RU 2104445). Выбран в качестве прототипа.
Общим недостатком всех вышеуказанных способов является отсутствие возможности регулирования качества газовой смеси, отсутствие возможности автоматического регулирования производительности подачи углеводородного материала, отсутствие устройств регулирования тепловой мощности нагревательных устройств.
Целью группы изобретений является устранение всех вышеуказанных недостатков предшествующих устройств, а также создание установки с регулируемым качеством газовой смеси.
Технический результат от использования заявленных устройства и способа представляет собой создание удобной регулировки производительности, повышение продолжительности времени нахождения углеводородных материалов в зоне газификации (пиролиза), повышение производительности, возможность возврата тепла в цикл (рекуперация) путем установки теплообменников, одновременное использование разных по влажности и морфологическому составу перерабатываемых углеводородных материалов, повышение надежности и упрощение конструкции.
Заявленный технический результат достигается за счет использования следующей совокупности существенных признаков, содержащейся в независимых пунктах заявленной группы изобретений. Способ переработки углеводородного материала заключается в  загрузке материала в бункер, подаче материала в корпус шнека, регулировке подачи материала приводом шнека, прогреве выходной камеры и поданного материала внутри корпуса шнека, выборе режима газификации поданного материала, регулировке мощности плазмотронов и нагревателя, плавлении шлака и переводе его в остеклованную форму, отводе и очистке получаемой газовой смеси.
В частном случае осуществления способа, на поверхности корпуса шнека и в выходной камере устанавливают устройства измерения температуры. Вводят через сопло водяной пар перед плазмотроном обработки газовой смеси. После попадания шлака в ванну с водой, его удаляют. Часть газовой смеси отводится в свечу и сжигается. Для заполнения материалом шнека на начальной стадии газификации (пиролиза) шнек включается на минимальную производительность. Прогрев и подвод тепла к материалу осуществляются по мере его продвижения к выходной части шнека с наибольшей температурой на выходе.
Устройство для осуществления заявленного способа содержит бункер, по меньшей мере один шнек с корпусом и регулируемым приводом, по меньшей мере одну горелку, паровую форсунку, камеру подвода горячих газов к корпусу по меньшей мере одного шнека, воздухоподогреватель, устройство отвода конденсата от материала к воздухоподогревателю и к паровой форсунке, теплообменник, выходную камеру газовой смеси, плазматрон обработки газовой смеси, плазмотрон для остекловывания шлака, ванну приемки шлака, механический фильтр очистки газовой смеси, компрессор транспортировки газовой смеси, дутьевой вентилятор, теплообменник нагрева воздуха, сетевой подогреватель, сетевой насос, дымовую трубу, устройство механического удаления шлака и газоанализатор газовой смеси.
В частном случае выполнения устройства, наружная поверхность корпуса шнека содержит оребрение. На поверхности корпуса шнека и в камере выхода газовой смеси установлены устройства измерения температуры.
Устройство дополнительно содержит систему автоматического регулирования производительности устройства путем регулирования объема подачи материалов в зависимости от температуры в зоне выхода газовой смеси из устройства и температуры корпуса шнека. Устройство дополнительно содержит систему автоматического регулирования мощности горелки, которая регулируется в зависимости от производительности устройства подачи материалов. В качестве топлива для горелки используется часть получаемой газовой смеси. Плазмотрон отработки газовой смеси установлен в верхней выходной части устройства. В верхней выходной части устройства установлено также сопло для подачи водяного пара перед плазмотроном отработки газовой смеси. Шнеки установлены ярусами по высоте.
Заявленная группа изобретений поясняется чертежом, где 1 - бункер подачи измельченных материалов, 2 - шнек для перемещения нагреваемых материалов, 3 - регулируемый привод для изменения производительности установки, 4 - горелка для получения необходимого количества тепла для газификации (пиролиза), 5 - камера подвода горячих газов к корпусу шнека, 6 - теплообменник с оребрением наружной поверхности шнека для увеличения теплопередачи от газов к обрабатываемому материалу, 7 - линия отвода конденсата от первой ступени нагрева материала, 8 - линия подвода пара к нагревателю первой ступени материала, к воздухоподогревателю и к паровой форсунке, 9 - теплообменник для охлаждения получаемой газовой смеси, 10 - подвод конденсата к теплообменнику, 11 - выходная камера газовой смеси, 12 - плазматрон обработки газовой смеси, 13 - плазмотрон для остекловывания шлака, 14 - отверстие выхода шлака, 15 - ванна приемки шлака, заполненная водой, 16 - механический фильтр очистки газовой смеси, 17 - компрессор транспортировки газовой смеси, 18 - линия транспортировки газовой смеси к потребителю, 19 - воздухоподогреватель, 20 - подвод холодного воздуха, 21 - дутьевой вентилятор, 22 - воздуховод, 23 - теплообменник нагрева паром воздуха, 24 - линия горячего конденсата с теплообменника, 25 - сетевой подогреватель, 26 - линия подвода сетевой воды к подогревателю, 27 - сетевой насос, 28 - нагретая сетевая вода, 29 - дымовая труба, 30 - выход дымовых газов в атмосферу, 31 - подвод топлива к горелке, 32 - отвод в свечу, 33 - паровое сопло форсунки, 34 - линия отвода получаемой газовой смеси, 35 - устройство механического удаления шлака, 36 - газоанализатор газовой смеси.
