СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИТНОГО МИНЕРАЛЬНО-ОРГАНИЧЕСКОГО БИОТОПЛИВА ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ
METHOD FOR PREPARATION OF THIRD GENERATION COMPOSITE MINERAL-ORGANIC BIOFUEL

Изобретение относится к области производства биотоплив на основе возобновляемого органического сырья и может быть использовано для целей транспортной отрасли и в энергетике.
Биотоплива из возобновляемого растительного сырья используют в энергетике для улучшения экологических показателей и снижения влияния техногенных факторов на изменение климата. Известны различные методы и соответствующие технологии приготовления моторных и котельных биотоплив. В частности, при пиролизе органических веществ осуществляют нагрев исходного сырья, в результате которого происходят химические процессы, приводящие к образованию разнообразных продуктов, основная часть которых, как правило, находится в реакторе пиролиза в виде газопарогазовой смеси сложного состава. Разделение жидких и газообразных продуктов осуществляют путем охлаждения, для чего используют конденсаторы.
Широкое применение получили конденсаторы с жидкостным (в частности, водяным) охлаждением, обеспечивающие высокую эффективность теплообмена при относительно небольших габаритах.
Известна установке для пиролиза углеводородных отходов выделение конденсируемых компонентов газопаровой фракции пиролиза осуществляется в холодильнике с водяным охлаждением, снабженным отстойником для жидких продуктов (патент РФ №2168676, опубл. 10.06.2001 г.).
К существенным недостаткам известного устройства конденсации и очистки следует отнести недостаточную степень отделения жидкой фракции продуктов пиролиза в конденсаторе. Для устранения этого недостатка схема установки, помимо конденсатора с водяным охлаждением, включает два гидрозатвора, что приводит к усложнению ее конструкции.
Известен комбинированный очиститель генераторного газа Висхо-Автогаз, в котором первая стадия очистки генераторного газа от твердых частиц и жидких продуктов пиролиза происходит в результате непосредственного контакта пузырьков газа с водой по мере его вытеснении из приемной полости очистителя (В.Я. Бохман. «Новые изобретения в области транспортных газогенераторных установок», Госпланиздат. - М. 1940 г.),. Однако, эффективность применения этого устройства в качестве конденсатора пиролизного газа в установках, предназначенных для получения преимущественно жидкой фракции продуктов пиролиза органического сырья, недостаточна из-за низкой интенсивности теплообмена между жидкостью и пузырьками газопаровой смеси ввиду малого времени непосредственного контакта.
Недостатком известного способа и устройств является также то, что происходит отбор водорастворимых компонентов, являющихся горючими веществами. Кроме того, в известных способах не предусмотрена возможность контролирования химического состава и, следовательно теплотворной способности конденсата.
Также известна технология приготовления композитных минерально-органических биотоплив (КМОБТ), обеспечивающая получение стабильных во времени гомогенных ультрадисперсных эмульсий-суспензий из многокомпонентных многофазных смесей органических веществ со значительно различающимися физико-химическими свойствами, исключающими достаточную растворимость друг в друге (патент РФ №2539978, опубл. 27.01.2015 г., Бюлл. №3).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ приготовления моторного КМОБТ из масленого экстракта микроводоросли и стандартного дизельного топлива, в котором осуществляется гомогенизация указанной смеси в реакторе, содержащем ультразвуковой излучатель, позволяющий получать ультрадисперсные эмульсии в результате кавитационного воздействия на обрабатываемую двухкомпонентную среду (патент РФ №2391384, опубл. в Бюлл. №16, 2010).
Об экономической целесообразности использования известного способа можно говорить лишь при наличии сырья с высоким (порядка 80%) содержанием жиров. Производство такого сырья в регионах с умеренным климатом может осуществляться только в искусственных условиях, что сопряжено с неоправданно высокими энергетическими и материальными затратами, в то время как существуют аборигенные штаммы водорослей, такие как Chlorella Vulgaris и ее производные, показывающие наивысшую продуктивность при температуре воды чуть выше 20°C. Однако, эти штаммы содержат лишь около 10% жиров, в результате чего при производстве из них биодизеля и моторных КМОБТ в качестве побочного продукта остаются органические вещества (белки, клетчатка), составляющие около 85% от общей массы (по сухому веществу).
