СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА СОРБЕНТА НА БИОУГОЛЬНОЙ ОСНОВЕ И ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ЛУЗГИ ПОДСОЛНЕЧНИКА И УСТАНОВКА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR PRODUCING A BIOCOAL-BASED SORBENT AND THERMAL ENERGY FROM SUNFLOWER HUSKS AND AN INSTALLATION FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к быстрому вихревому окислительному пиролизу отходов растительной биомассы и может быть использована в целях получения сорбента на биоугольной основе и тепловой энергии при утилизации отходов лузги подсолнечника.
Для получения сорбента на биоугльной основе и тепловой энергии на установке базирующейся на этой группе изобретений могут использоваться и другие виды измельченной растительной биомассы и отходы древесины (опилки, стружки и т.п.).
Традиционно, часть отходов подсолнечного производства используют при подготовке кормов для животных, так как лузга содержит полезные вещества, например, пентозаны. Но в чистом виде лузга, содержащая более 50% клетчатки, не усваивается желудком животных. Другим, наиболее простым, путем утилизации отходов обработки семян подсолнечника является их сжигание в топках котлов с целью получения тепловой энергии, что значительно экономит внешние традиционные энергоресурсы. Однако, несмотря на актуальность и преимущества использования подсолнечной лузги в виде топлива, имеется ряд проблем ее сжигания экологического, технологического и экономического характера (Практика и проблема использования растительной биомассы, как альтернативного источника энергии на предприятиях масложировой отрасли/ Н.А. Попов // Вicник НТУ «ХПI». 2012. №14 (920). С. 54-59. Эл. ресурс: repository.kpi.kharkov.ua), препятствующие широкому распространению лузги в качестве топлива.
При этом наименее распространенным и, практически не реализованным на практике, остается свойство лузги подсолнечника превращающего ее из отходов в ценное сырье для использования в качестве улучшителя почвы, сорбента для восстановления почвы после нефтяных загрязненных (Ищенко Е.П. Очистка нефтезагрязненных почв с использованием лузги подсолнечника: Дисс. на соиск. канд. тех. наук. - Самара: Самарский гос. тех. университет, - 2016. - С. 132; Долгих О.Г. Использование адсорбционных технологий и углеродных адсорбентов на основе лузги подсолнечной в системах очистки нефтезагрязненных вод / Автореф. дис. … канд. тех. наук, СевКазГТУ. - Краснодар, 2011. - 24 с.), для получения сорбентов на основе биоугля, биомасла и пр.
Одним из перспективных направлений является термическая переработка лузги подсолнечника с целью получения ценных продуктов. Процесс пиролиза углеродосодержащего сырья относится к термохимическим процессам его переработки путем нагревания либо без доступа окислителя (воздуха), либо с ее недостатком, исключающим полное горение. Процесс этот может производиться, как при помощи подвода внешнего тепла без доступа окислителя (аллотермический процесс), так и с использованием внутреннего тепла за счет сжигания части углерода содержащегося в сырье, так называемый окислительный пиролиз (автотермический процесс). Процесс пиролиза может протекать при температурах от 350 до 1000-1100°С в зависимости от исходного сырья и заданных свойств конечных продуктов.
Известен способ термической переработки биомассы (патент RU №2124547, С01В 53/02, 10.01.1999), включающий загрузку материала в конвертер, пиролиз материала в противоточном потоке горячего восстановительного газа с коэффициентом расхода воздуха α=0,4-0,85 и при температуре 650-950°С, с последующим разделением продуктов пиролиза и выгрузкой твердого остатка (биоугля). Для получения активированного угля после пиролиза биомассы подают перегретый водяной пар при температуре свыше 500°С в массовом соотношении пара к материалу 0,01-0,05:1. Восстановительный газ подают на пиролиз биомассы в соотношении к материалу 0,3-0,5:1.
Недостатком способа является большая энергоемкость процесса, проявляющаяся в необходимости наличия постоянного источника углеводородного сырья (баллонный или природный газ) для подачи в генератор (горелку) с целью получения окислительного газа. Сомнителен также процесс паровой активации падающих угольных частиц из-за слишком короткого времени выдержки частиц и недостаточных температур в зоне паровой обработки. Без подачи тепла извне или выжигания части углерода температуры в зоне паровой обработки резко падают. Кроме того, фактором удорожающим реализацию этой установки на практике является необходимость поддержания избытка воздуха (окислителя) в процессе пиролиза в достаточно узком диапазоне.
