УСТАНОВКА И СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ БИОМАССЫ
BIOMASS UTILISATION PLANT AND METHOD

Изобретение относится к устройствам и способам для переработки отходов, преимущественно биомассы, путем газификации с получением жидких и газообразных горючих продуктов, используемых в качестве топлива или промежуточных полупродуктов для химического синтеза или жидких моторных топлив.
Известен способ и аппарат переработки отходов (US 6190429, F27B, 20/02/2001) путем газификации, включающий стадии газификации отходов в реакторе кипящего слоя при сравнительно низкой температуре, подачи газов и угля, полученных в реакторе кипящего слоя, в высокотемпературную камеру сгорания, получения низко- или среднекалорийного газа в высокотемпературной камере сгорания при сравнительно высокой температуре. В реакторе кипящего слоя предпочтительно используется кипящий слой с продольной циркуляцией частиц. Высокотемпературная камера сгорания может быть выполнена как вихревая камера сгорания. Температура в реакторе кипящего слоя может быть в интервале 450-800°C. Температура в высокотемпературной камере сгорания может быть 1300°C и выше. К недостаткам известного способа относится высокая температура в камере сгорания (1300°C и выше), что приводит к образованию значительного количества оксидов азота в дымовых газах, а также сложность установки и способа переработки.
Известны способ и установка для переработки отходов путем сушки, сублимации, окисления и сжигания (US 5806444, F23G 015/00, 15.09.1998). Установка для осуществления метода включает печь с камерой внутри для кипящего слоя частиц, средства для рециркуляции частиц слоя, устройство для смешения частиц и отходов, покрытия циркулирующих частиц слоя отходами, сушки отходов, средства для подачи отходов в печь из устройства сушки отходов. Изобретение применимо для переработки влажных отходов, в особенности шламов. Недостатками установки для осуществления способа является сложность рециркуляции частиц кипящего слоя и подготовка отходов к переработке. Дополнительно отходящие из установки газы загрязняются газовыми выбросами, образующимися при сушке отходов.
Известен способ переработки биомассы или отходов и устройство для его осуществления с получением энергии, а именно пара и/или электричества путем сжигания биотоплива или отходов с минимальными выбросами вредных или токсичных соединений (US 5626088, F23G 007/00, 06.05.1997). Основные решения известного способа предусматривают: газификацию биотоплива или отходов в газификаторе с циркулирующим псевдоожиженным слоем; стандартный бойлер для сжигания топлива, имеющий горелку для сжигания пылевидного угля или нефти (или природного газа в его нижней части), и средства для сжигания газа, полученного в газификаторе, расположенные выше горелки. Биотоплива или отходы газифицируют в кипящем слое, например, угольной золы, выделенной из топки бойлера, или других твердых частиц. Недостатками известного устройства и способа являются необходимость дополнительного оборудования для очистки сырого газа газификации от токсичных компонентов, относительно высокие температуры сжигания 800-1050°C в бойлере, не предотвращающие образование термических и топливных оксидов азота, а также CO при малых избытках воздуха при горении (5-10%) (особенно при горении дополнительного топлива в виде пылевидного угля).
Наиболее близкой по технической сущности является установка для газификации биомассы (RU 76424, F23G 7/00, F27B 15/00, 02.04.2008), включающая вертикальный цилиндрический реактор со слоем твердых частиц в его нижней части, оборудованный средствами подачи среды под давлением (воздуха, паровоздушной смеси, инертного газа) в слой твердых частиц, а также средствами для сбора горючих продуктов газификации, расположенных в его верхней части. Реактор для газификации биомассы расположен коаксиально внутри кольцевого реактора, содержащего слой гранулированного катализатора полного окисления в его нижней части, и оборудованный газораспределительной решеткой и средствами для подачи топлива, например дизельного, и воздуха в слой катализатора, а также средствами для сбора продуктов сгорания, расположенных в его верхней части. Преимущественно, выход внутреннего реактора (средства для сбора горючих продуктов газификации) дополнительно снабжен каналом для подачи части продуктов газификации в качестве дополнительного топлива в нижнюю часть внешнего реактора. Преимущественно, внутренний реактор дополнительно оборудован циклоном и емкостью для сбора твердых продуктов газификации биомассы, а внешний реактор дополнительно оборудован циклоном и емкостью для сбора твердых продуктов горения топлива. В частном случае дно внутреннего реактора выполнено в виде конуса с острым углом, например 30°.