Общим недостатком известных способов и соответствующих устройств является то, что в них не предусмотрена возможность получения моторного КМОБТ непосредственно из газопаровой фракции «быстрого» пиролиза биомассы микроводорослей (В.Г. СИСТЕР, Е.М. ИВАННИКОВА, В.Г. ЧИРКОВ, Ю.А. КОЖЕВНИКОВ, «Приготовление композитных котельных и моторных биотоплив из альгамассы", 2013/1 журнал «Альтернативная энергетика и экология» - ISJAEE, Том 2, Номер 01).
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение эффективности использования органической массы водорослей при производстве композитного минерально-органического биотоплива третьего поколения на основе ультрадисперсных эмульсий.
В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается полнота переработки органической массы водорослей путем разделения методом быстрого пиролиза газообразной и конденсируемой фракций с последующим включением конденсируемой фракции в состав композитного минерально-органического топлива методом ультразвуковой обработки в узком зазоре посредством устройства, содержащего ультразвуковой излучатель.
Применяют технологию приготовления котельных КМОБТ с использованием всей органической массы водорослей в качестве добавки к тяжелым (низкосортным) фракциям нефтеперегонки (в частности, мазута).
Предлагаемый способ и устройство обеспечивают полную конверсию биомассы водорослей в КМОБТ, поскольку, термохимическая обработка, при соответствующих условиях, позволяет перевести до 85% органического вещества в жидкое состояние (Ю.А. КОЖЕВНИКОВ, Ю.М. ЩЕКОЧТТХИН, М.Ю. РОСС, Ю.М. ЕГОРОВ «Каталитическая переработка растительной биомассы микроводорослей в синтетическую нефть» 2013/3, У11 московский международный конгресс "БИОТЕХНОЛОГИЯ: состояние и перспективы развития" 19-22 марта 2013, Москва, том 2 стр. 115, М.: ЗАО "ЭКО-биохим-технология", 2013).
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе приготовления композитного минерально-органического биотоплива третьего поколения путем гомогенизации двухкомпонентной минерально-органической смеси за счет ультразвуковой кавитационной обработки биомассы микроводоросли, в качестве органического компонента биотоплива используют конденсируемую часть газопаровой фракции продуктов быстрого пиролиза, молекулы которых содержат в сумме более 5 атомов углерода и кислорода, биомассы микроводорослей, причем конденсацию органического компонента осуществляют непрерывно в процессе гомогенизации двухкомпонентной смеси путем охлаждения при контакте с минеральным компонентом и ультразвуковой кавитационной обработки в потоке, заключенном в узкий канал, примыкающий к ультразвуковому излучателю, при этом размер поперечного сечения канала в направлении, перпендикулярном активным плоскостям излучателя, составляет от 2/4 до 3/4 от его размера в направлении, параллельном его активным плоскостям, тепловую энергию, выделяющуюся в результате охлаждения и конденсации газопаровой фракции, отбирают через теплопроводящие стенки резервуара с помощью внешнего потока теплоносителя.
Технический результат достигается также тем, что в качестве минерального компонента используют продукты нефтепереработки.
Технический результат достигается также тем, что в качестве минерального компонента используют дизельное топливо в расчете 0,75-0,90 кг на 1 кг произведенного композитного минерально-органического биотоплива.
Технический результат достигается также тем, что в качестве минерального компонента используют водомазутную эмульсию с содержанием воды 5-15% масс.
