УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОТОПЛИВА
PLANT FOR BIOFUEL PRODUCTION

Изобретение относится к области современных технологий получения биотоплива из нетрадиционных природных источников путем проведения процесса гидротермального сжижения микроводорослей, которые представляют собой один из перспективных источников сырья для получения возобновляемого биотоплива.
Постоянно возрастающий спрос на энергию, в частности на традиционные источники энергии - нефть, газ и другие энергоресурсы является движущим фактором изыскания новых средств и материалов для получения энергии, разработку современных технологий переработки имеющихся на земле сырьевых материалов и возможностей их вторичного использования. Использование природных видов флоры, таких как микроскопических и воспроизводимых естественным или искусственным способом водорослей, в качестве сырья для получения дополнительной энергии является одним из перспективных направлений в области биоэнергетики.
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 (т.е. «времени удерживания»). 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 (RU 2575707, 2013).
Недостатком известного устройства получения биотоплива являются высокие энергетические затраты, сложность схемной и конструктивной реализации и 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.
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является 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 (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 эффективность, вследствие больших тепловых потерь.
Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена утилизация газообразных продуктов гидротермального сжижения, что отрицательно отражается на показателях экологичности работы установки.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение производительности, энергоэффективности, экологичности технологии производства биотоплива, а также повышение выхода биотоплива.
Указанная проблема решается тем, что установка для производства 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.
Достигаемый технический результат заключается в обеспечении непрерывности процесса производства биотоплива, утилизации побочных газообразных продуктов внутри контура технологической цепи установки и в исключении использования опасных органических растворителей.
Сущность предлагаемой установки для производства биотоплива поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема установки.
Установка для производства биотоплива содержит камеру предварительной обработки исходного сырья 1 с установленными в ней мешалкой 2 и источником светового излучения 3, и с линиями ввода воды 4 и биомассы водорослей 5 из фотобиореактора (на чертеже не показан), блок гидротермального сжижения, состоящий из двух реакторов 6, заполненных гетерогенным катализатором 7 и работающих поочередно в режиме гидротермального сжижения и в режиме регенерации катализатора, узел нагрева реакторов, выполненный в виде установленных в полостях реакторов 6 горелок 8, и блок сбора и сепарации биотоплива 9 с размещенным в нем узлом охлаждения в виде змеевика 10.
Выходы емкости 11 с водой и камеры предварительной обработки исходного сырья 1 через регулируемые клапаны 12 подсоединены к насосу высокого давления 13, выход которого подключен посредством байпасной линии 14 через управляемый клапан 15 к камере предварительной обработки исходного сырья 1 и к одному из концов змеевика 10, другой конец которого подсоединен через управляемые клапаны 16 к входам реакторов 6 с образованием замкнутого контура циркуляции полученного продукта предварительной обработки исходного сырья. Линия выхода газообразных продуктов 17 из блока сбора и сепарации биотоплива 9 совместно с линиями подачи топлива 18 и воздуха 19 подсоединена к линии питания горелок 20, на которой установлены регулируемые задвижки 21, связанные с коммутирующим элементом 22, осуществляющим открытие и закрытие задвижек 21.
На чертеже позициями 23 обозначены предохранительные клапаны реакторов 6. Нижние выходы 24 реакторов 6 через регулируемые клапаны 25 подключены к входу блока сбора и сепарации биотоплива 9, а также через регулируемые клапаны 26 к линии вывода продуктов сгорания 27. По линии 28 осуществляется выпуск биотоплива из блока сбора и сепарации биотоплива 9.
Предлагаемая установка для производства биотоплива работает следующим образом.
2
Исходное сырье, представляющее собой влажную биомассу водорослей, поступает по линии ввода биомассы водорослей 5 в камеру предварительной обработки исходного сырья 1 из фотобиореактора (на фигуре не показан). Для предотвращения процесса аммонификации свежих микроводорослей в предлагаемой установке гидротермальной переработки биомассы в биотопливо используется камера предварительной переработки исходного сырья 1 в суспензию, оснащенная механической мешалкой 2 и источником светового излучения 3 с интенсивностью не менее 5 Вт/м.