Недостатками установки являются небольшая внешняя поверхность реактора газификации, необходимая для передачи теплоты из кольцевого реактора. Это приводит к увеличению высоты кипящего слоя твердых дисперсных частиц и катализатора и, соответственно, высоты реакторов и, как следствие, к увеличению энергетических затрат на дутьевое оборудование для обеспечения кипения слоя. Дополнительно возрастает расход дисперсных частиц и дефицитного дорогостоящего катализатора полного окисления. При сжигании части биомассы в реакторе газификации происходит разбавление газообразных продуктов газификации азотом воздуха и снижение их теплотворной способности.
К недостаткам установки относятся также сложность регулирования температуры в кипящем слое и неоднородность слоя за счет газовых пузырей, которая приводит к увеличению выбросов токсичных веществ с дымовыми газами при горении топлив в кольцевом реакторе и снижению степени газификации биомассы в реакторе газификации.
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в разработке способа и установки для утилизации биомассы, эффективно использующей тепло при сжигании топлива с обеспечением экологической безопасности отходящих дымовых газов и позволяющая уменьшить расход катализатора полного окисления.
Задача решается конструкцией установки для утилизации биомассы путем газификации или пиролиза, в которой вертикальный цилиндрический реактор со слоем твердых частиц в его нижней части, оборудованный средствами для подачи биомассы и среды под давлением (воздуха, паровоздушной смеси, инертного газа) в слой твердых частиц, а также средствами для сбора горючих продуктов газификации на выходе в его верхней части, расположенный коаксиально внутри кольцевого реактора, содержащего слой гранулированного катализатора полного окисления в его нижней части, и оборудованный газораспределительной решеткой и средствами для подачи топлива и воздуха в слой катализатора, а также средствами для сбора продуктов сгорания, расположенных в его верхней части. К внешней поверхности внутреннего реактора приварены плоские ребра из материала корпуса реактора, а между патрубками для подачи биомассы и среды под давлением размещена газораспределительная решетка, над которой располагается организующая насадка, неизотермическая решетка и теплообменник, а в патрубок для подачи среды под давлением направляются газообразные продукты газификации. Кольцевой реактор в нижней части содержит частицы катализатора глубокого окисления веществ в смеси с дисперсными частицами инертного материала в соотношении 20-90 мас.% катализатора и 10-80 мас.% инертного материала, а над газораспределительной решеткой располагается организующая насадка, неизотермическая решетка и теплообменник.
Задача решается также способом утилизации биомассы путем использования вышеописанной установки.
На Фиг. изображена схема установки для утилизации биомассы.
Установка состоит из реактора 1 с газораспределительной решеткой 2, на которую загружают дисперсные частицы 3. Над газораспределительной решеткой 2 располагаются организующая насадка 4, неизотермическая решетка 5 и теплообменник 6, охлаждаемый водой. На внешней поверхности реактора приварены плоские ребра 7. Над газораспределительной решеткой 2 ниже организующей насадки 4 расположен ввод устройства для подачи биомассы 8. Газы после выхода из верхней части реактора 1 отделяются от твердых продуктов в циклоне 9, а жидкие продукты конденсируются в теплообменнике 10. После теплообменника 10 газодувкой 11 газы газификации частично подаются под газораспределительную решетку 2. Реактор 1 расположен коаксиально внутри кольцевого реактора 12. Реактор 12 также снабжен газораспределительной решеткой 13, на которой расположен слой дисперсного катализатора полного окисления 14. Под газораспределительную решетку 13 вводится воздух. Над газораспределительной решеткой расположены ввод топлива (жидкого) 15, ввод части газов газификации 16 и ввод устройства для подачи твердых продуктов газификации 17, выше которых расположены организующая насадка 18, неизотермическая решетка 19 и теплообменник 20. В верхней части реактора расположен выход дымовых газов 21 и далее средства очистки дымовых газов от пыли 22.
