СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ГОРЮЧИХ УГЛЕРОД- И/ИЛИ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ, РЕАКТОР ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) И УСТАНОВКА ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ ГОРЮЧИХ УГЛЕРОД- И/ИЛИ УГЛЕВОДОРОДСОДЕРЖАЩИХ ПРОДУКТОВ
METHOD OF PROCESSING FLAMMABLE CARBON- AND/OR HYDROCARBON-CONTAINING PRODUCTS, REACTOR FOR IMPLEMENTING SAID METHOD (VERSIONS) AND APPARATUS FOR PROCESSING FLAMMABLE CARBON- AND HYDROCARBON-CONTAINING PRODUCTS

Изобретения относятся к области промышленной переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов и могут быть использованы, в частности, для переработки разнообразных техногенных и бытовых отходов, для переработки низкокачественных горючих полезных ископаемых, таких, например, как бурые угли, горючие сланцы и им подобных.
Проблема переработки разнообразных низкокачественных горючих полезных ископаемых, бытовых и техногенных отходов, включающих углеродную и углеводородную составляющие, стоит весьма остро. Разработаны разнообразные способы, позволяющие разложить углерод- и углеводородсодержащие продукты на составляющие, однако при переходе с лабораторных установок на промышленные в составе продукта появляется значительное количество механических примесей разного уровня дисперсности, что делает парогазовую смесь (аэрозоль) несоответствующей по качественным показателям для дальнейшего использования, а затраты на очистку не окупаются экономически. Это является одним из основных сдерживающих факторов промышленной переработки низкокачественных горючих полезных ископаемых, а также углерод- и углеводородсодержащих отходов.
6
Известен способ переработки твердых бытовых отходов путем их газификации, реализованный в реакторе с огнеупорной футеровкой длиной 1600 мм и внутренним диаметром 250 мм, для чего в вертикальную шахтную печь противотоком подают газифицирующий агент, содержащий кислород, отходы (как правило, перемешанные с кусковым топливом) последовательно пребывают в зоне нагревания и сушки, зоне пиролиза, зоне горения (окисления) и зоне охлаждения, причем процесс осуществляют периодически, для чего загрузку отходов и выгрузку твердых продуктов переработки производят после остановки реактора [Описание изобретения к патенту РФ №2079051 от 1994.06.23, МПК F23G 5/027, опубл. 1997.05.10]. Продукт-газ направляют для дальнейшего использования, которое может включать дальнейшую очистку и сжигание его для нагрева, например, парового котла. В итоге обеспечивается эффективная переработка твердых бытовых отходов, в том числе низкокалорийных, без использования дополнительных источников энергии и с получением экологически приемлемых (после соответствующей очистки) продуктов.
Недостатком способа является невозможность его применения для промышленной переработки отходов, недостаточное качество очистки продукт-газа, что осложняет его дальнейшую переработку.
7
Известен способ переработки конденсированных горючих, являющийся модификацией способа по патенту РФ №2079051, для чего в реактор загружают шихту, состоящую из горючих компонентов и кускового твердого негорючего материала, устанавливают газовый поток сквозь загрузку с подачей в реактор газифицирующего агента с кислородом, водяным паром и углекислым газом, и выводят продукты переработки из реактора. Упомянутая загрузка последовательно пребывает в зонах нагревания, пиролиза, коксования, газификации и охлаждения, выгружают из реактора твердые продукты, сжигают по крайней мере часть газообразных, при этом в качестве газифицирующего агента используют дымовой газ в смеси с воздухом и водяным паром, причем управление процессом осуществляют изменением доли дымового газа в газифицирующем агенте [Описание изобретения к патенту РФ №2152561 от 1998.01.22, МПК F23G 5/027, опубл. 2000.07.10]. Отбираемый в верхней части реактора продукт-газ направляют в устройство газоочистки. В результате обеспечивается переработка конденсированных горючих с высокой энергетической эффективностью, высоким выходом ценных продуктов, включая смолы пиролиза и горючий газ.
Недостатком способа является избыточное количество химически несвязанного углерода в твердом остатке на выходе из реактора, высокое содержание воды, диоксида углерода и кислотных компонентов в продукт-газе, что снижает эффективность его дальнейшего использования, а также его низкая производительность.
6
Известен способ переработки изношенных шин, включающий их термическое разложение с образованием парогазовых продуктов и твердого углеродного остатка, разделение их на жидкие и парообразные фазы и твердый углеродный остаток, разделение жидкой фазы на легкую и тяжелую фракции, измельчение углеродного остатка, гранулирование углеродного остатка с использованием смачивающей жидкости, карбонизацию углеродного остатка, а образующиеся в предлагаемом процессе газы и легкие смолы подают на сжигание в топки реактора, карбонизатора и активатора [Описание изобретения к патенту РФ №2142357 от 1998.07.03, МПК. B29B 17/00, C10G 1/10, C08J 11/02, опубл. 1999.12.10]. Парогазовые продукты прокачивают через горячие циклоны, где очищают от дисперсного углерода, и скруббер, где их орошают пиролизной смолой, при этом из парогазовых продуктов конденсируется жидкая фаза, которая стекает в емкость-отстойник. Осветленная пиролизная смола через циклон поступает на орошение в скруббер, а избыток в сборную емкость. Сажесмоляная суспензия собирается в нижней части отстойника, после чего идет на утилизацию в реактор, углеводородная часть которой испаряется и уходит с летучими продуктами в систему конденсации, а дисперсный углерод переходит в остаток. Способ уменьшает объем и спектр выбросов от процесса переработки изношенных шин, однако это достигается за счет серьезного усложнения процесса и увеличения его длительности.
