СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКОГО СЫРЬЯ С ПОЛУЧЕНИЕМ СИНТЕТИЧЕСКОГО ТОПЛИВНОГО ГАЗА В УСТАНОВКЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО АБЛЯЦИОННОГО ПИРОЛИЗА ГРАВИТАЦИОННОГО ТИПА
METHOD OF PROCESSING ORGANIC MATERIAL TO PRODUCE SYNTHETIC FUEL GAS IN A HIGH-TEMPERATURE ABLATION PYROLISIS OF GRAVITATIONAL TYPE

Изобретение относится к области переработки органических веществ как моно-состава, так и сырья сложного состава, а именно к способу высокотемпературного абляционного пиролиза.
Установка высокотемпературного абляционного пиролиза - система температурной деструкции твердого вещества, разделения и отчистки продуктов пиролиза для использования. Основной продукт разложения твердого вещества - сингаз (смесь различных углеводородов и других газов), а также углеродный материал. Все процессы, протекающие в установке, оптимизированы на максимальное получение сингаза и получение качественного углеродного остатка - пиролизного кокса. Сингаз может быть использован в качестве топлива для генерации электроэнергии в газо-поршневых установках или газовых турбинах, тепловой энергии в водогрейных или паровых котлах, либо в качестве газо-моторного топлива после компримирования. Углеродный материал - в качестве технического сырья - использование в качестве топлива в устройствах в комплектации с твердотопливными горелками, в производстве активированного угля при его переработке в печи активации, в производстве строительных материалов, либо в качестве твердого топлива после брекетирования.
Из уровня техники известны следующие решения.
2
2
Известен способ переработки твердых бытовых и промышленных отходов с получением синтез-газа (RU 2475677 C1, опубликован 20.02.2013), характеризующийся тем, что измельченные отходы в смеси с CO и HO прокачивают через газификатор, образовавшиеся газообразные продукты вместе с водяным паром подвергают закалке в водоохлаждаемом закалочном устройстве, дополнительно охлаждают до температуры 40-50°C, после чего забирают эксгаустером и прокачивают через аппараты очистки от пыли, кислых газов, соединений серы, смол и органических соединений. Очищенный газ разделяют на два потока, один из которых направляют в качестве топлива на горелку, а второй поток пропускают через устройство стабилизации соотношения водорода и оксида углерода для получения синтез-газ требуемого состава. В адсорбере из дымовых газов выделяют диоксид углерода, который направляют на вход газификатора. Часть очищенного от примесей синтез-газа используют в качестве топливного газа на горелке беспламенного типа.
Известен способ получения синтез-газа пиролизом биомассы (патент RU 2346026 C2, опубликован 10.02.2009), характеризующийся тем, что способ осуществляют при непрерывной одновременной работе системы шнеков трех камер: сушильной, пиролизной и разделительной, при которой сначала предназначенную для пиролиза биомассу направляют в бункер для сырья, затем биомассу проталкивают через зону сушки, высушенное сырье собирают в бункере сухого сырья, откуда часть его с помощью шнека поступает на сжигание с получением дымовых газов для обогрева шнекового пиролизера, остальную часть высушенного сырья подают посредством шнека в пиролизную камеру и транспортируют в течение промежутка времени от 2 до 7 мин через обогреваемое пиролизное шнековое пространство, а выделяющийся при пиролизе высококалорийный газ собирают в коллекторе для сбора газа, откуда направляют потребителю, при этом твердый углеродный остаток используют в камере сгорания с утилизацией вредных жидких и твердых примесей в виде смол и дегтя, а полукокс собирают в камере приема газа и полукокса и посредством водоохлаждаемого шнека отгружают потребителю.
Также известен способ безотходной переработки углеродсодержащих твердых веществ, таких как древесные отходы, отличающийся тем, что отходы высушивают при температуре не более 160°С до влажности не более 3%, при этом образовавшуюся паровоздушную смесь очищают и отводят, высушенные древесные отходы подвергают последующему быстрому пиролизу в реакторе без доступа кислорода при температуре 520-830°С в течение не более 5 с, а образовавшийся пиролизный газ через теплообменник направляют в систему конденсации для разделения на жидкое топливо и синтез-газ, при этом теплообменник служит для передачи части тепловой энергии пиролизного газа для процесса высушивания (патент RU 2451880 C2, опубликован 27.05.2012).
Данный способ переработки не обеспечивает полноценной очистки пиролизных газов. Более того, контроль таких параметров как температуры в газификаторе, температуры газа и продуктов пиролиза крайне затруднительны. Это напрямую сказывается на качестве сингаза и делает невозможной непрерывную работу установки.