Наиболее близким к заявляемому авторами решению по технической сущности и достигаемому результату является предложенный в патенте на полезную модель способ термической переработки отходов биомассы (UA №14328, F23G 7/00, 15.05.2006). В полезной модели переработка отходов биомассы осуществляется в две стадии. На первой стадии, в потоке горячего воздуха, происходит нагрев отходов биомассы до температуры 180-210°С; на второй стадии происходит выдержка отходов биомассы в плотном слое, с подачей в нижнюю часть слоя воздуха, в объеме 5-15% от теоретически необходимого для полного сгорания отходов биомассы.
Установка пиролиза содержит загрузочное устройство, камеру нагрева, циклон, камеру пиролиза, горелку и воздуходувку. В соответствии с заявленным способом горячий воздух подается в нижнюю часть камеры нагрева, туда же с помощью загрузочного устройства на решетку подаются отходы биомассы. Скорость воздуха в камере нагрева поддерживается таким образом, чтобы избежать образования кипящего слоя, в котором может происходить перегрев частиц биомассы и их горение. В процессе движения смеси в камере происходит нагрев биомассы до температуры 180-210°С и частичное разложение. Далее газовзвесь поступает в циклон, где происходит разделение газов и твердой фазы. Подогретые твердые частицы биомассы падают в камеру пиролиза, в нижнюю часть которой воздуходувкой подается воздух в объеме 5-15% от теоретически необходимого для полного сжигания (α=0,05-0,15). Парогазовые продукты пиролиза, образующиеся в пиролизной камере, поступают в горелку топочного устройства, находящейся вне установки.
Недостатками заявленного способа являются необходимость жесткого контроля воздушного режима в камере нагрева для предотвращения выпадения в плотный слой, перехода в кипящий слой или избыточного уноса недосушенных частиц. Схема подачи рециркулирующей смеси пиролизных газов и воздушного дутья в камеру пиролиза вообще нереализуема, так как будет препятствовать выпадению твердых частиц из циклона в камеру пиролиза и увеличивать их унос из циклона.
Термическая переработка измельченной биомассы в вихревых установках является одним из вариантов быстрого пиролиза, который в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (350…700°С), в результате чего происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиз угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур.
Окислительный пиролиз биомассы - это процесс термического разложения отходов при их частичном сжигании и непосредственном контакте с продуктами сгорания топлива. Этот процесс является одной из промежуточных стадий процесса газификации, в которой газообразные продукты разложения биомассы смешиваются с продуктами сгорания части углерода биомассы.
В процессе окислительного пиролиза биомассы образуются:
• биоуголь, который можно использовать в качестве экологически чистого твердого топлива с высокой теплотой сгорания (порядка 25 МДж/кг и выше) или в других целях, например, в схемах биоочистки от различного рода загрязнений в качестве сорбентов, в том числе от нефтяных загрязнений;
• биомасло - получается после обезвоживания жидкого продукта конденсации парогазового продукта пиролиза, может использоваться в качестве печного топлива или промежуточного продукта для выработки более ценных химических продуктов;
• неконденсируемый газовый продукт - смесь углеводородных газов с инертными, что может использоваться в качестве газового топлива или синтез-газа для выработки более ценных продуктов.
Основные особенности технологии окислительного пиролиза состоят в следующем:
• процесс пиролиза требует более низких рабочих температур по сравнению с прямым сжиганием и газификацией;
• процесс пиролиза сопровождается экзотермическими реакциями, в связи с этим для его реализации достаточно нагреть биомассу до температуры 280-300°С - начала автотермического режима выхода летучих;
• теплота сгорания пиролизного газа почти вдвое превышает аналогичный показатель для воздушного или паровоздушного генераторного газа, что позволяет более эффективно его использовать в энергетических агрегатах.
Пиролиз в вихревом потоке окислителя является также окислительным процессом.
Задачей заявленной группы изобретений является получение биоугля для использования его в качестве сорбента или экологически чистого твердого топлива с максимально низкой себестоимостью в промышленном производстве, а также получение тепловой энергии.
Технический результат группы изобретений заключается в получении биоугля для использования его в качестве сорбента с хорошей нефтеемкостью (поглотительной способностью по нефти) и экологически чистого твердого топлива, в качестве основного продукта и парогазового топлива для выработки тепловой энергии, в качестве побочного продукта.
