Установка и способ переработки суспензии, содержащей органические компоненты
APPARATUS AND METHOD OF PROCESSING A SUSPENSION CONTAINING ORGANIC COMPONENTS

Изобретение относится к установке и способу переработки суспензии, содержащей органические компоненты, например, биомассы, имеющей содержание воды по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 70%. Установка содержит теплообменник для нагревания суспензии, предпочтительно для доведения жидкости, например, воды, в суспензии до сверхкритического состояния (для воды сверхкритические давление и температура составляют 22,1 МПа (221 бар) и 374°С, соответственно) и реактор для преобразования по меньшей мере части органических компонентов в суспензии, например, в неконденсируемые газы, такие как водород и/или метан, например, путем дальнейшего нагревания потока в реактора, где по меньшей мере один из теплообменника и реактора содержит одуе или более труб.
Сырьевые материалы, содержащие органические компоненты, представляют собой неисчерпаемый ресурс для обеспечения возобновляемой энергии и продуктов с высокой добавленной стоимостью, особенно в сельскохозяйственных районах, богатых отходами биомассы, и/или там, где предназначенные для выработки энергии сельскохозяйственные культуры можно производить дешево и эффективно.
Как объясняется в Marrone, Ph. A., "Supercritical water oxidation - Current status of full-scale commercial activity for waste destruction", Journal of Supercritical Fluids 79 (2013), pages 283-288, сверхкритическая вода является уникальной средой, которая изучалась для увеличивающегося и все более разнообразного числа приложений. Выше своей термодинамической критической точки (374°С, 22,1 МПа (221 бар)) вода, подобно всем сверхкритическим текучим средам, существует в виде единой плотной фазы, свойства переноса которой сравнимы с характеристиками свойств газа, а свойства растворителя сравнимы со свойствами жидкости. Однако в отличие от других сверхкритических текучих сред, вода подвергается значительному изменению в свойствах растворителя при переходе от обычных условий к сверхкритическим. Поскольку воду нагревают под давлением, она теряет значительное количество своих водородных связей с переходом от сильнополярного растворителя в неполярный растворитель. В результате сверхкритическая вода становится очень хорошим растворителем для неполярных материалов.
В статье Bermejo, M.D., et al. " Supercritical Water Oxidation: A Technical Review ", AIChE Journal, November 2006, Vol. 52, No. 11, pages 3933-3951, обсуждаются особенности технологии сверхкритического водного окисления (SCWO), включая типы реакторов для SCWO процесса. "Из-за своей простоты трубчатый реактор является наиболее широко используемым реактором SCWO, особенно в небольших лабораторных установках, таких как те, которые предназначены для оценки рентабельности новых SCWO применений или для определения кинетических параметров или теплот реакции.... Однако трубчатые реакторы имеют также важные недостатки. Прежде всего, они имеют склонность загрязняться в результате осаждения солей. Другим важным недостатком является то, что быстрые экзотермические реакции могут давать нерегулируемые горячие точки внутри реактора."
US 2003/075514 относится к способу и системе для проведения гидротермальной обработки, которая включает скребок, образованный в виде полого цилиндра. Скребок помещают в реакторном сосуде, причем ось скребка по существу колинеарна продольной оси цилиндрического реакторного сосуда. Предусмотрен механизм вращения скребка вокруг продольной оси реакторного сосуда. Одну или более удлиненных скребковых пластин помещают внутри реакторного сосуда между скребком и продольной осью реакторного сосуда. Каждая скребковая пластина может оставаться неподвижной по отношению к реакторному сосуду или каждая скребковая пластина может вращаться относительно оси, проходящей через скребковую пластину, для удаления любых твердых веществ, которые налипли на скребке или на скребковой пластине.
US 2013/0338382 относится к реакционной установке, "использующей сверхкритическую воду или субкритическую воду." Согласно пункту 1 US 2013/0338382, установка имеет "цилиндрический путь потока смешивания для смешивания по меньшей мере одной текучей среды сырьевого материала, выбранной из группы, состоящей из глицерина, целлюлозы и лигнина, с по меньшей мере одной из сверхкритической воды и субкритической воды;... и перемешивающую лопатку, имеющую вращающийся вал, установленный на центральном валу пути потока смешивания."