Известен способ экологически чистой утилизации маслоотходов или шламов и иных отходов, содержащих тяжелые, в том числе жидкие, углеводороды [Описание изобретения к патенту РФ №2116570 от 1996.09.25, МПКб F23G 7/00, F23G 7/05, опубл. 1998.07.27]. Выделенные углеводороды в основном свободны от твердых примесей и, как правило, состоят из более легких фракций, чем углеводороды исходных отходов.
Недостатками способа является наличие большого количества жидко-капельных и твердых примесей в продукте переработки, причем, по мере уменьшения размера этих примесей их извлечение становится более трудным или, даже, невозможным.
3
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому способу переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих отходов является промышленный способ их послойной высокотемпературной обработки в реакторе, имеющем полезный объем 18 м, рабочий диаметр 1500 мм и рабочую высоту 10000 мм, в присутствии насадки при подаче кислородсодержащего агента и водяного пара, окисление, коксование и пиролиз горючих составляющих, образование парогазовой смеси и твердых остатков, их охлаждение, отвод и выведение из рабочего пространства реактора, при этом за зоной коксования и пиролиза формируют зону синтеза и гидрирования углеводородов, в зоне коксования и пиролиза выделяют химически несвязанный углерод и в зоне горения обрабатывают его водяным паром с образованием свободного водорода, который подают в зону синтеза и гидрирования, последовательно осуществляя синтез и гидрирование углеводородов [Описание изобретения к патенту РФ №2385343 от 2008.12.10, МПК C10B 49/02, F23G 5/027, опубл. 2010.03.27, бюл. №9].
Недостатком настоящего способа является низкое качество очистки парогазовой смеси, ограничивающее ей дальнейшее использование, а качественная очистка требует непропорциональных затрат, делающих ее неэффективной.
Задача, решаемая первым изобретением группы и достигаемый технический результат заключается в создании очередного экологически чистого способа промышленной переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов, повышении качества очистки парогазовой смеси от твердых и жидкокапельных примесей, увеличении производительности процесса и упрощении его аппаратного оформления.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включающем подготовку шихты из продуктов переработки и их последовательную послойную переработку в реакторе в присутствии насадки при подаче кислородсодержащего агента и водяного пара, и включающем стадии разогрева шихты, пиролиза горючих составляющих, коксования, горения, образования твердого остатка, который выводят из рабочего пространства реактора, образования парогазовой смеси (аэрозоля), в состав которой входит углеродсодержащие частицы, охлаждение парогазовой смеси с осаждением части твердых и жидких частиц и ее выведение из рабочего пространства реактора, на стадии разогрева шихты и коксования и пиролиза формируют зону сорбции аэрозолей, путем, по меньшей мере, орошения верхней части шихты жидкими углеводородсодержащими продуктами и/или добавлением в шихту твердых углеводородсоставляющих продуктов с температурой размягчения выше 60°C и температурой выкипания выше 300°C.
Кроме этого:
- весовое отношение жидких углеводородсодержащих продуктов для орошения верхней части шихты к сумме исходных твердых углеводородсоставляющих продуктов в составе шихты составляет (1-3):10;
- весовое отношение добавленных твердых углеводородсоставляющих продуктов к исходным углеводородсоставляющим продуктам в составе шихты составляет (2-5):10;
- весовое отношение жидких углеводородсодержащих продуктов для орошения верхней части шихты к сумме добавленных твердых углеводородсоставляющих продуктов и исходных углеводородсоставляющих продуктов в составе шихты составляет (1-3):(12-15);
- на выходе из реактора парогазовую смесь подвергают действию центробежных сил;
- в качестве насадки используют известняк с размером фракций 10-80 мм;
- насадка дополнительно содержит химически несвязанный углерод;
- в качестве насадки используют окомкованную золу уноса, содержащую химически несвязанный углерод;
- в качестве насадки используют кольца из жаропрочной стали;
- в качестве жидких углеводородсодержащих продуктов используют, по меньшей мере, отработанные масла и/или органический (верхний) слой нефтешламов и/или жидкие гудроны;
- в качестве добавленных твердых углеводородсоставляющих продуктов с температурой размягчения выше 60°C и температурой выкипания выше 300°C используют, по меньшей мере, твердые отходы нефтепереработки.
Известен реактор для переработки горючих углерод- и углеводородосодержащих отходов, представленный в виде схемы устройства периодического или непрерывного действия для экологически чистой утилизации маслоотходов или шламов и иных отходов [См. описание изобретения к патенту РФ №2116570], которое включает оборудованную соответствующими контрольно-измерительными приборами герметичную рабочую камеру с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи воздуха и водяного пара, горения, коксования, пиролиза, нагрева отходов, отбора парогазовых продуктов с, по меньшей мере, одним каналом отбора и загрузки отходов со шлюзом, причем каждая зона снабжена температурными датчиками, а каналы подачи воздуха и отбора парогазовых продуктов снабжены датчиками давления.
Данному устройству присущи те же недостатки, что и реализованному на нем способу, т.е. в продукте переработки присутствует большое количество твердых и жидкокапельных примесей, включая их мелкодисперсные фракции, делающие оборудование при их извлечении неработоспособным за сравнительно короткий промежуток времени.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому устройству - реактору для переработки горючих углерод- и углеводородосодержащих отходов, - является промышленный реактор, включающий герметичную рабочую камеру с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи воздуха и водяного пара через соответствующие каналы, нагрева воздуха и водяного пара, горения, коксования и пиролиза, синтеза и гидрирования углеводородов, нагрева продуктов переработки, отбора парогазовой смеси с, по меньшей мере, одним каналом отбора, и зоной загрузки продуктов переработки со шлюзом, причем каждая зона снабжена температурными датчиками или датчиками давления [См. описание изобретения к патенту РФ №2385343].