Установка работает следующим образом.
Слой частиц катализатора полного окисления 14 в реакторе 12 нагревается за счет внешнего источника теплоты до температуры 300-350°C. Затем под газораспределительную решетку 13 в слой катализатора подается воздух, который приводит слой в псевдоожиженное состояние и одновременно в слой через устройство 15 начинает дозироваться топливо. Температура в слое повышается до 700-750°C. После этого внешний источник теплоты отключается. Температура в слое регулируется расходом топлива. Наличие организующей насадки 18 позволяет полностью окислить топливо до неизотермической решетки 19. В зависимости от параметров неизотермической решетки 19 температура в верхней части псевдоожиженного слоя поддерживается ниже температуры псевдоожиженного слоя под решеткой за счет отвода теплоты теплообменником 20 над решеткой 19, что позволяет снизить температуру слоя и отходящих из реактора дымовых газов в пределе до температуры конденсации паров воды, например 100°C. Теплота, выделяющаяся в псевдоожиженном слое катализатора реактора 12, передается через стенку и ребра 7 в реактор 1 и нагревает слой дисперсных частиц 3. После достижения в реакторе 12 рабочей температуры под газораспределительную решетку реактора 1 газодувкой 11 подается инертный газ для псевдоожижения слоя дисперсных частиц 3, например дымовые газы после циклона 22 через вентиль 23. Избыток дымовых газов сбрасывается через вентиль 24. После вытеснения из реактора 1, циклона 9 и теплообменника 10 кислорода вентиль 23 закрывается, а в слой 3 устройством 8 подается биомасса. В слое 3, организованном насадкой 4, происходит газификация биомассы. Температура в слое 400-750°C поддерживается расходом биомассы, а также отвода теплоты при нагреве воды в теплообменнике 6 над неизотермической решеткой 5. Выделяющиеся при газификации биомассы продукты (твердые, жидкие и газообразные) из реактора 1 направляются на разделение в циклон 9 и теплообменник 10. После циклона 9 твердые продукты направляются на сжигание в реактор 12 или на утилизацию, например, в качестве адсорбента или облагороженного твердого топлива или на захоронение (при полном превращении биомассы до минеральной золы). После теплообменника 10 жидкие продукты направляются на сжигание в реактор 12 или на переработку для получения энергетического или моторного топлива. Газообразные продукты после теплообменника 10 направляются на сжигание в реактор 12 или на переработку в качестве сырья для химического синтеза, например, моторного топлива.
Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами, таблицей и Фиг.
Пример 1
2
4
2
3
2
4
2
3
3
2
В установке, изображенной на Фиг., проводят утилизацию биомассы газификацией методом быстрого пиролиза. В качестве биомассы используют опилки древесины хвойных пород с влажностью 10%. Диаметр внутреннего реактора газификации 1-60 мм. Диаметр внешнего кольцевого реактора 12-122 мм. В реактор 12 загружают алюмомагниймеднохромовый катализатор полного окисления CuMgCrO/AlO со средним диаметром гранул 1,5 мм. Под газораспределительную решетку 13 подают воздух в количестве 28 м/ч. Высота кипящего слоя в реакторе 12 до неизотермической решетки - 0,5 м. В реактор 1 загружают гранулы речного песка со средним диаметром 1,3 мм. Под газораспределительную решетку 2 подают инертный газ в количестве 10 м/ч (дымовые газы после циклона 22 или газы газификации). Высота кипящего слоя в реакторе 1 до неизотермической решетки - 0,5 м. Над газораспределительными решетками в реакторах 1 и 12 размещены организующие насадки в виде пакета решеток из проволоки диаметром 3 мм с ячейкой в свету 20 мм и расстоянием между решетками 30 мм. Высота насадок 300 мм. Над организующими насадками размещают неизотермические решетки в виде пакета решеток из проволоки диаметром 3 мм с ячейкой в свету 10 мм и расстоянием между решетками 10 мм. Высота насадки 60 мм. Над неизотермическими решетками размещают трубчатые теплообменники змеевикового типа, охлаждаемые водой. На внешней стенке реактора 1 приварены теплообменные ребра 7 толщиной 5 мм и высотой 15 мм с общей поверхностью 0,16 м. Слой катализатора в реакторе 12 разогревают до температуры 300°C за счет подогрева воздуха внешним электроподогревателем. Затем в слой реактора 12 начинают дозировать дизельное топливо и доводят температуру в слое до 700-750°C за счет теплоты сгорания топлива. Затем в реактор 1 начинают подавать древесные опилки. В реакторе 1 устанавливают температуру 500°C за счет изменения расхода подаваемых опилок. На выходе реактора 12 фиксируют содержание CO и оксидов азота в дымовых газах. На выходе реактора после теплообменника 10 фиксируют содержание CO, CO, CH, H в газах газификации и количество образующихся жидких продуктов. После циклона 9 фиксируют количество образующихся после газификации твердых продуктов.