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить усовершенствованную установку и способ переработки суспензии, содержащей органические компоненты, такой как биомасса.
В этой части, устройство по настоящему изобретению отличается признаками, указанными в пункте 1 формулы изобретения. Обнаружили, что применение одного или более шнековых винтов обеспечивает эффективное непрерывное перемещение твердых веществ, которые иначе имели бы склонность накапливаться в системе, например, путем налипания на стенках труб(ы) или осаждения на дне труб(ы). Твердые вещества предпочтительно перемещают к ловушке для твердых веществ и внутрь нее и оттуда удаляются из системы. Таким образом, настоящее изобретение способствует непрерывной переработке сырьевых материалов, улучшает теплообмен, снижает риск засорения труб и/или увеличивает продолжительность технологических интервалов между очисткой труб теплообменника и/или реактора.
В одном из воплощений настоящего изобретения предложена установка по переработке суспензии, содержащей органические компоненты, такой как биомасса, имеющей содержание воды по меньшей мере 50%, включающая теплообменник для нагревания суспензии и реактор для преобразования по меньшей мере части органических компонентов в суспензии, где по меньшей мере один из теплообменника и реактора содержит одну или более труб, и отличающаяся тем, что по меньшей мере один шнековый винт, имеющий открытый центр, размещен в трубе или по меньшей мере в одной из труб.
В одном из воплощений, каждый из теплообменника и реактора содержит одну или более труб, а шнековый винт размещен по меньшей мере в одной трубе теплообменника и по меньшей мере в одной трубе реактора.
В одном из воплощений, шнековый винт размещен во всех трубах теплообменника и реактора.
В одном из воплощений, часть шнековых винтов или все шнековые винты имеет открытый центр.
В одном из воплощений, по меньшей мере один из шнековых винтов, обеспечивает беспрепятственный поток суспензии или по меньшей мере жидкости в суспензии через центр соответствующей трубы, тем самым, например, допуская существенные изменения скорости потока.
В одном из воплощений, по меньшей мере один из шнековых винтов, предпочтительно часть шнековых винтов или все шнековые винты, имеет (имеют) спиральный элемент, предпочтительно винтовую ленту.
В другом воплощении, по меньшей мере один шнековый винт, предпочтительно часть шнековых винтов или все шнековые винты, имеет, например, покрыт(ы) или содержит агент, например, катализатор, который взаимодействует с преобразованием органических компонентов в суспензии. Такой агент можно применять, например, для улучшения преобразования и/или для образования больше метана при более низких температурах. Примеры включают покрытие из металла, например, меди или никеля.
Еще одно воплощение включает по меньшей мере один двигатель для приведения в движение шнекового винта или шнековых винтов. В одном из уточняющих воплощений, установка содержит зону высокого давления, включающую по меньшей мере реактор и теплообменник, где по меньшей мере один двигатель расположен за пределами зоны высокого давления, например, вблизи реактора, при атмосферном давлении. В еще одном развивающем воплощении, зона высокого давления герметизируется и по меньшей мере один двигатель соединяется с шнековым винтом или шнековыми винтами путем магнитного взаимодействия. В примере шнековые винты имеют выступающие удлиненные трубки, которые являются частью герметичной зоны, и двигатели расположены вблизи или вокруг этих удлиненных трубок для установления достаточно сильного магнитного взаимодействия между шнековыми винтами (их удлиненными трубками) в зоне высокого давления и двигателями снаружи зоны высокого давления.
В другом уточняющем воплощении, двигатель соединятся, через трансмиссию, расположенную в зоне высокого давления, с двумя или более шнековыми винтами, предпочтительно всеми шнековыми винтами. Таким образом, в принципе, требуется только один двигатель и, следовательно, лишь одно уплотнение высокого давления.
В одном воплощении, установка содержит два шнековых винта с противоположной спиральностью.
В одном из воплощений внешний диаметр указанного шнекового винта или по меньшей мере одного шнекового винта, предпочтительно части шнековых винтов или всех шнековых винтов, находится в диапазоне от 0% до 15% меньше, чем внутренний диаметр трубы, в которой он размещен, предпочтительно давая достаточно свободы для обеспечения расширения шнековых винтов за счет изменений температуры или вращения.
В одном воплощении, установка содержит ловушку для твердых веществ, где указанный шнековый винт или по меньшей мере один шнековый винт проходит вдоль или поверх ловушки для твердых веществ.