К недостаткам настоящего реактора следует отнести недостаточное качество очистки парогазовой смеси, ограничивающее ее дальнейшую переработку с целью извлечения отдельных компонентов.
Задача, решаемая вторым и третьим изобретениями группы и достигаемый технический результат заключается в создании очередных конструкций реакторов для экологически чистой промышленной переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов, повышении качества очистки парогазовой смеси от твердых и жидкокапельных примесей, увеличении производительности оборудования и упрощении его аппаратного оформления.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в первом варианте реактора для непрерывной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов способом по пп.1-11, включающем герметичную рабочую камеру с загрузочным отверстием в верхней крышке и расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи воздуха и/или кислорода и водяного пара через соответствующие каналы, нагрева воздуха и/или кислорода, горения, коксования и пиролиза, нагрева продуктов переработки, отбора парогазовой смеси с, по меньшей мере, одним каналом отбора загрузки продуктов переработки со шлюзом, причем каждая зона рабочей камеры снабжена, по меньшей мере, одним температурным датчиком, а зоны нагрева воздуха и/или кислорода, и отбора парогазовой смеси снабжены датчиками давления, рабочая камера содержит оснащенную дополнительными температурными датчиками зону сорбции твердых и жидких углерод- и/или углеводородсодержащих частиц.
Кроме этого:
- зона сорбции твердых и жидких углерод- и/или углеводородсодержащих частиц выполнена с возможностью поддерживания рабочей температуры не выше 300°C;
- верхняя часть реактора снабжена устройством подвода жидких углеводородов с их равномерным распределением по сечению реактора;
- шлюз подачи шихты из продуктов переработки выполнен с двумя герметичными, последовательно установленными с образованием промежуточного бункера затворами, расположенными между загрузочным бункером и загрузочным отверстием верхней крышки реактора.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата во втором варианте реактора для непрерывной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов способом по пп.1-11, включающем герметичную рабочую камеру с загрузочным отверстием в верхней крышке и расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи воздуха и/или кислорода и водяного пара через соответствующие каналы, нагрева воздуха и/или кислорода, горения, коксования и пиролиза, нагрева продуктов переработки, отбора парогазовой смеси с, по меньшей мере, одним каналом отбора, и зоной загрузки продуктов переработки со шлюзом, причем каждая зона рабочей камеры снабжена, по меньшей мере, одним температурным датчиком, а зоны нагрева воздуха и/или кислорода, и отбора парогазовой смеси снабжены датчиками давления, рабочая камера содержит оснащенную дополнительными температурными датчиками зону сорбции твердых и жидких углерод- и/или углеводородсодержащих частиц, а верхняя часть реактора снабжена устройством подвода жидких углеводородов с равномерным распределением по сечению реактора.
Кроме этого:
- зона сорбции твердых и жидких углерод- и/или углеводородсодержащих частиц выполнена с возможностью поддерживания рабочей температуры не выше 300°C;
- шлюз подачи шихты из продуктов переработки выполнен с двумя герметичными, последовательно установленными с образованием промежуточного бункера затворами, расположенными между загрузочным бункером и загрузочным отверстием верхней крышки реактора.
Реактор не является окончательной ступенью получения товарного продукта. Для этого он встраивается в соответствующую установку.
Известна установка для переработки конденсированных горючих, включающая реактор, узел подачи сырья, узел выгрузки твердых и негорючих продуктов переработки, узел вывода парогазовой смеси, узел очистки от твердых и жидких углеродсодержащих частиц (как правило, это - циклон), узел конденсации жидких продуктов, сборники-флорентины (водная и органическая фракции) конденсатов и сборник жидких углеводородсодержащих отходов [См. описание изобретения к патенту РФ №2152561].
7
Известна установка для переработки нефтешламов, которая в отличие от предыдущей установки оснащена, по меньшей мере, двумя, связанными между собой циклонами [Описание изобретения к патенту РФ №2229060 от 2002.07.22, МПК F23G 7/05, опубл. 2004.01.27].
Также известна установка для термохимической переработки твердого органического сырья в топливные компоненты, включающая реактор, узел подачи сырья в загрузочное отверстие верхней крышки реактора, узел выгрузки твердых и негорючих продуктов переработки, узел вывода парогазовой смеси, циклон-сепаратор (узел очистки от твердых и жидких углеродсодержащих частиц) для грубой очистки, узел конденсации жидких продуктов, сборники-флорентины (водная и органическая фракции) конденсатов и сборник жидких углеводородсодержащих отходов [Описание изобретения к патенту РФ №2275416 от 2005.03.28, МПК C10L 5/48, F23G 5/027, опубл. 2006.04.27].
К общим особенностям настоящих установок следует отнести недостаточное качество очистки парогазовой смеси, поскольку циклонная очистка не позволяет отделить мелкие взвешенных в газе аэрозольные частицы. Наличие аэрозоля в парогазовой смеси приводит к осаждению смол и сажистого углерода на поверхностях аппаратов (теплообменников, сборников), арматуры, контрольно-измерительных приборов и автоматики, что ограничивает срок их службы и требует неплановых ремонтов.
