Способ безостаточной утилизации углеродосодержащих отходов и устройство для его осуществления
METHOD OF CARBON-CONTAINING WASTE COMPLETE RECYCLING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано в других отраслях для дополнительного извлечения моторных, топливных и газообразных энергоносителей, а также строительных материалов (например, битум) при утилизации углеродосодержащих отходов, представленных жидкими, твердыми, вязкими и пластичными органическими в т.ч., нефтяными, а также полимерными фракциями с мехпримесями и водой, отработанными горючесмазочными материалами и углеродными сорбентами.
В основу изобретения положен известный технологический процесс пиролиза, связанный с термической деструкцией углеродосодержащих отходов (например, опилок) в герметичных сосудах без доступа кислорода с получением твердого углерода (сажи) и сопутствующих газов. (Бугге Г. Новейшие способы углеродожжения. Л., 1928.).
2
В основу изобретения положен также известный технологический процесс безостаточной газификации сажи в среде острого водяного пара с конверсией твердого углерода С (сажи) на смесь газа, состоящего из водорода Н и оксида углерода СО:
2
2
С+НO→Н+СО -132,8 кДж.
3
Эта газовая смесь получила наименование водяного газа, генераторного газа, топливного газа, синтез-газа; смесь является горючей (теплота сгорания 11720 кДж/м), может быть использована для сжигания в топливных форсунках или в газогенераторных установках для производства электроэнергии, а также получения синтетического моторного топлива, смазочных масел, мазута и др. (Мартене. Техническая энциклопедия. Том 5., 1929 г.).
Известен способ утилизации углеродосодержащих отходов пиролизом в ретортах, заключающийся в нагреве реторт снаружи в печи, разложении отходов на газообразные и твердые составляющие, удалении из реторт отходящих газов во время пиролиза и последующем удалении твердых составляющих из охлажденных реторт. (Патент РФ №2433158 С10В 1/04, опубликован 10.10.2011).
Недостатками способа являются: сброс в окружающую среду экологически опасных продуктов пиролиза в виде твердого составляющего сажевого остатка; безвозвратная потеря этого продукта, являющегося сырьем для дополнительного получения печных или моторных топлив; цикличность процесса в связи с необходимостью периодической перезагрузки реторт.
Способ реализуется в устройстве для утилизации углеродосодержащих отходов пиролизом, содержащем печь с топкой и дымоходом, в которой установлены последовательно автономные герметичные реторты с крышками для загрузки сырья и выгрузки твердого остатка, снабженные газоотводящими трубопроводами для подачи отходящих пиролизных газов из реторт в топку печи на горелочные устройства, обеспечивающие заданный температурный режим пиролиза, и дымососом, откачивающим топочный газ в дымоход для сброса в атмосферу (см. там же: патент РФ №2433158).
Недостатками устройства являются отсутствие механической выгрузки из пиролизных реторт сажевого остатка и механизма его экологического обезвреживания.
Наиболее близким по технологической сущности, выбранным в качестве прототипа, является установка для переработки органического сырья способом пиролиза (Патент евразийского патентного ведомства ЕАПВ, №030255 В1, дата публикации и выдачи 2018.07.31. Заявка 201690367 А2, бюлл. 07'2016). Установка реализует непрерывный процесс приролиза в горизонтальной герметичной реторте со шнековым питанием, оснащенной топкой и горелочными устройствами для поддержания заданного температурного режима пиролиза; реторту непрерывного действия загружают отходами из бункерного устройства и перемещают шнековым питателем к разгрузочному окну со скоростью, обеспечивающей термическую деструкцию отходов на горючий пиролизный газ, пригодный для получения полезных энергоносителей (моторное или печное топливо), и твердый экологически опасный углеродный остаток в виде сажи, сбрасываемый в окружающую среду.
Недостатком известного решения является его экологическое несовершенство, сопровождающееся безвозвратной потерей сажевого остатка, пригодного для получения методом газификации полезных энергоносителей.
Задачей изобретения является создание способа и устройства для безостаточной утилизации углеродосодержащих отходов, позволяющих устранить недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности и экологической безопасности пиролизного процесса за счет дополнительного превращения сажевого остатка в полезный энергоноситель и предотвращение его сброса в окружающую среду
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата авторами предложен способ безостаточной утилизации углеродосодержащих, в т.ч. нефтепромышленных отходов методом термической деструкции, включающий их подачу в пиролизную камеру реторты, нагрев до температуры пиролиза, шнековое перемещение вдоль оси реторты, получение пиролизного газа и печного жидкого топлива, сажевого и минерального остатков, отвод пиролизного газа на горелочные устройства реторты, вывод сажевого и минерального остатков из реторты, отличающийся тем, что сажевый и минеральный остатки подают в дополнительную камеру газификации, нагревают до температуры газификации, перемещают шнеком в обратном направлении, продувают острым паром, превращают сажевый остаток в синтез-газ и выводят из камеры газификации в газоэлектрогенератор или блок получения моторного топлива, минеральный остаток попутно прокаливают в зоне газификации, превращают в нейтральный строительный наполнитель и выводят из камеры газификации наружу.