Заявленное устройство представляет собой реактор или газификатор. Шнек оборудуется регулируемым приводом по производительности. На поверхности корпуса шнека устройства и в камере выхода газовой смеси устанавливаются устройства измерения температуры. Для обеспечения стабильности состава газовой смеси вводится автоматическое регулирование производительности устройства путем регулирования объема подачи материалов в зависимости от температуры в зоне выхода газовой смеси из устройства и температуры корпуса шнека. Мощность источника тепла (горелки) регулируется в зависимости от производительности (оборотов) устройства подачи материалов. Мощность плазмотронов для обработки газовой смеси (исключения примесей высокомолекулярных соединений) и плавления шлака, для перевода его в остеклованную форму, регулируется в зависимости от качественного состава газовой смеси (от доли водорода H2). Шлак минеральной части материалов в жидком (расплавленном) виде через отверстие снизу выходной части устройства попадает в шлаковую ванну, заполненную водой и оборудованную устройством удаления шлака.
2
Применяемые источники подвода тепла - горелки, сжигающие часть получаемой газовой смеси, имеют устройство регулирования мощности, устанавливаются в нижней части камеры с подводом тепла к оребренному корпусу шнека. Их количество и общая мощность определяются производительностью устройства. Для регулирования соотношения H и CO в газовой смеси в верхнюю выходную часть устройства вводится через сопло форсунки водяной пар перед плазмотроном обработки газовой смеси. Его количество регулируется в зависимости от показателей качества газовой смеси на выходе из устройства. Это обеспечивает гарантированный стабильный состав газовой смеси.
2
Устройство для производства газовой смеси из углеводородных материалов имеет шнеки, транспортирующие обрабатываемый материал. Шнеки установлены ярусами по высоте, подвод тепла к материалу производится по мере его продвижения к выходной части шнека с наибольшей температурой на выходе, в выходной части устройства устанавливается плазмотрон, обеспечивающий обработку (финальную) газовой смеси для разложения высокомолекулярных соединений с подводом водяного пара, позволяющего регулировать качественный состав газовой смеси по соотношению H и CO, что позволяет использовать в установке различные по влажности и морфологическому составу углеводородные материалы, в установке также используется принцип рекуперации тепла, за счет возврата тепла при охлаждении газовой смеси для подогрева материала, подаваемого на газификацию и воздуха перед горелками.
Режим газификации определяется прямой зависимостью - для газификации одного килограмма материала требуется фиксированное количество тепла. Газификация происходит при T=700-800°C. Режим газификации осуществляется регулированием производительности дозатора материала и мощностью нагревателя (горелки) для обеспечения температуры в выходной точке корпуса газификатора, равной T=700-800°C. Мощность плазмотронов при подаче материала в количестве В=2,5 т/ч следующая:
- для обработки газовой смеси - 150 кВт (с регулировкой от 50 до 150 кВт),
- для остекловывания шлака - 250 кВт (с регулировкой от 100 до 250 кВт).
Количество необходимого тепла определяется количеством материала, подаваемого на газификацию. Количество материала регулируется оборотами привода шнека. Контрольным показателем является температура выходящей из шнека газовой смеси (700-800°C), замеряемой термопарой в верхней части шнека перед выходной камерой.
Ввод водяного пара через сопло осуществляется в струю плазмы плазмотрона обработки газовой смеси. Сопло устанавливается перед плазмотроном со стороны выхода струи плазмы.
Производительность. Заявленный способ является комбинированным, т.е. часть газификации осуществляется за счет пиролиза с использованием для нагрева теплом пара из теплообменника (рециркуляции тепла) и части получаемой газовой смеси для нагревателя (в горелке), финишная обработка газовой смеси осуществляется плазмой из плазмотрона обработки газовой смеси (плазмохимическая газификация) и ввода водяного пара в струю плазмы (рециркуляция тепла с паром). Вышеуказанная схема позволяет повысить производительность заявленной установки и способа на 4-6% по сравнению с другими известными способами.
Под начальной стадией производительности следует понимать производительность газификатора от 0 до 50%.