Задача, решаемая четвертым изобретением группы и достигаемый технический результат заключается в создании очередного технического решения установки для экологически чистой промышленной переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов, повышении качества очистки парогазовой смеси от твердых и жидкокапельных примесей, увеличении производительности оборудования и упрощении его аппаратного оформления.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в установке для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включающая реактор по пп.12-15 или 16-18, с загрузочным отверстием в верхней крышке и со шлюзом подачи шихты из продуктов переработки, узел выгрузки твердых и негорючих продуктов переработки, узел вывода парогазовой смеси, узел очистки от твердых и жидких углеродсодержащих частиц циклонного типа для грубой очистки, узел конденсации жидких продуктов, сборники-флорентины конденсатов и сборник жидких углеводородсодержащих отходов, между узлом очистки от твердых и жидких углеродсодержащих частиц циклонного типа и узлом конденсации жидких продуктов расположен дополнительный узел очистки парогазовой смеси, состоящий из центробежного сепаратора тонкой очистки и, по меньшей мере, одного циклона селективного типа, при этом сборник жидких углеводородсодержащих отходов снабжен устройством их подачи в распределительное устройство верхней крышки реактора. Кроме этого, сборники-флорентины снабжены устройством подачи водной и/или органической фракции в зону горения реактора.
Изобретения иллюстрируются чертежами, где:
- на фиг.1 показан реактор для непрерывной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов;
- на фиг.2 - вариант исполнения реактора фиг.1, оснащенного устройством подвода жидких углеводородов;
- на фиг.3 показано схематическое изображение реактора с выделенными характерными зонами;
- на фиг.4 изображена установка (технологическая линия) для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов на основе реакторов фиг.1 или фиг.2.
Способ переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов реализован на соответствующих устройствах - двух вариантах реакторов и специальной установке.
Реактор для непрерывной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов по первому варианту изобретения включает герметичную рабочую камеру 1 с загрузочным отверстием 2 в верхней крышке 3 и расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: 4 - выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном 5; 6 - подачи воздуха (и/или кислорода) через каналы 7; 8 - подачи водяного пара через каналы 9; 10 - нагрева воздуха (и/или кислорода); 11 - горения; 12 - коксования и пиролиза; 13 - нагрева продуктов переработки; 14 - отбора парогазовой смеси с, по меньшей мере, одним каналом 15 отбора, и зоной 16 - загрузки продуктов переработки со шлюзом 17 подачи шихты из продуктов переработки (узел подачи сырья), причем каждая зона рабочей камеры 1 снабжена, по меньшей мере, одним температурным датчиком 18, а зоны 10 - нагрева воздуха, и 14 - отбора парогазовой смеси снабжены датчиками давления 19, при этом рабочая камера 1 содержит оснащенную дополнительными температурными датчиками 20 зону 21 - сорбции твердых и жидких углерод- и/или углеводородсодержащих частиц, которая выполнена с возможностью поддерживания рабочей температуры не выше 300°C - температуры кипения некоторых углеводородов, таких, как твердые отходы нефтепереработки, типа битумов.
В случае недостатка количества низкокипящих углеводородов в зоне 21 - сорбции твердых и жидких углерод- и/или углеводородсодержащих частиц верхняя часть реактора может быть снабжена устройством 22 подвода со стороны (т.е. извне) жидких углеводородов, например, отработанных масел или органического слоя нефтешламов, жидких гудронов, с их равномерным распределением по сечению реактора.
Шлюз 17 подачи шихты из продуктов переработки выполнен с двумя условно герметичными (т.е. не допускающими утечек в рабочем режиме работы), последовательно установленными с образованием промежуточного бункера 23 затворами 24 и 25, расположенными между загрузочным бункером 26 и загрузочным отверстием 2 верхней крышки 3 реактора. Условная герметичность подразумевает исключение попадания в атмосферу продуктов переработки или, в случае попадания не превышать их предельно допустимые концентрации. Формирования незначительного разрежения при отборе парогазовой смеси в совокупности с имеющимся уровнем герметичности шлюза 17 позволяют говорить об отсутствии экологической нагрузки на окружающую природную среду настоящей технологии.
Реактор для непрерывной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов по второму варианту изобретения включает те же самые элементы, что и в первом варианте, за исключением того, что верхняя часть реактора изначально снабжена устройством 22 подвода жидких углеводородов со стороны (т.е. извне) с равномерным распределением по сечению реактора.
Установка для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов включает один из вариантов реактора, шлюз 17 подачи шихты из продуктов переработки (узел подачи сырья) в загрузочное отверстие 2 его верхней крышки 3, узел 27 выгрузки твердых и негорючих продуктов переработки, узел 28 вывода парогазовой смеси, узел 29 очистки от твердых и жидких углеродсодержащих частиц циклонного типа для грубой очистки, узел 30 конденсации жидких продуктов, сборники-флорентины (водная и органическая фракции) 31 конденсатов и сборник 32 жидких углеводородсодержащих отходов, при этом между узлом 29 очистки от твердых и жидких углеродсодержащих частиц циклонного типа и узлом 30 конденсации жидких продуктов расположен дополнительный узел 33 очистки парогазовой смеси, состоящий из центробежного сепаратора 34 тонкой очистки и, по меньшей мере, одного циклона 35 селективного типа, при этом сборник 32 жидких углеводородсодержащих отходов снабжен устройством (например, насосом) 36 их подачи в устройство верхней крышки 3 реактора (для принудительного распределения через форсунки или самостоятельного распределения самотеком и т.д.)
Дополнительно, сборники-флорентины 31 снабжены устройствами 37 подачи водной и/или органической фракции в зону горения 11 реактора.
