Установка для производства биотоплива
PLANT FOR BIOFUEL PRODUCTION

Изобретение относится к технологии получения биотоплива из природных источников сырья биологического происхождения, в частности, к установке для производства биотоплива в процессе гидротермального сжижения микроводорослей.
Постоянно возрастающий спрос на энергоресурсы является движущим фактором изыскания новых способов получения энергии и энергоносителей. Важным направлением в биотехнологии является комплексная переработка органических отходов фермерских хозяйств и лесопереработки для получения товарных количеств энергоносителя в виде биогаза и других целевых продуктов. Низкотемпературная переработка органических субстанций с помощью термофильного и мезофильного анаэробного разложения отходов обеспечивает получение метана или продуцирование биогаза сложного состава с возможностью последующей переработки в целевые продукты. При этом возможно использование фототрофных микроорганизмов, в том числе, пурпурных, циановых или зеленых бактерий. Другим перспективным направлением в области биоэнергетики является использование в качестве сырья для получения дополнительной энергии природных видов флоры, таких как микроскопические и воспроизводимые естественным или искусственным способом водоросли. При этом в качестве сырья для получения биотоплива используется биомасса различных видов микроводорослей, таких как Spirulina, Chlorella, Haematococcus, Dunaliella, Botryococcus, Bracteacoccus, Anabaena и некоторые другие (см., например, http://www.cleandex.ru/articles/2016/01/19/aglaebiofuels).
Известна система комплексной переработки органических отходов, содержащая средства подготовки отходов и вывода продуктов переработки, реакторный блок для выработки биогаза, блок газоразделения, трубопроводную и запорную арматуру, аппаратуру контроля и управления, отличающаяся тем, что реакторный блок содержит средства для поддержания уровня рабочих температур и концентрации газов в массе отходов, выход реакторного блока по биогазу соединен через блоки осушки, очистки и накопительный приемник с входом блока газоразделения, включающего, по крайней мере, один мембранный контакторный модуль для селективного выделения из биогаза метана, диоксида углерода и дополнительных компонентов (см. патент RU 65048, опублик. 27.07.2007).
Известная система комплексной переработки органических отходов методом анаэробного разложения обеспечивает получение метана или биогаза сложного состава с возможностью последующей переработки в целевые продукты. К недостаткам известного технического решения следует отнести несовершенство имеющихся средств управления термодинамическими параметрами процесса анаэробного разложения отходов различного происхождения и малую глубину газоразделения исходного биогаза для получения товарных количеств целевых продуктов, в том числе, метана с отделением токсичных веществ, например, сероводорода.
Известна установка для производства биотоплива, описанная в способе производства биотоплива, включающая блок приготовления суспензии из лигнита или древесно-волокнистой биомассы и воды, двухступенчатую систему нагнетания суспензии с первой ступенью насоса низкого давления для подачи суспензии во вторую ступень насоса высокого давления, пятиступенчатую концентрическую трубную систему нагрева суспензии, каждая ступень которой имеет удлиненную реакторную установку непрерывного потока с высокой площадью поверхности, при этом каждая ступень нагрева снабжена блоком управления для регулирования температур процесса и скоростей нагрева, и реактор для поддержания режима ламинарного потока в течение определенного времени пребывания. В реактор включены ряды из нескольких трубчатых реакционных сосудов, которые могут соединяться и разъединяться с целью регулировки общего времени пребывания в зависимости от природы исходного сырья, природы используемого водного растворителя и/или наличия/отсутствия в суспензии добавочных катализаторов. При этом реактор использует внешний спутниковый нагрев для управления профилем температуры (см. патент RU № 2575707, опублик. 20.02.2016).
Недостатками известной установки для производства биотоплива являются высокие энергетические затраты, сложность схемной и конструктивной реализации, использование дорогостоящих реактивов и небезопасных органических растворителей. При этом биотопливо, получаемое на выходе, может иметь повышенное содержание кислорода по сравнению с традиционными топливами, что снижает его удельную энергию и стабильность при длительном хранении.
Известно устройство для получения бионефти из микроводорослей путем гидротермального сжижения, содержащее узел подачи водной суспензии биомассы в реактор, блок гидротермального сжижения, состоящий из одного проточного реактора, узел нагрева реактора, выполненный в виде песчаной бани, и узел охлаждения, состоящий из двух последовательных теплообменников. Процесс гидротермального сжижения основан на некаталитической обработке водной суспензии микроводорослей в проточном реакторе, нагрев которого обеспечивается внешним электрическим нагревателем, передающим тепло песчаной засыпке, от которой тепло затем передается реактору (см. С. Jazrawi, P. Biller, А.В. Ross, A. Montoya, Т. Maschmeyer, B.S. Haynes, Algal Research, 2 (2013) 268-277).