Способ реализуется в устройстве для безостаточной утилизации углеродосодержащих отходов методом термической деструкции, включающим горизонтальную реторту с пиролизной и топочной камерами, шнековое устройство для перемещения углеродосодержащих отходов вдоль оси реторты, горелочные устройства в топочной камере реторты, патрубок для вывода парогазовой смеси в конденсационное устройство для разделения парогазовой смеси на пиролизный газ и печное жидкое топливо, линию подачи пиролизного газа к горелочным устройствам, патрубок вывода сажевого и минерального остатков из реторты, отличающееся тем, что реторта снабжена дополнительной камерой газификации, камеры расположены вдоль топочного пространства внутреннего объема реторты изолированы друг от друга перегородками, шнековое устройство выполнено двухъярусным, шнеки верхнего яруса размещены в верхней пиролизной камере, шнек нижнего яруса размещен в нижней камере газификации, при этом шнек камеры газификации вращается в сторону, противоположную вращению шнеков пиролизной камеры, камера газификации оборудована патрубком вывода синтез-газа для производства электрической, тепловой или моторной продукции, топочная камера оборудована вытяжной трубой; тяговыми щелями, двухуровневыми горелочными устройствами для индивидуального нагрева камер пиролиза и газификации, коллектором острого пара, устройством подачи острого пара в камеру газификации, при этом коллектор острого пара подключен к линии питания водой и расположен над придонным горелочным устройством, патрубок вывода сажевого и минерального остатков размещен внутри реторты и соединен с камерой газификации, противоположный конец которой оборудован окном выгрузки прокаленного минерального остатка.
На фиг. 1 представлен схематично общий вид устройства для утилизации углеродосодержащих отходов, на фиг. 2 изображен поперечный разрез этого устройства.
Устройство включает коллектор острого пара 1, патрубок подачи воды 2, топочную камеру 3, тяговые щели 4, горелочные устройства 5, корпус реторты 6, перегородки 7, камеру газификации 8, вытяжную трубу 9, камеру пиролиза 10, патрубок вывода синтез-газа 11, патрубок вывода парогазовой смеси 12, конденсатор 13, подающие шнеки пиролизной камеры 14, линию подачи пиролизного газа к горелочным устройствам 15, отводящий шнек камеры газификации 16, устройства подачи острого пара в камеру газификации 17, придонные горелки 18, бункер для загрузки отходов 19, окно для выгрузки минерального остатка 20, перезагрузочный шлюз 21.
Устройство работает следующим образом. Углеродосодержащие отходы из бункера 19 загружаются на подающие шнеки 14 пиролизной камеры 10 герметичной реторты 6. Шнеки перемещают загрузку отходов вдоль оси реторты до перезагрузочного шлюза 21, размещенного в конце хода подающих шнеков 14, при этом температурный режим пиролиза и скорость перемещения отходов подбирают таким образом, чтобы загруженный отход к моменту достижения перезагрузочного шлюза 21 был полностью термически разложен на парогазовую смесь и минеральный сажевый остаток. Парогазовая смесь поступает через патрубок 12 на конденсатор 13, где разделяется на высококалорийный пиролизный газ и синтетический жидкий углеводород, например, печное топливо, которое может служить сырьем для получения моторного топлива, при этом пиролизный газ подается по линии 15 на горелочные устройства 5 верхнего яруса, обеспечивающие потребную температуру пиролиза в камере 10, и придонные горелочные устройства 18, расположенные в нижнем ярусе и предназначенные для поддержания потребной температуры процесса газификации в камере 8. Потребная температура в указанных камерах достигается теплопередачей от горелок 5 и 18 через стенки разделительных перегородок 7, изолирующих камеры реторты между собой. Минерально-сажевый остаток в конце хода шнеков 14 перезагружается через шлюз 21 в камеру газификации 8, оборудованную шнеком 16, создающим противоточное перемещение минерально-сажевого остатка к окну 20 со скоростью, обеспечивающей безостаточное превращение сажевой составляющей в синтез-газ, получаемый благодаря процессу газификации, возникающим в результате продувки сажевой составляющей острым паром через устройства 17. Острый пар генерируется в коллекторе 1, расположенном в зоне придонных горелок 18, при этом питание коллектора водой осуществляется от трубопровода 2. Получаемый синтез-газ выводится из камеры газификации 8 через патрубок 11 и может быть использован в качестве теплоносителя или сырья для производства моторного топлива или электроэнергии. Минеральная составляющая, прокаленная в камере газификации при заданной температуре, выгружается через окно 20 и может быть использована в качестве инертного наполнителя в строительных целях. Топочная камера 3 оснащена тяговыми щелями 4 и вытяжной трубой 9.