Таким образом, способ переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов включает подготовку шихты из продуктов переработки (далее, просто - шихта) и их последовательную послойную переработку в реакторе в присутствии насадки при подаче кислородсодержащего агента и водяного пара, и включает стадии разогрева шихты, пиролиза горючих составляющих, коксования, горения, образования твердого остатка, который выводят из рабочего пространства (рабочей камеры 1) реактора, образования парогазовой смеси (аэрозоля), в состав которой входит углеродсодержащие частицы, охлаждение парогазовой смеси с осаждением части твердых и жидких частиц и ее выведение из рабочего пространства (рабочей камеры 1) реактора, при этом на стадии разогрева шихты и коксования и пиролиза формируют зону 21 - сорбции аэрозолей, путем, по меньшей мере, орошения верхней части шихты жидкими углеводородсодержащими продуктами и/или добавлением в шихту твердых углеводородсоставляющих продуктов с температурой размягчения выше 60°C и температурой выкипания выше 300°C.
Весовое отношение жидких углеводородсодержащих продуктов для орошения верхней части шихты из продуктов переработки к сумме исходных твердых углеводородсоставляющих продуктов в составе шихты составляет (1-3):10, а весовое отношение добавленных твердых углеводородсоставляющих продуктов к исходным углеводородсоставляющим продуктам в составе шихты составляет (2-5):10, причем весовое отношение жидких углеводородсодержащих продуктов для орошения верхней части шихты к сумме добавленных твердых углеводородсоставляющих продуктов и исходных углеводородсоставляющих продуктов в составе шихты составляет (1-3):(12-15). На выходе из реактора (узел 28) парогазовую смесь подвергают действию центробежных сил в узлах 29 и 33 для очистки от твердых и жидких углеродсодержащих частиц.
В качестве насадки используют известняк с размером фракций 10-80 мм. Кроме этого насадка дополнительно содержит химически несвязанный углерод, в частности, в качестве насадки используют окомкованную золу уноса, содержащую химически несвязанный углерод или в качестве насадки используют кольца из жаропрочной стали.
В качестве жидких углеводородсодержащих продуктов используют, по меньшей мере, отработанные масла и/или органический (верхний) слой нефтешламов и/или жидкие гудроны, а в качестве добавленных твердых углеводородсоставляющих продуктов с температурой размягчения выше 60°C и температурой выкипания выше 300°C используют, по меньшей мере, твердые отходы нефтепереработки.
Проанализируем существенные признаки изобретений.
Анализ различных способов переработки углеводородсодержащих отходов или способов очистки газов показал, что на выходе из реакторов в составе парогазовой смеси отмечается наличие аэрозолей.
6
6
В частности в патентах РФ: №2062284 от 23.06.1994, МПК C10B 49/04, C10B 57/04, F23G 5/027, опубл. 20.06.1996 на «Способ переработки горючих отходов типа изношенных шин или подобных резиновых отходов» и №2116570 от 25.09.1996, МПК F23G 7/00, F23G 7/05, опубл. 27.07.1998 на «Способ переработки отходов, содержащих углеводороды» под аэрозолью в составе парогазовой смеси понимают содержание только капельной жидкости, полагая, что твердые частицы отфильтровываются в слое перерабатываемых продуктов и насадки. Соответственно продукт-газ содержит только капли сконденсированных углеводородов.
В других случаях о частицах углерода в составе парогазовой смеси упоминают только тогда, когда они имеют явный положительный или отрицательный эффект.
Так в газификаторе для термической переработки углеродсодержащих отходов и способе их переработки по патенту РФ №2342598 от 27.02.2007, МПК F23G 5/027, F23G 5/32, опубл. 27.12.2008 на «Газификатор для термической переработки углеродсодержащих отходов и способ их переработки» обугливающие частицы центробежной силой отбрасываются на стенки канала с образованием из этих частиц постоянно возобновляемого слоя гарниссажа, который выполняет роль тепловой изоляции и защитного слоя от механического абразивного износа стенок винтового канала.
5
В способе очистки загрязненного горючего газа по патенту РФ №2015158 от 02.04.1990, МПК C10K 1/30, B01D 53/34, B01D 53/36, опубл. 30.06.1994 на «Способ очистки загрязненного горючего газа» наличие частиц углерода в парогазовой смеси дезактивирует катализатор и его заменяют эквивалентным количеством свежего или регенерированного катализатора.
Перечисленные решения не могут быть использованы по причине сложности их реализации и экономической нецелесообразности.
Основная задача непрерывной промышленной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов по настоящему изобретению является получение очищенной от твердых и жидкокапельных примесей парогазовой смеси. Причем любая возможная последующая «традиционная» очистка парогазовой смеси, как заведомо неэффективная, ведущая к осаждению смол и сажистого углерода на поверхностях аппаратов, арматуры, контрольно-измерительных приборов и автоматики во внимание не принимается, как малоэффективная.
В способе непрерывной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов на стадии разогрева шихты и коксования и пиролиза формируют зону 21 сорбции аэрозолей (пылевидных частиц, в т.ч. и сажистого углерода и сконденсированных капель жидкости, выносимых из зоны 11 горения и образующихся при трении движущихся слоев шихты), путем, по меньшей мере, орошения верхней части шихты жидкими углеводородсодержащими продуктами и/или добавлением в шихту твердых углеводородсоставляющих продуктов с температурой размягчения выше 60°C, температурой выкипания выше 300°C и температурой размягчения более 60°C. Реализация этого позволяет задержать в реакторе большую - до 95%, - часть углерод-, углеводородсодержащих и пылевидных твердых и жидкокапельных примесей, которые впоследствии будут окислены в зоне 11 горения, а на выходе из реактора будет получена парогазовая смесь практически пригодная для последующей переработки, включая химическую, например, для получения отдельных веществ.
В специальной литературе механизм сорбции проработан недостаточно ясно, скорее всего, можно исходить из предположения, что одновременно имеют место процессы физической и химической абсорбции и адсорбции.