Технический результат достигается так же тем, что в предлагаемом устройстве для приготовления композитного минерально-органического биотоплива третьего поколения, содержащем снабженный рубашкой охлаждения герметичный резервуар с входным и выходным патрубками, и ультразвуковой излучателель, резервуар выполнен в форме горизонтального короба прямоугольного сечения, размер которого по вертикали h в 24-3 раза больше размера по горизонтали, в осевом направлении короб ограничен торцевыми стенками, в одну из торцевых стенок на расстоянии h/4, равном одной четвертой высоты от нижней стенки короба, установлен входной патрубок ввода жидкого минерального компонента, в противоположную торцевую стенку, в ее центре симметрии, установлен выходной патрубок вывода минерально-органического биотоплива, сквозь верхнюю стенку короба со стороны патрубка ввода жидкого минерального компонента вертикально вставлена труба подачи газопаровой фракции пиролиза органического сырья, нижний обрез которой расположен на равных расстояниях от верхней и нижней стенок короба, на верхней стенке короба, со стороны патрубка вывода минерально-органического биотоплива, вертикально установлена приемная труба для отвода пиролизного газа, ультразвуковой излучатель прямоугольного сечения вертикально установлен в среднюю часть короба сквозь его нижнюю стенку и имеет герметичное уплотнение на стыке с боковыми и нижней стенками короба, верхний торец излучателя находится на уровне оси выходного патрубка, в верхней части короба, перпендикулярно его продольной оси, установлены две прямоугольные перегородки, одна из которых расположена между трубой подачи газопаровой фракции и излучателем и имеет нижний край на уровне оси входного патрубка, а вторая перегородка расположена между излучателем и приемной трубой и имеет нижний край на уровне горизонтальной оси симметрии короба, зазор между излучателем и каждой из перегородок составляет h/4.
Устройство для приготовления композитного минерально-органического биотоплива, содержащее снабженный рубашкой охлаждения герметичный резервуар в форме горизонтального короба прямоугольного сечения, размер которого по вертикали h в 2÷3 раза больше размера по горизонтали. В осевом направлении короб ограничен торцевыми стенками, в одну из которых на расстоянии h/4 от нижней стенки короба установлен входной патрубок ввода жидкого минерального компонента, а в противоположную торцевую стенку, в ее центре симметрии, установлен выходной патрубок вывода минерально-органического биотоплива. Сквозь верхнюю стенку короба со стороны патрубка ввода жидкого минерального компонента вертикально вставлена труба подачи газопаровой фракции пиролиза органического сырья, нижний обрез которой расположен на равных расстояниях от верхней и нижней стенок короба. На верхней стенке короба, со стороны патрубка вывода минерально-органического биотоплива, вертикально установлена приемная труба для отвода пиролизного газа. В среднюю часть короба сквозь его нижнюю стенку вертикально установлен ультразвуковой излучатель прямоугольного сечения, имеющий герметичное уплотнение на стыке с боковыми и нижней стенками короба. Верхний торец излучателя находится на уровне оси выходного патрубка. В верхней части короба, перпендикулярно его продольной оси, установлены две прямоугольные перегородки, одна из которых расположена между трубой подачи газопаровой фракции и излучателем и имеет нижний край на уровне оси входного патрубка, а вторая перегородка расположена между излучателем и приемной трубой и имеет нижний край на уровне горизонтальной оси симметрии короба. Зазор между излучателем и каждой из перегородок составляет h/4.
Сущность предлагаемого изобретения поясняетя фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 представлена общая схема устройства для приготовления КМОБТ.
На фиг. 2 показан вид сечения устройства по оси ультразвукового излучателя.