Недостатками данного устройства для получения бионефти из микроводорослей являются низкие производительность и энергетическая эффективностьвследствие больших тепловых потерь. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена утилизация газообразных продуктов гидротермального сжижения, что отрицательно отражается на показателях экологичности работы установки.
Наиболее близким техническим решением к предложенному является установка для производства биотоплива, содержащая камеру подготовки исходного сырья, блок гидротермального сжижения, средства нагрева сырья, устройства охлаждения и сепарации биотоплива, коммутирующие элементы (см. патент RU № 2689325, опублик. 27.05.2019 - прототип).
Известная установка для производства биотоплива характеризуется тем, что содержит камеру предварительной обработки исходного сырья с установленными в ней мешалкой и источником светового излучения и с линиями ввода воды и биомассы водорослей, емкость с водой, блок гидротермального сжижения, состоящий из двух реакторов, заполненных гетерогенным катализатором и работающих поочередно в режиме гидротермального сжижения и в режиме регенерации катализатора, узел нагрева реакторов, выполненный в виде установленных в полостях реакторов горелок, и блок сбора и сепарации биотоплива с размещенным в нем узлом охлаждения в виде змеевика, при этом выходы емкости с водой и камеры предварительной обработки исходного сырья через регулируемые клапаны подсоединены к насосу высокого давления, выход которого подключен посредством байпасной линии с установленным на ней управляемым клапаном к камере предварительной обработки исходного сырья и к одному из концов змеевика, другой конец которого подсоединен через управляемые клапаны к входам реакторов с образованием замкнутого контура циркуляции полученного продукта предварительной обработки исходного сырья, нижние выходы реакторов через регулируемые клапаны подключены к входу блока сбора и сепарации биотоплива и к линии вывода продуктов сгорания, а линия выхода газообразных продуктов из блока сбора и сепарации биотоплива совместно с линиями подачи топлива и воздуха подсоединена к линии питания горелок, на которой установлены регулируемые задвижки горелок, связанные с коммутирующим элементом, осуществляющим поочередное включение и отключение горелок.
К недостаткам известной установки для получения биотоплива следует отнести сложность выполнения блока гидротермального сжижения, состоящего из двух реакторов, заполненных гетерогенным катализатором и работающих поочередно в режиме сжижения и регенерации катализатора при давлении 10-30 МПа и температуры 455-600°С в течение 1-9 минут до образования продуктов сжижения. Это приводит к значительным тепловым потерям, снижению производительности и энергетической эффективности установки. В известной установке не предусмотрены средства для эффективной утилизация твердых, жидких и газообразных продуктов гидротермального сжижения, что снижает технологические показатели работы установки, причем подача исходного сырья в ее зону реакции организована с помощью насоса высокого давления, ресурс и надежность которого при работе с дисперсной фазой сильно ограничены.
Технический результат изобретения заключается в устранении недостатков известных установок для производства биотоплива, увеличении выхода целевого продукта и снижении тепловых потерь в блоке гидротермального сжижения при одновременном повышении производительности, технологичности и энергетической эффективности установки.
Указанный технический результат достигается тем, что в установке для производства биотоплива, содержащей камеру подготовки исходного сырья, блок гидротермального сжижения, средства нагрева сырья, блок охлаждения и сепарации биотоплива, коммутирующие элементы, согласно изобретению, между камерой подготовки исходного сырья и блоком гидротермального сжижения расположены, по крайней мере, одна буферная емкость высокого давления для накопления и подогрева подготовленной биомассы и рекуперативный теплообменник, причем выход камеры подготовки исходного сырья соединен через насос низкого давления и первый управляемый клапан с первым входом буферной емкости, второй вход которой соединен через второй управляемый клапан с выходом газового баллона, содержащим нейтральный газ при давлении, соответствующем давлению сжижения биомассы, выход буферной емкости соединен через третий управляемый клапан с входом в тракт установки, включающий нагреваемую полость рекуперативного теплообменника, рабочий объем блока гидротермального сжижения и греющую полость рекуперативного теплообменника, выход которого соединен через четвертый управляемый клапан с входом емкости для приема продуктов гидротермального сжижения, снабженной механической мешалкой и трубчатым охладителем, причем первый выход емкости для приема продуктов гидротермального сжижения по газовой фазе соединен через пятый управляемый клапан с первым входом мультитопливного нагревателя блока гидротермального сжижения, второй выход емкости для приема продуктов гидротермального сжижения по жидкой фазе соединен через шестой управляемый клапан с входом нутч-фильтра, первый выход которого посредством шнека для транспортировки твердой фазы соединен через блок формирования пеллет с вторым входом мультитопливного нагревателя блока гидротермального сжижения, второй выход нутч-фильтра по жидкой фазе соединен через седьмой управляемый клапан с первым входом декантера, второй вход которого соединен с выходом компрессора для сепарации биотоплива и воды, а выход декантера соединен через восьмой управляемый клапан с входом накопительной емкости полученного биотоплива и через девятый управляемый клапан - с третьим входом мультитопливного нагревателя блока гидротермального сжижения.