Весовое отношение жидких углеводородсодержащих продуктов для орошения верхней части шихты к сумме исходных твердых углеводородсоставляющих продуктов в составе шихты должно составлять (1-3):10. Количество углеводородсодержащих продуктов отличное от указанного соотношения приведет к недостаточному качеству очистки парогазовой смеси или к необоснованному перерасходу жидких углеводородсодержащих продуктов, хотя, например, в случае их сознательной переработки это может быть оправдано, правда, тогда у способа появляются особые технологические режимы. То же самое относится и к весовому отношению добавленных твердых углеводородсоставляющих продуктов к исходным углеводородсоставляющим продуктам в составе шихты, которое должно составлять (2-5): 10.
Такой же подход следует учитывать и при орошении жидкими углеводородсодержащими продуктами верхней части шихты, включающей в своем составе твердые углеводородсоставляющие продукты и исходные углеводородсоставляющие перерабатываемые продукты, которые соотносятся, как (1-3):(12-15) - любые отклонения от указанных пределов ведут к серьезному смещению расчетных границ зоны 21 сорбции.
В качестве жидких углеводородсодержащих продуктов используют, по меньшей мере, отработанные масла и/или органический (верхний) слой нефтешламов и/или жидкие гудроны, а в качестве добавленных твердых углеводородсоставляющих продуктов с температурой размягчения выше 60°C и температурой выкипания выше 300°C используют, по меньшей мере, твердые отходы нефтепереработки, такие, как битумы, нефтяные пеки, крекинг-остатки, твердые остатки пиролиза и др. Настоящие продукты являются в своем большинстве отходами различных производств и их переработка в строительные материалы не всегда бывает оправданной.
Механизм снижения содержания аэрозоля в выходящей парогазовой смеси можно объяснить следующим образом. При орошении шихты жидкими углеводородсодержащими продуктами или при плавлении их твердых аналогов образуется пленка жидкости на шихте, которая сорбирует жидкие и твердые частицы аэрозоля и доставляет их в зону 12 коксования и горения.
Очищенную в реакторе парогазовую смесь подвергают действию центробежных сил в узлах 29 и 33, которые позволяют отделить мельчайшие частицы механических примесей, за счет увеличения их кинетической энергии, причем, зачастую, мощностей циклонного оборудования узла 29, осаждающего частицы выше 25 мкм для этого бывает недостаточно - требуется центробежная тонкая сепарация узла 33 - на сепараторе 34, позволяющая отделять частицы с размерами 5-25 мкм, которые после укрупнения попадают в циклоны 35 селективного типа, откуда поступают в общий сборник 38.
Для обеспечения газопроницаемости перерабатываемой шихты используют насадку, в качестве которой можно взять известняк с размером фракций 10-80 мм. В результате реактор будет работать как обжиговая печь и на выходе будет получен порошок окиси кальция, который непосредственно можно использовать при приготовлении строительных смесей, а в парогазовой смеси уменьшится содержание серы в результате реакций:
2
2
CaO+HS→CaS+HO; CaO+S+C→CaS+CO.
Номенклатуру насадок можно расширить путем использования тех из них, в которых имеется химически несвязанный углерод, ярким представителем таких насадок является окомкованная зола уноса, содержащая химически несвязанный углерод. Такой углерод выгорает в реакторе и обезуглероженная насадка становится сырьем для получения, например, высококачественного цемента. Также для переработки высокозольных продуктов в качестве насадки можно использовать кольца типа Рашига из жаропрочных сталей, имеющие большой свободный объем.
В реакторах для непрерывной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов в рабочих камерах формируют специальные зоны с возможностью поддерживания рабочей температуры не выше 300°C - зоны 21 сорбции твердых и жидких углерод- и/или углеводородсодержащих частиц, которые оснащают дополнительными температурными датчиками 20 для управления процессом переработки и очистки парогазовой смеси от примесей. Настоящая зона - 21 - формируется в результате размягчения специально добавленных в состав шихты углеводородсоставляющих продуктов с температурой размягчения свыше 60°С (битумы, нефтяные пеки, крекинг-остатки, твердые остатки пиролиза и др.). Фактически продукты переработки и насадка «смачиваясь» низкоплавкими углеводородами становятся способными сорбировать на своей поверхности разнообразные сопутствующие примеси, как твердые (пыль, сажистый углерод), так и жидкие (жидкокапельная органика). Подбор низкоплавких углеводородов, вводимых в состав шихты, позволяет наделить ранее используемую исключительно для нагрева и коксования и пиролиза шихты зоны 13 и 12 реактора новой функцией - создать из нее эффективный «мокрый» фильтр, - зону 21 сорбции.
Формирование такой зоны 21 стало возможным лишь на реакторах, предназначенных для промышленной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов. Именно здесь, в зонах 13 и 12 нагрева и коксования и пиролиза, благодаря необходимости прогревать большие объемы постоянно подаваемых через шлюз 17 продуктов переработки и пропуску через них для охлаждения парогазовой смеси появилась потребность в увеличении размера зон 13 и 12.
То, что в малогабаритных, малотоннажных реакторах и реакторах периодической загрузки, т.е. в реакторах т.н. «лабораторного» класса, а также в реакторах, перерабатывающих углерод- и/или углеводородсодержащие продукты стабильного химического состава традиционно считалось недостатком, приводящим к уменьшению их полезного объема и росту габаритов, в настоящем изобретении привело к неожиданному положительному эффекту - позволило очистить парогазовую смесь от большей части примесей (пылевые частицы, сажистый углерод, жидкокапельные углеводороды).
Если легкоплавких углеводородов в составе шихты недостаточно для формирования зоны 21 сорбции, верхнюю часть реактора снабжают устройством 22 подвода жидких углеводородов с их равномерным распределением по сечению реактора - для дополнительного орошения шихты через входящие в его состав форсунки, перфорированные трубы и т.д.