Также известен способ переработки органического сырья, известного из патента RU 2441053 C2 (опубликован 27.01.2012). Сырье, содержащее органическую составляющую, засыпается в бункер - накопитель. Шнек пресса захватывает его и продвигает к конусной части корпуса печи. На конусе расположены отверстия, через которые вода выжимается в сток. Отжатое сырье попадает в нагреваемый участок тепловой камеры, где корпус нагрет до 200 градусов, и происходит подготовка сырья для пиролиза (высушивание, перемешивание, гранулирование), в дальнейшем сырье попадает на отсекатель, расположенный под углом к направлению движения сырья. Выше расположенный шнековый механизм продвигает сырье по корпусу печи, имеющему температуру до 450 градусов Цельсия. В конце этого шнекового механизма также стоит отсекатель для создания пробки из сырья и шлака. В этом корпусе располагаются отверстия в верхней части корпуса, соединенные с трубами для удаления пиролизного газа, который частично используется для работы горелок теплой камеры. При необходимости получения высококачественного пиролизного топлива над вторым шнековым механизмом расположен третий шнековый механизм, отбирающий из пробки второе сырье для переработки при температуре да 800 градусов Цельсия. В завершении шнека также расположен отсекатель для создания пробки из шлака, исключающий выход синтез-газа вне труб отвода пиролизного газа. По мере накопления шлака он сам выдавливается в специальный контейнер для утилизации.
Установка, используемая в способе, предназначена для получения жидкой фракции пиролиза, использование которой затруднительно. Горизонтальное расположение печи и принудительное движение сырья могут приводить к загрязнению и заклиниванию подающего устройства.
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является способ переработки органического сырья (патент RU 2688568 C1, опубликован 21.05.2019), включающий в себя этапы, на которых сырье посредством агрегата сушки-измельчения измельчают, подают сырье в газификатор, представляющий собой цилиндр со спиральными желобами внутри и выполненный из нержавеющей никельсодержащей жаропрочной стали, стенки которого первоначально нагреты внешним электрическим индуктором до температуры 750°С, при этом сырье поступает на вращающийся конусный диск-разбрызгиватель, с которого рассеивается по стенкам, и по спиральным желобам опускается вниз, в процессе чего распадается на парогазовую фракцию и на пиролизный кокс. Парогазовая смесь с газификатора по двум патрубкам поступает в высокотемпературные циклонные фильтры, где отделяют основную часть уносимых с газом частиц пиролизного кокса и охлаждают в теплообменных аппаратах газ - воздух до 250°С, после чего газовую смесь подают в ректификационную колонну (скруббер), где смесь разделяется на жидкую фракцию, которая отводится из колонны в емкость-накопитель для пиролизной жидкости, и газовую, которая охлаждается в скруббере до температуры 50°С и передается на адсорбционный фильтр, после которого газ поступает на дуплексный фильтр тонкой очистки газа с размером ячейки 5 мкм и затем на вихревой компрессор, повышающий давление газа до 25-70 кПа и разогревающий газ до 80-120°С, после чего газ подают в систему охлаждения с сепаратором, где температура газа понижается и поддерживается на уровне 65-75°С, а также конденсируются пары высоких углеводородов, которые отводятся в емкость с пиролизной жидкостью, а газовая фракция подается на вход принимающего оборудования для дальнейшего применения в качеств энергоносителя.
Недостаток прототипа заключается в высокой стоимости изготовления комплектующих, наличие вращающихся частей в горячей зоне и сложной системе герметизации, а так же в необходимости наличия значительных электрических мощностей для запуска (разогрева индукционным способом) реактора и глубокого измельчения сырья.
Техническая проблема состоит в удержании сырья в зоне высокотемпературного нагрева в течение такого времени, которого достаточно для полного удаления летучих соединений из сырья (5-10 секунд, в зависимости от температуры).
Технический результат патентуемого способа заключается в равномерном распределении и нагреве сырья естественным (гравитационным) способом, предназначенного для переработки и получении качественного углеродного продукта с максимальным удалением летучих соединений, подлежащего дальнейшей активации и производству активированного угля.
Заявленный технический результат достигается за счет осуществления способа переработки органического сырья, включающего этапы, на которых сырье измельчают и высушивают, после чего сырье подают в бункер-циклон с нижней конусной частью, где происходит отделение воздуха от сырья, с нижней части бункера-циклона твердая часть сырья поступает в горизонтальный шнек, откуда далее сырье поступает в нижнюю часть вертикального спирального шнека, после чего сырье поступает в камеру загрузки сырья пиролизного реактора, имеющего вытянутый корпус вертикального расположения с наклоном относительно вертикали, разделенный волнообразной пластиной на две изолированные друг от друга зону нагрева и зону пиролиза, одна из которых представляет собой проточную камеру дымовых газов, поступающих от горелки, размещенной в верхней части реактора, другая представляет собой камеру пиролиза, в которую поступает сырье, подвергающееся пиролизу под воздействием нагрева от зоны нагрева разделительной пластины и направляющих ребер, размещенных на внутренней поверхности зоны пиролиза, при этом дымовые газы, проходя вдоль всего реактора через зону нагрева удаляются через дымосос, размещенный в нижней части реактора, а твердый остаток, представляющий собой пиролизный кокс, поступает через выход в нижней конусной части реактора в горизонтальный шнек отвода кокса, откуда он поступает снизу в вертикальный шнек, прогоняется к его верхней части и передается в герметичный бункер-накопитель кокса, полученный газ в пиролизной камере с помощью газового вихревого компрессора, стоящего в конце технологической линии фильтрации, поступает в аппараты охлаждения и сепарации с получением сингаза, который после очистки подается потребителю, а излишки сжигаются в аварийном факеле.