Указанный технический результат в способе получения сорбента на биоугольной основе и тепловой энергии из лузги подсолнечника достигается тем, что тепловую переработку лузги подсолнечника осуществляют вихревым окислительным пиролизом, при этом сушка лузги подсолнечника начинается до поступления в вихревой циклонный реактор, в смесителе. Лузга подсолнечника из приемного бункера посредством безосевого шнекового транспортера поступает в подающий бункер, затем шнековым питателем в смеситель, куда одновременно поступают горячие парогазовые продукты пиролиза, отбираемые за воздухоохлаждаемым циклоном, затем смесь лузги подсолнечника и парогазовых продуктов пиролиза проходит через вентилятор рециркуляции и подается через прямоточную горелку с рассекателем в вихревой циклонный реактор, в котором начинается окислительный пиролиз при температурах 300-400°С. Одновременно с вводом лузги подсолнечника в эту же зону вихревого циклонного реактора тангенциально подается горячий воздух вторичного дутья, подогретый в кожухе охлаждения воздухоохлаждаемого циклона, а заканчивается окислительный пиролиз в воздухоохлаждаемом циклоне при температурах 330-420°С, при этом в нем происходит одновременное отделение от парогазовых продуктов пиролиза твердых частиц, которые падают в теплоизолированный бункер сбора и представляют собой сорбент на биоугльной основе, а парогазовые продукты окислительного пиролиза выходят из воздухоохлаждаемого циклона и покидают установку.
Указанный технический результат в установке для производства сорбента на биоугольной основе и тепловой энергии из лузги подсолнечника, достигается тем, что установка снабжена системой подачи сырой лузги подсолнечника, включающей смеситель, вентилятор рециркуляции, прямоточную горелку; системой вихревого окислительного пиролиза, включающей вихревой циклонный реактор, сопла с тангенциальной подачей вторичного дутья, циклон, выполненный воздухоохлаждаемым; системой сбора и отвода сорбента на основе биоугля, включающей теплоизолированный бункер сбора, водоохлаждаемый безосевой шнековый транспортер и бункер отгрузки; системой подачи вторичного дутья, включающей высоконапорный вентилятор, кожух охлаждения циклона с линией подачи горячего воздуха в сопла вторичного дутья; системой розжига, включающей теплогенератор и линию подвода воздуха к нему от высоконапорного вентилятора. Вихревой циклонный реактор футерован изнутри жаропрочным бетоном, а наружная поверхность покрыта тепловой изоляцией. Сопла вторичного дутья установлены тангенциально для обеспечения вихревого движения частиц лузги подсолнечника и продуктов пиролиза в вихревом циклонном реакторе. Кожух охлаждения воздухоохлаждаемого циклона выполнен с направляющими ребрами. Управление всеми приводами вентиляторов и шнековых транспортеров осуществляют частотным регулированием.
Наиболее экономически выгодным является производство сорбентов из отходов биомассы, стоимость которых на рынке практически на два порядка выше себестоимости его производства. Исследованиями подтверждаются, что эксплуатационные характеристики сорбентов напрямую зависят от природы сырья, однако, подбирая условия его термообработки, можно оказывать влияние на параметры структуры поглотителя, приводя к преимущественному развитию микро- или макропористой поверхности. Хорошую поглотительную способность по нефти демонстрируют сорбенты с преобладанием макропористой структуры, к которым в значительной мере относятся сорбенты полученные пиролизом подсолнечной лузги - отходом производства подсолнечного масла. Следует отметить природную ценность лузги подсолнечника в качестве сорбента, так даже не подверженная никакой обработкой измельченная лузга подсолнечника обладает нефтеемкостью равной 1,6 г/г. Нефтеемкость сорбентов из термически обработанных (прошедших процесс пиролиза) лузги подсолнечника составляет примерно 3,8-4,0 г/г. Пиролиз химически модифицированной лузги подсолнечника, например суспензией гидрооксида кальция, повышает ее нефтеемкость до 5,2 г/г (Долгих О.Г. Использование адсорбционных технологий и углеродных адсорбентов на основе лузги подсолнечной в системах очистки нефтезагрязненных вод / Автореф. дис. … канд. тех. наук, СевКазГТУ. - Краснодар, 2011. - 24 с.). Быстрый пиролиз характеризуется резким прогревом частиц биомассы до температур 300-400°С, при котором мгновенно испаряется внешняя влага пиролизуемого сырья, которая вскрывает в частицах значительное количество макропор.