Изобретение также относится к способу переработки суспензии, содержащей органические компоненты, такой как биомасса, имеющей содержание воды по меньшей мере 50%, включающему стадии увеличения давления и температуры суспензии для доведения воды в суспензии до сверхкритического состояния и преобразования по меньшей мере части органических компонентов в суспензии, где по меньшей мере одно из увеличения давления и температуры и преобразования по меньшей мере части органических компонентов в суспензии проводят в трубе, и отличающемуся тем, что твердые вещества, осаждающиеся из суспензии, перемещают по трубе или трубам с помощью по меньшей мере одного шнекового винта, имеющего открытый центр и размещенного в трубе или по меньшей мере одной из труб.
В одном из воплощений, как увеличение давления и температуры, так и преобразование по меньшей мере части органических компонентов в суспензии проводят в трубе.
В одном из воплощений, по меньшей мере один из шнековых винтов, имеющих открытый центр, обеспечивает беспрепятственный поток суспензии или по меньшей мере жидкости в суспензии через центр соответствующей трубы.
В Boukis, N., et al. " Gasification of wet biomass in supercritical water. Results of pilot plant experiments.", 14th European Biomass Conference, Paris, France 2005, упоминается, что влажная биомасса реагирует с водой в сверхкритических условиях с образованием газа, богатого водородом.
В Boukis, N., et al. " Biomass gasification in supercritical water. Experimental progress achieved with the VERENA pilot plant." 15th European Biomass Conference & Exhibition 2007, упоминается, что водорастворимые соли будут образовывать твердые вещества в условиях сверхкритической воды.
Kruse, A., "Supercritical water gasification", Society of Chemical Industry и John Wiley & Sons, Ltd, 2008, pages 415-437, рассматривает работы, относящиеся к сверхкритической водной газификации биомассы, делая акцент на производстве водорода.
US 2014/0115955 относится к установке синтеза углеводородов. В некоторых воплощениях, углеродное сырье можно подвергать процессу экструзии. На Фиг. 2 приведена схематическая диаграмма экструзионного реактора, обозначенного под номером 200. Реактор 200 включает корпус 206 экструзионного реактора, образующий впускной порт 216 и выпускной порт 218. Сырьевой материал перемещают и смешивают с помощью шнекового винта 208 для экструзии.
DE 29913370 относится к установке по переработке твердых веществ в сверхкритической воде. На Фиг. 2 показан шнековый винт 2.
JP 5600203 относится к непрерывной обработке горячей водой суспензии целлюлозной биомассы в реакторе непрерывного действия. Суспензию интенсивно перемешивают на передней ступени реактора непрерывного действия и перемешивают с помощью мешалки, имеющей слабую движущую силу, на последующей ступени, так что поддерживается вытеснительный поток.
ЕР 1829920 относится к реакционной установке для переработки разложением термореактивной смолы. В примере, показанном на Фиг. 1, секция 3 подачи включает смешивающее устройство 31 для смешивания полимерной композиции и растворителя и устройство 32 для обеспечения давления для принудительной подачи смеси из смешивающего устройства 31 в основную массу 21 реакции.
Далее изобретение будет представлено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых схематично показано воплощение настоящего изобретения.
На Фиг. 1 представлена схема воплощения установки/способа гидротермического превращения, такого как, сверхкритическая водная газификация, согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 2 схематично представлено поперечное сечение установки, содержащей, согласно настоящему изобретению, шнековый винт.
На Фиг. 1 показана система 1 для переработки суспензии, содержащей органические компоненты, такой как биомасса, имеющей содержание воды по меньшей мере 50%, содержащая жидкость-твердофазный сепаратор 2, такой как винтовой пресс, фильтр-пресс, центрифуга или вытеснитель влаги, для обезвоживания загружаемой суспензии и бак 3 для вмещения обезвоженной суспензии. Бак соединен с насосом 4, который, в свою очередь, соединен или интегрирован с теплообменником 5 для добавления оставшегося тепла в суспензию. Ниже по потоку от теплообменника 5 расположены насос 6 высокого давления и теплообменник 7 для сжатия и нагревания воды в суспензии до сверхкритического или около сверхкритического состояния.