В состав устройства входит снабженный рубашкой охлаждения 18 герметичный резервуар 1 в форме горизонтального короба прямоугольного сечения, размер которого по вертикали h в 2÷3 раза больше размера по горизонтали. В осевом направлении короб ограничен торцевыми стенками 2 и 3. В одну из торцевых стенок 2 на расстоянии h/4 от нижней стенки 16 короба установлен входной патрубок 4 для ввода жидкого минерального компонента, а в противоположную торцевую стенку 3, в ее центре симметрии, установлен выходной патрубок 5 для вывода готового жидкого минерально-органического биотоплива. Сквозь верхнюю стенку короба со стороны патрубка ввода жидкого минерального компонента вертикально вставлена труба 6 подачи газопаровой фракции пиролиза органического сырья, нижний обрез которой 19 расположен на равных расстояниях от верхней и нижней стенок короба, на верхней стенке короба, со стороны патрубка вывода минерально-органического биотоплива, вертикально установлена приемная труба 7 для отвода пиролизного газа, в среднюю часть короба сквозь его нижнюю стенку вертикально установлен ультразвуковой излучатель 8 прямоугольного сечения, имеющий герметичное уплотнение 9 на стыке с боковыми 10 и нижней 16 стенками короба. Верхний торец 15 излучателя находится на уровне оси выходного патрубка 5. В верхней части короба, перпендикулярно его продольной оси, установлены две прямоугольные перегородки 11 и 12, одна из которых 11 расположена между трубой подачи газопаровой фракции и излучателем и имеет нижний край 13 на уровне оси входного патрубка 4, а вторая перегородка 12 расположена между излучателем и приемной трубой 7 и имеет нижний край 14 на уровне горизонтальной оси симметрии короба, зазор между излучателем и каждой из перегородок составляет h/4.
Работа устройства на примере приготовления КМОБТ из мазута и конденсируемой фракции пиролиза биомассы микроводоросли Chlorella происходит следующим образом:
В резервуар 1 через патрубок 4 подают водомазутную эмульсию с содержанием воды 5-15%. По трубе 6 подают прошедшую предварительную очистку от твердых частиц (например, в циклотроне) газопаровую фракцию пиролиза микроводоросли Chlorella, содержащую от 10 до 70% конденсируемых компонентов, в зависимости от технологического режима термохимического процесса (в частности, от максимальной температуры и времени термического воздействия). Через рубашку охлаждения 18 пропускают жидкий теплоноситель (например, воду с присадками, препятствующими образованию накипи и других отложений), циркулирующий по замкнутому контуру, обеспечивающему рассеяние тепловой энергии, поступающей в устройство с газопаровой фракцией пиролиза и передаваемой теплоносителю через стенки резервуара. Для уменьшения теплового сопротивления обрабатываемой двухкомпонентной смеси в направлении боковых (охлаждаемых внешним теплоносителем) стенок резервуара, расстояние между боковым стенками в 2-3 раза меньше высоты резервуара.
По мере поступления с газопаровой фракции в резервуар, она заполняет верхнюю часть пространства между торцевой стенкой 2 и сплошной перегородкой 11 и вместе с водомазутной эмульсией поступает в пространство, ограниченное перегородками 11 и 12, в котором под действием ультразвукового поля, распространяемого излучателем 8, происходит интенсивный тепломассообмен в многофазной (жидкость-пар-газ) среде. При этом конденсируемые компоненты газопаровой фракции (органические вещества, молекулы которых содержат в сумме более 5 атомов углерода и кислорода) переходят в жидкую фазу и перемешиваются с водомазутной эмульсией, проходя вдоль канала, торцевой 15 и боковыми поверхностями излучателя, верхней стенкой 17 резервуара и перегородками 11 и 12. Таким образом, активное пространство резервуара (в котором действие ультразвукового поля наиболее эффективно) ограничено величиной зазора h/4, что обеспечивает интенсивный теплообмен и полную гомогенизацию смеси за время ее прохождения вдоль канала. Образующаяся при этом (за счет ультразвуковой кавитации) ультрадисперсная эмульсия представляет собой конечный продукт - КМОБТ, который выводят из устройства во внешний приемный бункер через патрубок 5.
Неконденсируемые компоненты газопаровой фракции (пиролизный газ) выводят через приемную трубу 7 для закачки во внешний газгольдер или для подачи в тепловую установку в качестве газообразного топлива.
Работа устройства при приготовлении КМОБТ из конденсируемой фракции пиролиза биомассы микроводоросли Chlorella и дизельного топлива происходит аналогичным образом. Отличие состоит в том, что вместо водомазутной эмульсии в резервуар 1 через патрубок 4 подают дизельное топливо в расчете 0,75-0,90 кг на 1 кг произведенного КМОБТ.