Кроме того, между камерой подготовки исходного сырья и блоком гидротермального сжижения могут быть расположены две буферные емкости высокого давления для поочередного накопления и подогрева подготовленной биомассы и подачи в рекуперативный теплообменник.
Предложенное выполнение установки для производства биотоплива обеспечивает достижение технического результата изобретения, заключающемся в устранении недостатков известных установок аналогичного назначения. Увеличение выхода биотоплива обеспечивается совокупностью существенных признаков изобретения, обеспечивающих снижение тепловых потерь при функционировании узлов и блоков установки в процессе гидротермального сжижения сырья, обеспечивающих повышение технологичности и производительности установки по целевому продукту, а также ее энергетической эффективности при утилизации побочных продуктов гидротермального сжижения.
Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена схема установки для производства биотоплива.
Установка для производства биотоплива содержит камеру 1 подготовки исходного сырья, блок 2 гидротермального сжижения, средства нагрева сырья, блок охлаждения и сепарации биотоплива, коммутирующие элементы. Между камерой 1 подготовки исходного сырья и блоком 2 гидротермального сжижения расположены, по крайней мере, одна буферная емкость 3 высокого давления для накопления и подогрева подготовленной биомассы и рекуперативный теплообменник 4. При этом выход камеры 1 подготовки исходного сырья соединен через насос 5 низкого давления и первый управляемый клапан 6 с первым входом буферной емкости 3. Второй вход буферной емкости 3 соединен через второй управляемый клапан 7 с выходом газового баллона 8, содержащим нейтральный газ (воздух или азот) при давлении, соответствующем давлению сжижения биомассы.
Выход буферной емкости 3 соединен через третий управляемый клапан 9 с входом в тракт 10 установки, включающий нагреваемую полость 11 рекуперативного теплообменника 4, рабочий объем 12 блока гидротермального сжижения и греющую полость 13 рекуперативного теплообменника 4. Указанный выход рекуперативного теплообменника 4 соединен через четвертый управляемый клапан 14 с входом емкости 15 для приема продуктов гидротермального сжижения, снабженной механической мешалкой 16 и трубчатым охладителем 17. При этом первый выход емкости 15 для приема продуктов гидротермального сжижения по газовой фазе соединен через пятый управляемый клапан 18 с первым входом мультитопливного нагревателя 19 блока 2 гидротермального сжижения.
Второй выход емкости 15 для приема продуктов гидротермального сжижения по жидкой фазе соединен через шестой управляемый клапан 20 с входом нутч-фильтра 21, первый выход которого посредством шнека 22 для транспортировки твердой фазы соединен через блок 23 формирования пеллет с вторым входом мультитопливного нагревателя 19 блока 2 гидротермального сжижения. Второй выход нутч-фильтра 21 по жидкой фазе соединен через седьмой управляемый клапан 24 с первым входом декантера 25, второй вход которого соединен с выходом компрессора 26 для сепарации биотоплива и воды, а выход декантера 25 по биотопливу соединен через восьмой управляемый клапан 27 с входом накопительной емкости 28 биотоплива и через девятый управляемый клапан 29 - с третьим входом мультитопливного нагревателя 19 блока 2 гидротермального сжижения.
На Фиг. 1 дополнительными позициями обозначены: поз. 30 - емкость для подачи воды в камеру 1 подготовки исходного сырья; поз. 31 - насос подачи воды; поз. 32 - насос низкого давления для подачи в камеру 1 исходного сырья; поз. 33, 34 - управляемые клапаны; поз. 35 - трубчатый нагреватель для подогрева биомассы в буферной емкости 3 в период ее наполнения; поз. 36 - управляемый клапан для вывода воды из декантера 25; поз. 37 - привод мешалки в камере 1 исходного сырья; поз. 38, 39 - датчики давления и температуры; поз. 40 - управляемый клапан вывода биотоплива из накопительной емкости 28; поз. 41 - управляемый клапан подвода сетевой воды горячего водоснабжения для предварительного подогрева биомассы в буферной емкости; поз. 42 - управляемый клапан подвода сетевой воды холодного водоснабжения для охлаждения продуктов гидротермального сжижения в емкости 15.Жидкий продукт через фильтр поступает в нижнюю часть нутч-фильтра 21 за счет создаваемого под фильтром разрежения, которое поддерживается вакуумным компрессором 43.