Суспензию биомассы водорослей в камере предварительной обработки исходного сырья 1 доводят до состояния с содержанием влаги 90-97% для уменьшения гидравлического сопротивления в трубопроводах. При этом воду из емкости 11 подают насосом высокого давления 13 по линии 14 через регулируемый клапан 15 в камеру предварительной обработки исходного сырья 1.
Подготовленную водную суспензию биомассы водорослей из камеры предварительной обработки исходного сырья 1 подают насосом высокого давления 13 через змеевик 10 в блок гидротермального сжижения, состоящий из двух реакторов 6, заполненных гетерогенным катализатором 7 и работающих поочередно в режиме гидротермального сжижения и в режиме регенерации катализатора. Переключение с подачи в насос высокого давления 13 воды на подачу в него подготовленной водной суспензии биомассы водорослей и обратно осуществляют путем переключения регулируемых клапанов 12. Переключение между подачей из насоса высокого давления 13 по линии 14 в камеру предварительной обработки исходного сырья 1 и из насоса высокого давления 13 через змеевик 10 в блок гидротермального сжижения осуществляют путем переключения регулируемого клапана 15 и регулируемых клапанов 16.
Перед подачей подготовленной водной суспензии биомассы водорослей в первый реактор 6, его нагревают с помощью газовой горелки 8 первого реактора 6 до температуры 455-600°С. Процесс гидротермального сжижения ведут при давлении 10-30 МПа в течение 1-9 минут до образования продуктов сжижения.
Полученные продукты сжижения выводят в блок сбора и сепарации биотоплива 9. После этого первый реактор 6 переводят на режим регенерации гетерогенного катализатора 7, который осуществляют в процессе нагрева реактора до температуры 455-600°C с помощью газовой горелки 8 первого реактора 6.
После перевода первого реактора 6 на режим регенерации катализатора 7, подготовленную водную суспензию биомассы водорослей из камеры предварительной обработки исходного сырья 1 подают во второй реактор 6, и проводят процесс гидротермального сжижения во втором реакторе 6 аналогично описанному выше способу. Процесс регенерации гетерогенного катализатора осуществляют после вывода продуктов сжижения из реакторов 6. Далее описанный цикл смены режимов работы реакторов 6 повторяют. При этом управление режимами работы горелок 8 реакторов 6 осуществляется посредством коммутирующего элемента 22, который управляет открытием и закрытием задвижек 21. Питание газовых горелок 8 осуществляют по линии питания 20 смесью, состоящей из природного газа, поступающего по линии 18, воздуха, поступающего по линии 19, и газообразных продуктов гидротермального сжижения, поступающих по линии 17.
Охлаждение полученных продуктов сжижения происходит за счет теплообмена с подготовленной водной суспензией биомассы водорослей, которая из камеры предварительной обработки исходного сырья 1 посредством насоса высокого давления 13 через змеевик 10 поступает в реакторы 6. В результате происходит подогрев подготовленной водной суспензии биомассы водорослей в змеевике 10 до температуры 50-200°С. Таким образом, тепловая энергия передается от продуктов сжижения к подготовленной водной суспензии биомассы водорослей, что повышает энергоэффективность процесса.
Продукты гидротермального сжижения выводят через регулируемые клапаны 25 из соответствующего реактора 6 по линии выхода 24 в блок сбора и сепарации биотоплива 9. Продукты сгорания из реакторов 6 выводятся на утилизацию через нижние выходы 24 по линии вывода продуктов сгорания 27 через регулируемые клапаны 26.
По линии 28 из блока сбора и сепарации биотоплива 9 осуществляют вывод смеси биотоплива и водного раствора.