Вертикальное расположение пиролизного реактора обеспечивает естественный (с помощью гравитационных сил) поток перерабатываемого вещества, а заданный наклон камеры относительно вертикали и волнообразная поверхность разделительной пластины, обеспечивает оптимальное время нахождения вещества в зоне высоких температур, а также создает условия непосредственного соприкосновения перерабатываемого вещества с нагреваемыми поверхностями. За счет подачи сырья в устройство распределения с помощью вертикального шнека, в рабочем процессе плотно заполненного сырьем, создаются условия герметичности камеры пиролиза со стороны подачи сырья при необходимом давлении газа в камере. Горизонтальным и вертикальным постоянно наполненными отводящими шнеками гарантируется необходимая герметичность реактора со стороны выгрузки углеродного остатка.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 - технологическая схема установки для высокотемпературного абляционного пиролиза гравитационного типа.
Фиг. 2 - общий вид пиролизного реактора.
Фиг. 3 - вид А с фиг. 2.
Фиг. 4 - вид Б с фиг. 3.
Фиг. 5 - вид В-В с фиг. 2
Сырьем могут выступать любые органические соединения как моно-состава, так и сырье сложного состава, с влажностью не более 60% и размерами фракции 5-25 мм. При более высоких значениях влажности и размера необходимо применять дополнительные техсредства для применения сырья в технологическом процессе.
Технологический процесс начинается с подачи сырья. Сырье подается закрытым шнековым транспортером на вход устройства для дробления 1, в котором происходит измельчение сырья до фракции 1-3 мм. Далее сырье поступает по транспортеру в сушильный аппарат, где происходит снижение влажности сырья до 2-5%, при этом в качестве сушильного агента для сушильного аппарата применяется горячий воздух 30 от пиролизного реактора. В случае высокой влажности исходного сырья в составе аппарата для сушки может применяться внешний теплогенератор, работающий как на продуктах, получаемых на выходе описываемой установки (пиролизном газе, пиролизном коксе, пиролизной жидкости), так и на исходном сырье.
3
Подготовленное сырье передается в бункер-циклон 4 закрытым шнековым транспортером. Линия транспортировки измельченного и высушенного сырья снабжена вытяжным вентилятором 3. Во избежание повышения влажности, бункер герметичен. Бункер необходим для постоянного поддержания гарантированного объема сырья и отделения твердой составляющей сырья от воздуха, который удаляется через воздуховод 5. В случае остановки подачи исходного сырья, обслуживания транспортеров, аппаратов сушки и дробления сырья бункер позволяет работать непрерывно. Объем бункера определяется индивидуально и обычно составляет не менее 20 м (для обеспечения 5-часового запаса сырья).
Твердая составляющая сырья спускается под действием сил тяжести в конусную нижнюю часть 6 бункера-циклона 4 и поступает на вход горизонтального шнека 7, подающего далее сырье в нижнюю часть вертикального спирального шнека 8, откуда подается в камеру загрузки сырья 12 пиролизного реактора 9. Подача сырья в камеру загрузки с помощью вертикального шнека, в рабочем процессе плотно заполненного сырьем, создает условия герметичности камеры пиролиза со стороны подачи сырья при необходимом давлении 10 кПа газа в камере.
Конструкция пиролизного реактора 9 имеет вытянутый корпус прямоугольного сечения с конусными нижней 17 и верхней 12 частью. Корпус выполнен из нержавеющей стали и расположен вертикально с наклоном относительно вертикали на угол 18-22°. Реактор разделен волнообразной пластиной 31 на две изолированные друг от друга камеры: зону нагрева 13 и зону пиролиза 11.