Данные по составу продуктов газификации приведены в таблице.
3
3
x
Максимальная производительность по биомассе составляет 25,2 кг/ч при температуре в реакторе 12 - 700°C, а в реакторе 1 - 500°C. Содержание CO в дымовых газах после реактора 1 - 10 мг/м, NO - 5 мг/м.
Пример 2
Аналогичен примеру 1.
С внешней стенки реактора 1 удаляют теплообменные ребра 7. Максимальная производительность реактора 1 по биомассе уменьшается до 10,1 кг/ч.
Пример 3
Аналогичен примеру 1.
3
Из реактора 12 удаляют организующую насадку 18. Концентрация CO в дымовых газах после реактора 12 возрастает до 40-60 мг/м.
Пример 4
Аналогичен примеру 1.
Из реактора 1 удаляют организующую насадку 4. Максимальная производительность реактора 1 по биомассе уменьшается до 22 кг/ч.
Пример 5
Аналогичен примеру 1.
2
4
2
3
x
3
3
В реактор 12 загружают 20 мас.% катализатора CuMgCrO/AlO и 80 мас.% речного песка. Содержание CO в дымовых газах после реактора 1 - 10 мг/м, NO - 5 мг/м.
Пример 6
Аналогичен примеру 1.
2
4
2
3
3
В реактор 12 загружают 10 мас.% катализатора CuMgCrO/AlO и 90 мас.% речного песка. Содержание CO в дымовых газах после реактора 1 увеличивается до 40 мг/м.
Пример 7
Аналогичен примеру 1.
2
4
2
3
В реактор 1 загружают катализатор CuMgCrO/AlO. Количество неконденсирующихся газов увеличивается до 23,3% (таблица).
Пример 8
Аналогичен примеру 1.
2
3
В реактор 1 загружают катализатор γ-AlO. Количество неконденсирующихся газов уменьшается до 5,7% (таблица).
Пример 9
Аналогичен примеру 1.
3
3
2
4
2
3
В реакторе 12 поддерживают температуру 750°C. В реакторе 1 поддерживают температуру 700°C. Под газораспределительную решетку 2 подают газы газификации 5 м/ч и водяной пар 5 м/ч. В реактор 1 загружают катализатор CuMgCrO/AlO. Содержание неконденсирующихся газов увеличивается до 61,1% (таблица).
Таблица
Состав продуктов газификации в мас. %.
Номер примера
Углеродный остаток
Жидкие продукты
Неконденсируемые газы (CH<sub>4</sub>, H<sub>2</sub>, CO, CO<sub>2</sub>)
1
27,4
62,7
9,9
7
26,4
50,3
23,3
8
27,3
67,0
5,7
9
2,7
36,2
61,1
Как видно из приведенных примеров, предлагаемая установка позволяет с сохранением высоты кипящего слоя и, соответственно, энергетических затрат на дутьевое оборудование увеличить максимальную производительность по утилизируемой биомассе. При этом резко сокращается количество используемого дефицитного и дорогостоящего катализатора полного окисления. Дополнительно при использовании катализаторов при газификации биомассы имеется возможность регулировать состав продуктов газификации.