Установка для производства биотоплива функционирует следующим образом.
В камеру 1 подготовки исходного сырья с помощью насосов 31, 32 подают необходимое количество воды и исходного сырья. Согласно проведенным исследованиям количество воды после разбавления исходного сырья может составлять до 90-97 масс. %. Биомассу микроводорослей смешивают с водой в количестве, достаточном для уменьшения гидравлического сопротивления в тракте при вводе и выводе продуктов из блока 2 гидротермального сжижения. В установке используется биомасса микроводорослей, наиболее пригодных для промышленного производства из перечня штаммов, указанных выше. С помощью мешалки 37, по заданным техническим условиям обеспечивают получение микробиологической суспензии с заданными характеристиками по температуре, давлению, плотности, влажности и вязкости. Подготовленную суспензию исходного сырья подают с помощью насоса 5 низкого давления через открытый управляемый клапан 6 на первый вход буферной емкости 3 до ее заполнения, при этом управляемые клапаны 7, 9 закрыты.
В процессе заполнения буферной емкости 3 исходное сырье подогревают с помощью трубчатого нагревателя 35 протекающей в нем сетевой воды горячего водоснабжения. За время заполнения буферной емкости 3 и в период ожидания подачи в тракт10 установки подготовленное сырье может подогреваться на 50-70°С и выше. После заполнения буферной емкости 3 управляемый клапан 6 закрывают, а клапаны 7, 9 открывают. Под действием давления нейтрального газа из газового баллона 8, соответствующем давлению сжижения (6-26 МПа), микробиологическая суспензия поступает через управляемый клапан 9 в тракт 10 установки, включающий нагреваемую полость 11 рекуперативного теплообменника 4, рабочий объем 12 блока гидротермального сжижения, нагретого до заданной максимальной температуры (240-550°С).
Затем продукты сжижения поступают через греющую полость 13 рекуперативного теплообменника 4 на вход емкости 15 для приема продуктов гидротермального сжижения при давлении и температуре, меньших по сравнению с условиями гидротермального сжижения. В рекуперативном теплообменнике 4 исходное сырье дополнительно подогревается на несколько десятков градусов за счет охлаждения выходящими из блока 2 продуктами гидротермального сжижения. Благодаря наличию дополнительного трубчатого охладителя 17 и перемешивающему воздействию мешалки 16 частично охлажденные продукты гидротермального сжижения разделяются на газовую и жидкую фракции. Выделяющийся биогаз направляют через пятый управляемый клапан 18 на газовые горелки первого входа мультитопливного нагревателя 19 блока 2 гидротермального сжижения.
Жидкие продукты гидротермального сжижения поступают через шестой управляемый клапан 20 на вход нутч-фильтра 21, в котором происходит разделение указанных продуктов на твердую и жидкую фазы.Жидкий продукт через фильтр поступает в нижнюю часть нутч-фильтра за счет создаваемого под фильтром разрежения, которое поддерживается вакуумным компрессором 43.Посредством шнека 22 твердая фаза транспортируется через блок 23 формирования пеллет на второй вход мультитопливного нагревателя 19 блока 2 гидротермального сжижения. Остальная часть жидких продуктов гидротермального сжижения из нутч-фильтра 21 поступает через седьмой управляемый клапан 24 на первый вход декантера 25, в котором давлением компрессора 26 происходит сепарация биотоплива и воды. Отделенное биотопливо из декантера 25 поступает через восьмой управляемый клапан 27 на вход накопительной емкости 28 биотоплива и через девятый управляемый клапан 29 - на горелки третьего входа мультитопливного нагревателя 19 блока 2 гидротермального сжижения.