Типовой модуль газификации принят производительностью 2,5 т/ч (соответственно максимальная производительность).
Минимальная мощность для обеспечения стабильного процесса газификации принята равной 50% от номинала (1,25 т/ч).
Технически возможно реализовать газификаторы с непрерывным процессом газификации от 1,0 т/ч до 5,0 т/ч с пропорциональным изменением размеров и мощностей плазмотронов, нагревателей и количества шнеков.
Производительность установки (масса газифицируемого материала при равном подводе тепла для газификации одного килограмма материала от нагревателя и плазмотронов) за счет использования тепла рециркуляции (охлаждения уходящих газов и возврат в цикл тепла после охлаждения газовой смеси и ввода части пара в струю плазмы) для данной установки и способа гарантированно составляет больше на 5%-10% в зависимости от качества исходного материала (количества шлака на единицу массы) по сравнению с другими способами.
Средние величины расхода энергии на газификацию (для различных материалов эти величины отличаются незначительно в зависимости от наличия шлака в материале):
- плазмохимическая технология - 1,2 кВт/кг;
- нагрев продуктами сгорания (пиролиз) - 1,3-1,4 кВт/кг;
2
- предлагаемая установка и способ (за счет рециркуляции тепла и использования части пара после охлаждения газовой смеси совместно с плазменной струей с одновременным повышением доли Н в газовой смеси) - 0,85-0,9 кВт/кг.
Регулирование производительности устройства производится за счет изменения оборотов привода шнека и пропорционального изменения мощности горелки (подачи топлива и воздуха на горелку). Максимальная производительность одного шнека ограничивается теплопередачей от стенки шнека материалу для обработки. Общая производительность установки при проектировании определяется количеством шнеков и их диаметром для получения необходимого количества газовой смеси, передаваемого потребителю и используемого в горелке топлива.
2
Для регулирования качественного состава газовой смеси в сторону увеличения доли Hчерез сопло в выходной камере газификатора перед плазмотроном вводится водяной пар. Количество водяного пара регулируется по показателям газоанализатора газовой смеси.
Мощность плазмотронов регулируется системой управления плазмотрона, изменяющей величину мощности, передаваемой из сети на плазмотрон (тиристорная система регулирования подводимой мощности к плазмотрону). Мощность нагревателя регулируется количеством топлива (газовой смеси при работе, а при пуске - газа из баллонов) и пропорциональным количеством воздуха для обеспечения сжигания газа с выделением необходимого количества тепла.
2
Устройство работает следующим образом: в бункер подачи материалов 1 загружается необходимый объем материалов для обработки, включается на минимальную производительность привод 3 (выбор режима), для заполнения материалом шнека 2, затем привод 3 отключается, включаются плазмотроны 12 и 13, дутьевой вентилятор 21, горелка 4, устройство механического удаления шлака из ванны 35, теплообменники 6, 23 и 25. Начинается прогрев выходной камеры устройства и поданного материала внутри корпуса шнека 2, при этом выделяется газовая смесь (неочищенная). При температуре 80°C газовой смеси перед теплообменником 9 подается конденсат 10 на теплообменник 9. Включается на среднюю производительность привод шнека 3 (выбор режима) и регулированием мощности горелки 4 путем подачи топлива к горелке 31 устанавливается режим газификации поданного материала. Температура газовой смеси в выходной камере устройства увеличивается до 650°C, получаемая газовая смесь через линию отвода получаемой газовой смеси 34 отводится в свечу 32 и сжигается. При увеличении температуры газовой смеси до 800°C на выходе 11 установка выводится на рабочий режим. Включается компрессор 17 для подачи газовой смеси потребителю для дальнейшего использования и прекращается подача газовой смеси на свечу 32. Выделившаяся газовая смесь проходит через механический фильтр очистки газовой смеси 16 и в очищенном виде через компрессор 17 подается потребителю 18. Для увеличения доли Н в газовой смеси через сопло паровой форсунки 33 перед плазмотроном обработки газовой смеси 12 вводится водяной пар от линии 8. Качество получаемой газовой смеси проверяется с помощью газоанализатора 36. При работе теплообменника 6 образовавшийся конденсат удаляется через линию отвода конденсата от первой ступени нагрева материала 7. Производительность плазматрона для остекловывания шлака 13 регулируется в зависимости от морфологии и влажности используемого материала, добиваясь, чтобы через отверстие выхода шлака 14 в ванну приемки шлака 15 попадал гранулированный остеклованный шлак. Подвод холодного воздуха 20 в воздухоподогреватель 19 осуществляется с помощью дутьевого вентилятора 21, нагретый уходящими из устройства дымовыми газами воздух через воздуховод 22 поступает в теплообменник нагрева паром воздуха 23, при этом из теплообменника 23 по линии горячего конденсата с теплообменника 24 горячий конденсат поступает к нагревателю первой ступени материала шнека 2. Поступающая с помощью сетевого насоса 27 сетевая вода 26 в сетевом подогревателе 25 подогревается уходящими из устройства горячими дымовыми газами, после чего нагретая сетевая вода 28 направляется потребителю (не показан). Охлажденные в сетевом подогревателе 25 дымовые газы поступают в дымовую трубу 29, откуда рассеиваются в атмосфере 30.