Зона нагрева 13 представляет собой проточную камеру дымовых газов высокой температуры, образованных при сжигании твердого измельченного или газообразного топлива 16 в горелке 14, расположенной в верхней части реактора с доступом воздуха 15 для поддержания горения. Дымовыми газами от горелки нагревают разделительную пластину 31, а также направляющие ребра 32 зоны пиролиза 11. Проходя вдоль всего реактора дымовые газы, удаляются в атмосферу с помощью дымососа 21. Температура нагрева 730-1000°С поддерживается в заданном диапазоне с помощью регулирования подачи топлива в горелку. Поддержание температурного режима осуществляется с помощью твердотопливной горелки, в качестве топлива используется подготовленное (высушенное и при необходимости измельченное) то же сырье, что и для переработки или/и углеродный материал получаемый после процесса пиролиза предлагаемой установки.
Вторая зона реактора 9 представляет собой зону пиролиза 11, нагреваемую снизу дымовыми газами. Вертикальное расположение реактора обеспечивает естественный (с помощью гравитационных сил) поток перерабатываемого вещества. Заданный наклон камеры 18-22° относительно вертикали необходим для обеспечения оптимального времени нахождения вещества в зоне высоких температур для полного протекания реакции распада сырья на паро-газовую фракцию и твердый остаток - пиролизный кокс. Реакция разложения сырья - экзотермическая (протекает с выделением тепла). Также наклонное расположение реактора создает условия непосредственного соприкосновения перерабатываемого вещества с нагреваемыми поверхностями.
Равномерное распределение вещества по нагреваемой плоскости осуществляется статическим устройством распределения сыпучих материалов, расположенных в верхней конусной части 12 реактора, содержащей направляющие ребра 33, ориентированные вдоль оси реактора и расположенные на внутренней поверхности конусной части зоны пиролиза (фиг. 4). Поддержание равномерности прохождения сырья в реакторе контролируется за счет направляющих ребер 32, прикрепленных непосредственно к пластине нагрева на внутренней поверхности зоны пиролиза (фиг. 5). Диапазон изменения температуры в реакторе - 350-1000°С. Температура (индивидуальна для каждого вида сырья) и давление (5-25 кПа изб) в реакторе постоянные. Нижняя часть реактора выполнена в виде конуса 17, с расположенным в ней датчиком уровня пиролизного кокса. В корпусе реактора смонтирован датчик давления.
Постоянное давление в реакторе поддерживается согласованной работой подающего шнека и вихревого компрессора 27. Выгрузка углеродного вещества снизу реактора из выхода, расположенного в нижней части 17, осуществляется горизонтальным охлаждаемым уплотняющим шнеком 18, непосредственно из которого вещество поступает в вертикальный шнек 19, в котором оно плотным потоком поднимается в бункер его охлаждения и временного хранения. Вертикальным постоянно наполненным шнеком гарантируется необходимая герметичность реактора со стороны выгрузки углеродного остатка (кокса) 20. Посредством транспортной линии кокс охлаждается до 50-70°С. Бункер снабжается системой автоматического газоудаления. Охлаждающий агент шнеков 18 и 19 - вода, охлаждаемая вентиляторами в аппарате воздушного охлаждения.
Полученный в пиролизной зоне 11 газ выводится из нее газоотводящими трубками 34 и собирается в газовом коллекторе 10, откуда с помощью газового вихревого компрессора, стоящего в конце технологической линии фильтрации, поступает в аппараты охлаждения и сепарации.
Этап подготовки газа
Подготовка газа для использования состоит из нескольких этапов. После реактора парогазовая смесь 22 по патрубку поступает в высокотемпературный циклонный фильтр 23, где происходит отделение основной части уносимых с газом частиц пиролизного кокса. После циклона парогазовая смесь охлаждается в кожухотрубном теплообменном аппарате 24 газ-газ с 700 до 250°С (охлаждающий воздух поступает из воздухозаборника), затем в жидкостном теплообменном аппарате 25.
За теплообменными аппаратами поток попадает в вертикальный конденсатор 26, где паро-газовая смесь разделяется на жидкую фракцию (пиролизная жидкость 35) и газовую - синтетический газ (сингаз). Жидкая фракция 35 отводится в емкость для пиролизной жидкости.
Газ из конденсатора 26 передается на вихревой компрессор 27, позволяющий преодолеть сопротивление системы газоподготовки и повышающий давление газа до требуемых параметров (25-70 кПа изб.). Компрессор может изготавливаться как единично, так и сдвоенным (2 и более последовательно установленных агрегата), в зависимости от дальнейших целей использования синтетического газа.
3
После повышения давления газ разогревается. За компрессором установлена система охлаждения с сепаратором, в которой температура газа поддерживается на уровне 50-60°С, а так же происходит конденсация остатков паров высоких углеводородов (бутаны, гексаны и выше). Жидкая фракция отводится в емкость с пиролизной жидкостью. Сингаз может использоваться в качестве топлива в различных системах. Калорийность газа 8-20 МДж/нм в зависимости от исходного сырья. Излишки синтез-газа сжигаются в аварийном факеле 28.