Соответственно, при использовании «чистой» шихты ее можно орошать исключительно жидкими углеводородсодержащими продуктами - не только для формирования зоны 21 сорбции в составе реактора, но также и для их целенаправленной переработки в составе шихты, - в этом состоит отличие двух вариантов реакторов.
Учитывая, что переработка углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов сопряжена с возможным выбросом в атмосферу продуктов переработки, шлюз 17 подачи шихты выполнен с двумя условно герметичными, последовательно установленными с образованием промежуточного бункера 23 затворами 24 и 25, расположенными между загрузочным бункером 26 и загрузочным отверстием 2 верхней крышки 3 реактора. В верхней части реактора может создаваться разрежение в пределах 500-5000 Па. Этой герметичности достаточно для того, чтобы обеспечить экологическую безопасность процесса.
Безусловно, использование любого из реакторов позволяет существенно снизить количество примесей в составе парогазовой смеси. Однако наибольший эффект будет получен от использования установки, в состав которой входит, по меньшей мере, один из вышеупомянутых упомянутых реакторов.
Установка для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включающая вышеупомянутые реакторы подразумевает, что между узлом 29 очистки от твердых и жидких углеродсодержащих частиц циклонного типа и узлом 30 конденсации жидких продуктов расположен дополнительный узел 33 очистки парогазовой смеси, состоящий из центробежного сепаратора 34 тонкой очистки и, по меньшей мере, одного циклона 35 селективного типа. Такое сочетание оборудования для очистки ранее не использовалось, поскольку традиционные установки отделяли из парогазовой смеси те примеси, которые были задержаны на уровне зон 21 сорбции двух вышеупомянутых реакторов. При этом те жидкие углеводородсодержащие отходы, которые попали в соответствующий сборник 38, могут направляться в распределительное устройство 22 верхней крышки 3 реактора - для орошения шихты - самостоятельно или в дополнение к сторонним жидким углеводородсодержащим продуктам из сборника 32, подаваемым в эту же зону - для формирования зоны 21 сорбции.
Водная и/или органическая фракции со сборников-флорентинов 31 частично подаются в зону 11 горения реактора через каналы 9 (изначально предназначенные для подачи водяного пара), а частично - на дальнейшую переработку.
На выходе парогазовой смеси из узла 30 конденсации жидких продуктов возможна установка дублирующего узла 39 для дополнительной очистки парогазовой смеси конструктивно аналогичного узлу 33 и доводящего уровень очистки смеси приближенным к санитарным нормам.
Реализацию изобретений рассмотрим на следующих примерах.
Пример 1. Переработке подлежат угольные брикеты ⌀40 мм и высотой 40 мм из отходов угольного производства.
Состав угольных брикетов, % мас.:
- влажность - 20;
- зольность на сухую массу - 60;
- летучие на сухую массу - 15.
Элементный состав горючей массы, % мас.:
C - 86,8; H - 5,8; O - 5,6; N - 1,7; S - 0,7.
Производительность установки по сырью - 1600 кг/час
В качестве насадки используются кольца 32×32×3 из жаростойкой стали 20Х23Н18 в количестве 1000 кг/час.
В качестве газифицирующих агентов подают:
- перегретый водяной пар (Т=250°C, P=1,4 МПа, степень разложения 50%) - 350 кг/час
3
- воздух - 1733 кг/час (1343 нм/час).
3
Для связывания серы подают 35 кг/час CaCO в виде кусков с линейными размерами 10-80 мм.
Для формирования зоны 21 сорбции подают 200 кг/час отработанных нефтемасел и 400 кг/час некондиционного битума. (При этом решается задача утилизации отходов масел и битума).
Температура в зоне 11 горения не превышает 1100°C.
Выходной поток из зоны 28 выгрузки реактора составил по количеству 1819 кг/час и его структура включает, кг/час,
насадку - 1000;
золу - 768;
углеродсодержащие - 30;
CaS - 6,3;
СаО - 15.
Выходной поток из реактора по данным хроматографического анализа конденсированной части на хроматографе «Кристаллюкс-4000М» и по данным газоанализаторного оборудования КР-1459 составил 3491 кг/час и его структура включает, кг/час,
вода - 517;
бензол - 12,6;
диоксид углерода - 26,6;
оксид углерода - 997,6;
водород - 79;
метан - 105;
аммиак - 2;
фракции C<sub>4</sub>-C<sub>8</sub> - 125;
фракции C<sub>9</sub>-C<sub>12</sub> - 120;
фракции >С<sub>12</sub> - 60;
фенолсодержащие - 99;
сероводород - 0,8.
Содержание твердых и жидкокапельных примесей измерялось путем пропускания части потока газа компрессором (1-6 л/мин) через холодильник и фильтр с волокнистым материалом. По разнице веса чистого и загрязненного фильтра и количеству пропущенного газа определялось содержание частиц. Отбор газа на содержание примесей твердых и жидкокапельных осуществлялся на выходе из реактора, после циклона ⌀900 мм (узел 29), после вновь устанавливаемого узла 33 центробежной сепарации и после дублирующего узла центробежной сепарации 39.
Полученные результаты эффективности очистки парогазовой смеси были сведены в Таблицу 1.
Пример 2 (сравнительный).
Как и в предыдущем Примере переработке подлежат угольные брикеты ⌀40 мм и высотой 40 мм из отходов угольного производства. Состав брикетов и элементный состав горючей массы, количество брикетов, количество карбоната кальция то же, что и в Примере 1. Отличие заключается в отсутствии зоны сорбции, так как не подаются жидкие углеводороды, типа отходов нефтемасел, и некондиционный битум.