Пример осуществления способа и устройства
Осуществление способа безостаточной утилизации углеродосодержащих отходов в предлагаемом устройстве реализуется на примере нефтешлама, отобранного и аварийного разлива нефти на одном из месторождений Тимано-Печорской нефтегазовой провинции. Компонентный состав одного нефтешлама представлен в таблице 1 из расчета на 1 тонику массы отобранной пробы.
Низшая теплотворная способность отобранной пробы составляет 6,85 МДж/кг. Выход продуктов пиролиза из рассматриваемой пробы приведен в таблице 2.
2
2
Кроме того, известно (Алешина А.С., Сергеев В.В. Газификация твердого топлива: уч. пособие. - СПб: Изд. Политех, ун-та, 2010. - 202 с.), что газификация 1 кг углерода (сажи) с помощью острого водяного пара массой 1 кг безостаточно превращает углерод (сажу) в 2 кг синтез-газа (СО+Н), являющегося ценным горючим топливом с низшей теплотой сгорания 29,314 МДж/кг (для российского природного газа этот параметр составляет 38,231 МДж/кг).
2
2
700
C
Для запуска процесса термодеструкции подготовленные нефтешламовые отходы (фракция не более 5 мм) подают в загрузочный бункер (19), из которых они поступают на шнеки (14) пиролизной камеры (10). Загруженные отходы (смесь жидких, пластичных и твердых НГПО) полностью перекрывают попадание атмосферного воздуха в реакционную зону. Для запуска установки из камеры пиролиза (10) и камеры газификации (8) воздух вытесняется инертным газом через патрубки (11) и (12). Коллектор острого пара (1) заполняется водой с вытеснением воздуха из системы. Энергоноситель в виде жидкого или газообразного топлива подается на горелочные устройства (5, 18). За счет горелочных устройств, работающих на дополнительном энергоносителе (дизельное топливо, СУГ, природный или попутный нефтяной газ) в топочной камере (3) поднимается температура, которая через герметичные стенки (7) (косвенный нагрев) передается в камеру пиролиза (10). При достижении температуры 550°С в пиролизной камере (10) шнеками (14) отходы перемещаются вдоль оси реторты (6). Расстояние между перьями шнеков к центру уменьшается (для замедления перемещения обрабатываемых отходов с целью ускорения процесса пиролиза). В результате термической деструкции в пиролизной камере (10) без доступа кислорода образуется парогазовая смесь, которую выводят из реакционной зоны через патрубок (12). Далее парогазовую смесь охлаждают в конденсаторе (13). Смесь конденсируется в виде пиролизного жидкого топлива, неконденсируемый пиролизный газ по линии (15) подают на горелочные устройства (5 и 18), после чего они работают на пиролизном газе, как на основном энергоносителе. В результате протекания процесса пиролиза углеродосодержащих отходов образуются твердый углерод в виде сажи и минеральный остаток, которые шнеком (14) перемещают и сбрасываются через перезагрузочный шлюз (21) в камеру газификации (8). В камере газификации создают температуру 700°С за счет косвенного нагрева через герметичные перегородки (17), отделяющие камеру газификации (8) от топочной камеры (3). Нагретую до 700°С сажу продувают острым паром, подготовленным в коллекторе (1), пар подают в камеру газификации через устройство (17). В результате газификации сажи выделяется синтез-газ - смесь угарного газа и водорода (С+НО↑°⋅→СО+Н), который выводят через патрубок (11) и направляют на дальнейшее получение моторных топлив, тепловой и электрической энергии. Минеральный остаток, попутно прокаленный в камере газификации, шнеком (16) выводят наружу через окно выгрузки (20), который может быть использован в качестве экологически нейтрального наполнителя в строительных работах или насыпных сооружений.
Итак, в результате пиролиза и газификации 1000 кг рассматриваемой нефтешламовой пробы получают 1033,78 кг полезных продуктов, в том числе:
Пиролизный газ - 36,61 кг;
Пиролизное жидкое топливо - 387,92 кг;
Синтез-газ - 67,56 кг;
Пиролитическая вода - 16,75 кг;
Минеральный наполнитель - 524,9 кг.
Таким образом, получают экологически чистый, замкнутый, безотходный и непрерывный процесс утилизации отходов, не требующий затрат внешней энергии, за исключением пуска установки в работу.