На чертеже (Фиг. 1) представлена схема установки для производства сорбента на биоугольной основе и тепловой энергии из лузги подсолнечника на основе вихревого окислительного пиролиза. Основными узлами установки являются: приемный бункер 1, безосевой шнековый транспортер 2, подающий бункер 3, шнековый питатель 4 подачи лузги подсолнечника из приемного бункера 1 в смеситель 5, вентилятор рециркуляции парогазовых продуктов пиролиза 6, футерованный изнутри жаропрочным бетоном вихревой циклонный реактор 8, прямоточная горелка 7 с рассекателем расположенная в торцевой стенке вихревого циклонного реактора 8 и соплами вторичного дутья 9; воздухоохлаждаемый циклон 10, теплоизолированный бункер сбора 11, водоохлаждаемый безосевой шнековый транспортер 12 и бункер отгрузки 13; высоконапорный вентилятор 14 вторичного дутья подающий воздух через кожух охлаждения циклона в сопла 9 с тангенциальным вводом вторичного воздуха в вихревой циклонный реактор 8, теплогенератор 15 для розжига установки, включающий линию подвода воздуха (на схеме не показана) к нему от высоконапорного вентилятора 14.
Основными решениями, принятыми в заявленной установке для производства сорбента на биоугольной основе и тепловой энергии из лузги подсолнечника на основе быстрого вихревого пиролиза являются:
• масштабируемость ее вихревого циклонного реактора 8 и возможность разработки более мощных установок, производительностью до 2-х - 3-х т/ч;
• использование в качестве агента первичного дутья для транспортировки лузги подсолнечника горячих парогазовых продуктов пиролиза, отбираемых за воздухоохлаждаемым циклоном 10;
• лузгу подсолнечника из приемного бункера 1 безосевым шнековым транспортером 2 подают в смеситель 5, в котором она подхватывается горячим парогазовым потоком управляемым вентилятором рециркуляции парогазовых продуктов пиролиза 6 и направляется в прямоточную горелку 7 с рассекателем;
• так как при окислительном пиролизе окисление лузги подсолнечника и летучих продуктов пиролиза продолжаются в циклоне 10, то он выполнен воздухоохлаждаемым, при этом воздух, охлаждая корпус циклона, уже горячим направляется в сопла вторичного дутья 9;
• сопла вторичного дутья 9 установлены тангенциально и образуют вихревое движение частиц лузги подсолнечника в вихревом циклонном реакторе 8;
• управление всеми приводами вентиляторов и шнековых транспортеров осуществляется частотным регулированием, что позволяет максимально автоматизировать работу установки.
Способ производства сорбента на биоугольной основе и тепловой энергии из лузги подсолнечника на установке для реализации этого способа работает следующим образом.
Лузгу подсолнечника подают из приемного бункера 1 безосевым шнековым транспортером 2 в подающий бункер 3, откуда шнековым питателем 4 лузгу подсолнечника направляют в смеситель 5. В этот же смеситель 5 подают горячие парогазовые продукты пиролиза, отбираемые после воздухоохлаждаемого циклона 10. Смеситель 5 расположен перед вентилятором рециркуляции парогазовых продуктов пиролиза 6 и находится под разряжением, создаваемым этим вентилятором. При этом, при прохождении через вентилятор рециркуляции, в нем интенсифицируется сушка лузги подсолнечника.
В данной схеме отбираемые вентилятором рециркуляции 6 горячие парогазовые продукты пиролиза выполняют роль несущего дутьевого агента. Смесь лузги подсолнечника и парогазовых продуктов пиролиза проходит через вентилятор рециркуляции 6 и направляется им в прямоточную горелку 7 с рассекателем. Одновременно, на линии от смесителя 5 до вихревого циклонного реактора 8 начинается процесс сушки сырого продукта. Температура отбираемых парогазовых продуктов пиролиза составляет примерно 300°С. Эта схема подачи лузги подсолнечника парогазовыми продуктами пиролиза в вихревой циклонный реактор 8 была экспериментально апробирована в опытно-промышленной установке.