В качестве газифицирующих агентов подают:
- перегретый водяной пар (T=250°C, P=1,4 МПа, степень разложения 50%) - 200 кг/час;
- воздух - 1356 кг/час.
Температура в зоне горения не превышает 1100°C.
Выходной поток из зоны выгрузки реактора составил по количеству 1809 кг/час и его структура включает, кг/час:
насадку - 1000;
золу - 768;
углеродсодержащие - 20;
CaS - 6,3;
СаО - 15.
Выходной поток из реактора по данным хроматографического анализа конденсированной части на хроматографе «Кристаллюкс-4000М» и по данным газоанализаторного оборудования КР-1459 составил 2382 кг/час и его структура включает, кг/час:
вода - 442;
бензол - 12,6;
диоксид углерода - 26,6;
оксид углерода - 728,6;
водород - 25,5;
метан - 50,5;
аммиак - 2,9;
фенолсодержащие - 99;
сероводород - 0,8;
азот - 1044.
Содержание твердых и жидкокапельных примесей измерялось путем пропускания части потока газа компрессором (1-6 л/мин) через холодильник и фильтр с волокнистым материалом. По разнице веса чистого и загрязненного фильтра и количеству пропущенного газа определялось содержание частиц. Отбор газа на содержание твердых и жидкокапельных примесей осуществлялся на выходе из реактора, после циклона ⌀900 мм (узел 27), после вновь устанавливаемого узла 31 центробежной сепарации, после дублирующего узла центробежной сепарации 39.
Полученные результаты эффективности очистки парогазовой смеси были сведены в Таблицу 2.
Пример 3. Переработке подлежит углеродсодержащее сырье - кокс, полученный при коксовании малометаморфизированных углей пониженной спекаемости (т.е. кокс, не идущий на выплавку металла).
Качественные характеристики кокса, %масс:
r
- влажность, W - 8;
d
- зольность, A - 14;
daf
- выход летучих, V - 2.
Элементный состав горючей массы, % масс:
C - 96; H - 0,8; N - 1,0; S - 1,4; O - 0,8.
Средняя крупность - 40
Производительность по коксу - 1000 кг/час.
В качестве насадки используются кольца 32×32×3 из жаростойкой стали 20Х23Н18 в количестве 300 кг/час.
В качестве газифицирующих агентов в реактор подают:
- перегретый водяной пар (T=250 С, P=1,4 МПа, степень разложения 50%) - 800 кг/час;
- технический кислород с содержанием азота 5% - 678 кг/час.
3
Для связывания серы подают 112 кг/час CaCO в виде кусков с линейными размерами 10-80 мм.
Для формирования зоны 21 сорбции подают отходы нефтемасел в количестве 300 кг/час.
Температура в зоне 11 горения не превышает 1200°C.
Выходной поток из зоны 28 выгрузки реактора составил по количеству 525 кг/час и его структура включает, кг/час:
насадку - 300;
золу - 129;
углеродсодержащие - 30;
CaS - 14,8;
CaO - 51,5;
Выходной поток парогазовой смеси из реактора по данным хроматографического анализа конденсированной части на хроматографе «Кристал-люкс-4000М» и по данным газоанализаторного оборудования КР-1459 составил 2671 кг/час и его структура включает, кг/час:
вода - 484;
диоксид углерода - 49;
оксид углерода - 1749;
водород - 77;
метан - 13;
сероводород - 4;
азот - 40;
кислород - 6,3;
фракция C<sub>4</sub>-C<sub>8</sub> - 150;
фракция C<sub>9</sub>-C<sub>12</sub> - 60;
фракция >С<sub>13</sub> - 30.
Содержание твердых и жидкокапельных примесей измерялось путем пропускания части потока газа компрессором (1-6 л/мин) через холодильник и фильтр с волокнистым материалом. По разнице веса чистого и загрязненного фильтра и количеству пропущенного газа определялось содержание частиц. Отбор газа на содержание твердых и жидкокапельных примесей осуществлялся на выходе из реактора, после циклона 0900 мм (узел 29), после вновь устанавливаемого узла 33 центробежной сепарации и после дублирующего узла центробежной сепарации 39.
Полученные результаты эффективности очистки парогазовой смеси были сведены в Таблицу 3.
Аналогично приведенным примерам 1-3 перерабатываются и другие горючие углерод- и/или углеводородсодержащие продукты, например, автомобильные покрышки и другие.
Таким образом, выполненные согласно изобретению технические решения обеспечивают экологически чистую промышленную переработку горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов, повышение качества очистки парогазовой смеси от твердых и жидкокапельных примесей, увеличение производительности оборудования и упрощение его аппаратного оформления.
Таблица 1
Результаты эффективности очистки парогазовой смеси по примеру 1
Место отбора
Содержание суммарное примесей, г/нм3
Непосредственно после реактора
0,8- 1,2
После циклона ⌀900 мм
0,5-0,8
После узла центробежной сепарации
0,05
После дублирующего узла центробежной сепарации
0,005-0,001
Таблица 2
Результаты эффективности очистки парогазовой смеси по примеру 2
Место отбора
Содержание суммарное примесей, г/нм3
Непосредственно после реактора
20
После циклона ⌀900 мм
15
После узла центробежной сепарации
0,5
После дублирующего узла центробежной сепарации
0,05
Таблица 3
Результаты эффективности очистки парогазовой смеси по примеру 3
Место отбора
Содержание суммарное примесей, г/нм3
Непосредственно после реактора
3-5
После циклона ⌀900 мм
1-2
После узла центробежной сепарации
0,08-0,10
После дублирующего узла центробежной сепарации.
0,009-0,010