В представленном примере, теплообменник содержит одну или более противоточных секций 7А теплообменника типа «труба в трубе» (англ. - pipe-in-pipe), например, две, четыре или более секций теплообменника типа «труба в трубе», проходящих горизонтально и параллельно одна другой и соединенных последовательно. Ниже по потоку от насоса 6 и теплообменника 7 расположен дополнительный теплообменник, который служит в качестве реактора 8. В представленном примере, реактор содержит одну или более труб 8А, например, две трубы 8А, которые нагревают посредством внешнего нагревания.
Конец реактора, расположенный ниже по потоку, и вероятно также теплообменника 7 соединен с ловушкой 9 для твердых веществ для удаления твердых веществ, таких как неорганические вещества и/или осажденные минералы и соли, из системы.
Как показано сплошной линией 10 на Фиг. 1, конец реактора 8, расположенный ниже по потоку, соединен с ловушкой 9 для твердых веществ и внешней трубой теплообменника 7 для обеспечения противоточного теплообмена между (относительно горячей) суспензией после преобразования и (относительно холодной) суспензией перед преобразованием. Внешние трубы теплообменника 7 соединены с жидкость-твердофазным сепаратором 12 для выделения газообразных продуктов из жидкости.
Как более подробно показано на Фиг. 2, шнековый винт, в представленном примере - винтовая лента 15, размещен во всех трубах 7А и 8А теплообменника 7 и реактора 8.
Система дополнительно включает зону высокого давления, включающую по меньшей мере реактор 8 и теплообменник 7, а также двигатель 16, расположенный вне зоны высокого давления. Двигатель соединен через трансмиссию 17, которая может быть расположена в зоне высокого или низкого давления, со всеми шнековыми винтовыми лентами 15 для приведения их всех в движение в одинаковом направлении вращения. Для гарантии, что перемещение твердых веществ происходит в направлении потока суспензии (показан стрелками), в данном примере спиральность шнековых винтов меняется от одного шнекового винта к следующему.
В процессе работы, согласно примеру, влажная биомасса (перегной), имеющая содержание воды 90%, обезвоживается с помощью винтового пресса 2 до содержания воды 70% (общее количество твердых веществ 30%) и сгущенную и вязкую суспензию подают в бак 3. Отсюда суспензию перекачивают (со скоростью 1000 литров/час) в теплообменник 5 и смешивают с водой до содержания воды 75% и объема 2000 нл/ч. Затем суспензию сжимают и нагревают (240-250 бар и 370-390°С) и подают в реактор, где суспензию дополнительно нагревают (до 550-600°С) для преобразования по меньшей мере части органических компонентов в суспензии в газообразный продукт, такой как, водород и метан. В процессе нагревания и преобразования как в субкритическом состоянии, так и в сверхкритическом состоянии, твердые вещества, осаждающиеся из суспензии, непрерывно перемещают по трубам 7А и 8А с помощью шнековых винтов 15, которые вращаются со скоростью, например, 5-10 оборотов/мин, и в ловушку 9 для твердых веществ. Воду подают в теплообменник 7 для рекуперации тепла высокой температуры, т.е. для нагревания более холодной суспензии, расположенной выше по потоку. После выхода из теплообменника (при 2000 нл/ч, 240-250 бар и 250-300°С), жидкость подают в газожидкостный сепаратор, чтобы обеспечить выпуск газообразного продукта и возможность осуществления сбора. Ловушку для твердых веществ опорожняют через равные промежутки времени.
Способ и система по изобретению обеспечивают непрерывную переработку сырьевых материалов с относительно высоким содержанием органических компонентов и/или твердых веществ, снижая при этом риск засорения и/или удлиняя технологические промежутки для очистки труб теплообменника и/или реактора, и/или улучшая теплообмен между вязкой, с высоким содержанием твердых веществ, относительно холодной суспензией во внутренних трубах с относительно горячей текучей средой во внешних трубах.
Изобретение не ограничивается описанными выше воплощениями, которые можно изменять различными способами в объеме формулы изобретения. Например, шнековый винт может иметь трубу с последовательностью отверстий в ее стенке и со спиральным элементом, например проволокой, намотанной вокруг и прикрепленной, например, приваренной к ней. Шнековый винт может быть выполнен из металла или, например, из синтетического материала, такого как технический полимер.