Одновременно с вводом лузги подсолнечника в эту же зону вихревого циклонного реактора 8 осуществляется подача вторичного дутья через сопла вторичного дутья 9. Подачу холодного воздуха в воздухоохлаждаемый циклон 10 осуществляют высоконапорным вентилятором 14. Воздух, под напором от высоконапорного вентилятора 14 винтовым потоком, осуществляемым направляющими ребрами в кожухе охлаждения циклона 10, обеспечивает надежность работы металла корпуса воздухоохлаждаемого циклона 10 и нагревается до 330-420°С, откуда он затем поступает в сопла вторичного дутья 9 и этими соплами тангенциально вводится в вихревой циклонный реактор 8, образуя вихревой поток. Расчетная скорость воздуха на срезе сопел составляет примерно 40-50 м/с.
Внутреннюю поверхность вихревого циклонного реактора 8 футеруют жаропрочным бетоном, а наружная поверхность покрыта тепловой изоляцией. В рабочем режиме внутренняя поверхность вихревого циклонного реактора 8 раскалена и частички лузги подсолнечника, попадая во фронтовую его часть, подхватываются вихревым потоком и двигаются к выходу из него, при этом время нахождения в нем частиц не превышает 3-4-х секунд, а процесс пиролиза происходит при температурах 300-400°С. В вихревом потоке циклонного реактора 8 одновременно проходят две разнонаправленные группы реакций - экзотермические реакции окисления горючих элементов и эндотермические реакции сушки и разложения углеводородных цепочек. Контроль температуры в реакторе осуществляют поддержанием оптимального соотношения «топливо-воздух».
Продолжение окислительного пиролиза осуществляется в воздухохлаждаемом циклоне 10, в котором одновременно с дальнейшим окислением продуктов пиролиза при температурах 330-420°С происходит отделение твердых частиц от парогазовых продуктов пиролиза. Твердые полукоксовые частицы падают вниз в теплоизолированный бункер сбора биоугля 11, где процесс окисления прекращается из-за отсутствия окислителя, а парогазовые продукты пиролиза выводятся из воздухоохлаждаемого циклона 10 и отправляются для сжигания в горячем виде в котле не входящим в состав установки, что повышает КПД самого процесса утилизации установки в целом. Время нахождения твердых частиц в зоне окислительного пиролиза в воздухоохлаждаемом циклоне 10 составляет примерно 1-2 сек. Биоуголь из теплоизолированного бункера сбора 11 отводят водоохлаждаемым безосевым шнековым транспортером 12 в бункер отгрузки 13.
Процесс розжига установки осуществляют с использованием теплогенератора 15, представляющего собой двухтопливное вихревое топочное устройство, оборудованное газовой горелкой и колосниковой решеткой. Воздух для горения в процессе розжига отбирается из напорной части высоконапорного вентилятора 14 (эта линия на схеме не показана). Оптимальным является работа теплогенератора 15 на баллонном или природном газе. При отсутствии природного или баллонного газа розжиг можно производить на древесном топливе (щепа, стружки, мелкокусковая древесина). Розжиг длится примерно 10-20 минут в зависимости от вида топлива. При достижении устойчивого горения лузги подсолнечника в вихревом циклонном реакторе 8 и выходе на рабочий температурный режим теплогенератор 15 отключают.
Управление всеми приводами вентиляторов и шнековых транспортеров осуществляют частотным регулированием.
Теплотехнические характеристики биоуглей, отобранных в процессе испытаний опытно-промышленной установки следующие:
r
- влажность на рабочую массу, W=6,1-6,5%;
r
- зольность, A=3,0-3,9%;
daf
- выход летучих, V=18,7-23,9%.
Элементные составы сухой беззольной массы биоуглей, отобранных в процессе испытаний были следующими:
daf
- азот, N=0,9%;
daf
- углерод, C=71,4-74,8%;
daf
- водород, H=2,6-3,0%;
daf
- сера, S=0,1%;
daf
- кислород в органической массе, O=22-24,6%.
Низшая теплота сгорания биоуглей - 6050-6270 ккал/кг.
Себестоимость производства сорбента на биоугольной основе по своим теплотехническим характеристикам сравнима с древесным углем марки В и составляет примерно 2500 руб. за тонну. Производимый сорбент на биоугольной основе получается мелкозернистым с низкой плотностью -примерно 90-100 кг в одном кубическом метре. В этом виде полученный сорбент может отлично использоваться в качестве биосорбента с хорошей нефтеемкостью при очистке грунтов и вод от углеводородных разливов и загрязнений тяжелыми металлами, а также в виде экологически чистого твердого топлива в качестве основного продукта и парогазового топлива для выработки тепловой энергии, в качестве побочного продукта.