Как было указано, буферная емкость 3 предназначена для накопления, подогрева и подачи подготовленной биомассы в тракт 10 установки и блок 2 гидротермального сжижения. Буферная емкость 3 имеет рабочий объем, соизмеримый с объемом камеры 1 исходного сырья, объемом блока 2 гидротермального сжижения и объемом емкости 15 для приема продуктов гидротермального сжижения. Эти объемы могут варьироваться в широких пределах: от десятков литров, в случае лабораторных установок, до сотен и тысяч литров для установок промышленного производства биотоплива в процессе гидротермального сжижения микроводорослей. Буферная емкость 3 высокого давления для накопления и подогрева подготовленной биомассы может быть снабжена внешней теплоизоляционной рубашкой и выполнена с возможностью предварительного нагрева биомассы до температуры 60 - 85°C с помощью трубчатого нагревателя 35 для подогрева биомассы в буферной емкости 3 в период ее наполнения.
Наличие нагревателя 35 в буферной емкости сокращает расход топлива на процесс гидротермального сжижения подготовленного сырья в блоке 2. При этом обеспечивается дополнительная безопасность работы установки гидротермального сжижения в аварийном режиме при отключении электроэнергии, поскольку подача сырья в блок 2 гидротермального сжижения осуществляется под действием давления вытесняющего газа из газового баллона 8. Настоящим изобретением предусмотрен вариант выполнения установки для производства биотоплива, в которой между камерой 1 подготовки исходного сырья и блоком 2 гидротермального сжижения расположены две одинаковые буферные емкости 3 высокого давления, оснащенные газовыми баллонам, содержащими нейтральный газ (воздух или азот) при давлении, соответствующем давлению сжижения биомассы, а также необходимыми коммутирующими управляемыми клапанами для поочередного накопления, подогрева подготовленной биомассы и ее подачи в рекуперативный теплообменник. Таким образом производство биотоплива проводят в более экономичном повторно непрерывном режиме. Управляемые клапаны рабочего и вспомогательных трактов установки также должны поддерживать заданный уровень давления на участке внутри рекуперативного теплообменника 4 на указанном уровне 6-26 МПа.
Наличие мультитопливного нагревателя 19 в основании блока 2 гидротермального сжижения, в свою очередь, обеспечивает эффективную утилизацию твердых, жидких и газообразных продуктов гидротермального сжижения, повышающей технологические показатели работы установки и выход целевого продукта при одновременном повышении производительности, технологичности и энергетической эффективности установки. Нагреватель по существу представляет собой мультитопливный либо комбинированный котел, подходящий для сжигания различного органического топлива, в другом варианте исполнения нагреватель может представлять собой комплекс из нескольких котлов, каждый из которых подходит для сжигания газообразного, жидкого или твердого топлива либо их сочетаний. В качестве органического топлива для нагревателя могут выступать также сетевой природный газ. В настоящее время мультитопливные котлы отопления хорошо известны и прекрасно себя зарекомендовали простотой использования, экономичностью и универсальностью. Мультитопливный нагреватель 19 блока 2 гидротермального сжижения способен работать на различных видах газообразного, жидкого и твердого топлива, например, в виде пеллет, брикетов или опилок при установке соответствующих горелок. Подача топлива и воздуха в камеру сгорания мультитопливного нагревателя 19 должна происходить с использованием автоматических приспособлений и управляющих программ, которые обеспечивают замеры температур, дозирование топлива, регулирование процесса горения и др. (не показаны). Это позволяет функционировать блоку 2 гидротермального сжижения заданное время без участия человека.
Сопоставление разработанного объекта техники с известными аналогами показало, что предложенное изобретение обладает новизной, связанной с наличием указанных блоков и узлов в установке для производства биотоплива. Как следует из описания, графических материалов и формулы изобретения, сущность разработанного объекта техники представляет собой единое техническое решение, включающее буферную емкость высокого давления, рекуперативный теплообменник, нутч-фильтр с шнековым транспортером и мультитопливный нагреватель блока гидротермального сжижения, которые в совокупности обеспечивают повышение экономичности и энергоэффективности предложенного технического решения. Промышленная применимость разрабатываемого объекта техники подтверждается, в том числе, практикой патентования способов и устройств гидротермального сжижения биомассы растительного происхождения. Сопоставление с известными аналогами показало, что разработанный объект техники является более совершенным, поскольку позволяет обеспечивать эффективное разделение получаемых продуктов при переработке биомассы высокой влажности без необходимости предварительной сушки.
Предложенное техническое решение в совокупности существенных признаков обеспечивает достижение технического результата изобретения, заключающегося в повышении выхода биотоплива при гидротермальном сжижении микробиологического сырья, в том числе, благодаря существенному снижению тепловых потерь в указанном процессе. Предложенное выполнение установки для производства биотоплива одновременно обеспечивает повышение ее технологичности, производительности по целевому продукту и энергетической эффективности при утилизации побочных продуктов гидротермального сжижения биомассы растительного происхождения.