Непрерывность технологического процесса в предлагаемой установке для производства биотоплива обеспечивается двумя попеременно работающими реакторами автоклавного типа, соединенными между собой по параллельной схеме. На всех этапах переработки сырья в биотопливо осуществляется контроль и поддержание требуемых параметров давления и температуры с помощью установленных приборов и автоматизированной системы контроля и управления (на чертеже не показаны).
Таким образом, использование двухреакторной схемы, прямого нагрева реакторов и подогрева подготовленной водной суспензии биомассы водорослей в процессе охлаждения продуктов сжижения обеспечивают уменьшение энергетических затрат на получение биотоплива.
Кроме того, использование прямого нагрева реакторов с помощью газовых горелок и утилизация в данных горелках газообразных продуктов гидротермального сжижения снижают негативное воздействие на окружающую среду от газообразных выбросов от установки для производства биотоплива.
Совмещение процесса прямого нагрева реакторов с помощью газовых горелок и процесса регенерации катализатора обеспечивают упрощение технологического цикла работы установки для получения биотоплива.
Предлагаемая установка имеет следующие технические параметры. Максимальная температура эксплуатации реактора - 600°С, максимальное давление эксплуатации реактора - 30 МПа. Температуру внутри реактора измеряют с помощью температурных датчиков, которые находятся в специальных трубках (гильзах), погруженных внутрь реактора.
Продуктами гидротермального сжижения являются: жидкое биотопливо (бионефть), водный раствор с растворенными органическими соединениями, нерастворенный твердый остаток и газообразный продукт. Газообразный продукт гидротермального сжижения отделяется от конденсированных продуктов и направляется на утилизацию путем прохождения через горелки. Таким образом, существенным образом снижается негативное воздействие на окружающую среду, в частности от газообразных продуктов гидротермального сжижения, в состав которых, как показывают экспериментальные исследования, могут входить такие газы, как метан, аммиак и другие горючие газы. Сепарацию бионефти от водного раствора и твердого остатка осуществляют с применением центрифуги или путем фильтрации с помощью бумажных фильтров.
Таким образом, в предлагаемой установке не требуется сушка исходного сырья. Наоборот, суспензия микроводорослей доводится до состояния с содержанием влаги 90-97% для уменьшения гидравлического сопротивления при выводе продуктов гидротермальной переработки из реакторов.
После гидротермальной переработки процесс отделения полезного продукта (биотоплива) является простым и энергетически менее затратным, чем механическое или термическое отделение микроводорослей от воды. Высокая термодинамическая эффективность процесса гидротермального сжижения микроводорослей на предлагаемой установке достигается за счет прямого контакта сначала продуктов сгорания природного газа с гетерогенным катализатором, а затем контакта гетерогенного катализатора с исходными реагентами. В результате, реализованная на предлагаемой установке схема позволяет экономить до 35% тепловой энергии затрачиваемой на гидротермальную переработку, что делает данный процесс энергоэффективным и более выгодным по сравнению с сушкой исходного сырья при атмосферном давлении.
Таким образом, предложенная схема установки с использованием гетерогенного катализатора, в том числе, для передачи тепла от продуктов сгорания к исходным реагентам, обеспечивает одновременно, как высокую энергетическую эффективность процесса гидротермальной переработки, так и получение продукта с более высоким выходом и улучшенными характеристиками.
Изобретение позволяет повысить выход биотоплива более чем на 10-20% масс. при высоком качестве целевого продукта.
Полученное биотопливо (бионефть) может быть использовано непосредственно при компаундировании с потоками традиционной (ископаемой) нефти, либо реализована на рынке, как самостоятельный продукт.
При этом предложенная установка обеспечивает непрерывность процесса производства биотоплива в технологической цепи и предусматривает утилизацию газообразных продуктов гидротермального сжижения биомассы в газовой горелке, что повышает экологичность предлагаемой технологии.