3
Шлак после шнека падает на нижнюю часть выходной камеры. Температура шлака после шнека составляет 700-800°C. Плавление шлака происходит при температуре 1250-1350°C. Для нагрева до этой температуры применяется плазмотрон для остекловывания с направлением струи плазмы на верхний слой упавшего шлака. Верхняя часть шлака начинает плавиться и стекать в остеклованном виде через летку (отверстие) в водяной объем шлаковой ванны с последующим удалением транспортером из ванны. Время плавления определяется теплопередачей шлака. Величина - от 10 до 20 секунд для 0,01 м при мощности плазмотрона 250 кВт.
Работу заявленного устройства, позволяющего реализовать способ переработки, можно охарактеризовать следующими этапами. Включают привод шнека на минимальную производительность. Все вспомогательные системы (удаления шлака, подачи конденсата и сетевой воды на теплообменники, дутьевой вентилятор) включаются в работу. При заполнении обрабатываемым материалом шнека включаются в работу плазмотрон в выходной камере устройства и горелка для получения необходимого тепла для газификации материала. При начале процесса газификации газовая смесь отводится в свечу и сжигается. При повышении температуры в выходной камере газификации до 650°C включается привод шнека на среднюю производительность и увеличивается мощность горелки (увеличивается подача топлива и воздуха). При появлении расхода газовой смеси через теплообменник температура газовой смеси на выходе снижается до 60°C и получаемое тепло направляется на подогрев сырья и воздуха (рекуперация тепла). При появлении стабильного выхода газовой смеси включается компрессор, подача газовой смеси на сжигание в свече прекращается.
Интенсивности выхода пиролизной газовой смеси способствует:
- регулировка производительности (мощности) горелки;
- установка плазматронов в выходной камере устройства;
- продолжительное время нахождения внутри корпуса шнека углеводородных материалов;
- использование рекуперации тепла в устройстве (предварительный подогрев поступающих углеводородных материалов и воздуха).
Заявленный способ переработки материалов в (т.ч. имеющих резко меняющийся морфологический состав и влажность), также позволяет:
- организовать процесс газификации (пиролиза) за счет рециркуляции части тепла от синтез-газа, нагревающих подаваемый материал, и за счет регулирования производительности шнека и количества тепла, получаемого от горелки, с получением гарантированного стабильного состава газовой смеси;
2
- гарантированно получать состав газовой смеси без примесей высокомолекулярных газов с увеличенной долей H за счет плазмотрона обработки газовой смеси, установленного в выходной камере устройства и подвода водяного пара через паровую форсунку перед этим плазматроном;
- получать строительный материал пятого класса опасности, за счет остекловывания шлака из материала, подвергшегося газификации (пиролизу);
- организовать автоматический процесс ведения газификации (пиролиза) изменением производительности шнеков и мощности горелок (источников тепла) в зависимости от производительности устройства подачи материалов и влажности подаваемого материала;
- обеспечить надежный пуск устройства, плавный прогрев устройства и схемы отвода газовой смеси;
- отпускать тепло потребителю нужных параметров в виде горячей сетевой воды (при необходимости).
Применяемое оборудование:
2
17 - типовой компрессор для сжатия газа до необходимого давления (например 10, 50, 100 кг/см), 16 - типовой механический фильтр для газов на необходимую производительность по пропуску газа, 9, 23, 19, 25 - стальные теплообменники типовой конструкции для разных сред, 12, 13 - плазмотроны переменного или постоянного тока с регулированием мощности, 33 - паровая форсунка типовой конструкции, 15 - шлаковая ванна с механизмом удаления шлака (шнековым или скребковым), 4 - горелка двухтопливная типовая с регулированием мощности (один из вариантов - струйно-нишевая), 3 - привод шнека с регулированием оборотов, 2 - шнек с пустотелым валом и оребренным корпусом (длина и диаметр определяются производительностью установки), 21 - типовой вентилятор подачи воздуха на горелки, 27 - типовой насос перекачки сетевой воды.
Площади теплообменников и производительность механизмов рассчитываются на необходимую производительность обработки материалов.
По мнению заявителя, совокупность существенных признаков достаточна для достижения заявленного технического результата. Заявленная группа изобретений отвечает всем критериям патентоспособности изобретения.