Способ термической переработки органосодержащего сырья

Изобретение относится к области переработки органосодержащих веществ и может быть использовано для термического разложения отходов деревообрабатывающей промышленности, продуктов растениеводства, отходов пищевой промышленности, отходов животноводства и птицеводства. Способ термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо путем нагрева сначала в камере сушки, которая представляет собой бункер, сушильным агентом температурой 160-200°С, полученным смешением топочных газов, прошедших рубашку камеры пиролиза, с воздухом, а затем без доступа воздуха в камере пиролиза с переводом продуктов пиролиза в уголь и газообразное топливо - парогазовую смесь с последующей конденсацией части парогазовой смеси в жидкое топливо, причем часть несконденсированной парогазовой смеси после предварительного подогрева до температуры 450-520°С подается в камеру пиролиза в количестве, обеспечивающем время пребывания продуктов пиролиза в камере пиролиза не более 2 секунд и избыточное давление в камере пиролиза на уровне 500-1000 Па. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области переработки органических веществ, в частности к технике переработки измельченных древесных отходов, продуктов растениеводства, отходов пищевой промышленности, отходов животноводства и птицеводства.

Известен способ пиролиза органосодержащего сырья, включающий предварительную сушку сырья, пиролиз сырья путем его нагрева в реакторе, снабженном перемешивающими лопастями, с получением угля и парогазовой смеси, направляемой на конденсацию и разделение с целью получения жидкого и газообразного топлива, и отвод угля для его дальнейшей активации. Причем нагрев стенок реактора осуществляется дымовыми газами, полученными сжиганием газообразных продуктов пиролиза (патент РФ №74386, 27.06.2007).

В известном способе основным недостатком является недостаточное количество тепловой энергии, получаемой от сжигания газообразных продуктов пиролиза, особенно в зимний период. Второй недостаток заключается в осуществлении нагрева сырья в камере пиролиза только через стенки. Другим недостатком данного способа является необходимость значительного количества электрической энергии для эффективной работы приводов сушильного бункера, реактора, питателя, вентиляторов, насосов и т.д.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по физической сущности и достигаемому результату является способ и установка для переработки органических веществ в газообразное и жидкое топливо (патент РФ №2265625, 10.12.2005, Бюл. №34). Данный способ состоит в измельчении органических веществ и нагреве без доступа воздуха сначала в камере сушки, а затем в камере пиролиза с переводом продуктов пиролиза в парогазовую фазу и последующей конденсацией части парогазовой фазы в жидкое топливо. Недостатком данного способа являются повышенные затраты тепловой энергии на процесс термической переработки (пиролиз) вещества, связанные с низкой эффективностью теплообмена предлагаемого изобретением метода нагрева сырья. Другим недостатком данного способа является неизбежное протекание вторичных реакций термического разложения сырья со снижением ценности продуктов при его многократном прохождении через зону нагрева камеры пиролиза. Кроме того, существенным недостатком является проведение сушки в камере сушки без доступа воздуха. Проведение процесса пиролиза в условиях взвешенного состояния органических частиц приводит также к значительным энергетическим затратам на предварительное измельчение, уменьшению тепловой эффективности способа и ухудшению условий конденсации парогазовой смеси из-за наличия в ее составе большого количества циркулирующего пирогаза, использовавшегося для создания взвешенного слоя.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение стабильности процесса пиролиза и качества получаемых в результате пиролиза продуктов, а также автономности предлагаемого способа термической переработки органосодержащего сырья.

Для решения поставленной задачи в способе термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо путем нагрева сначала в камере сушки, а затем без доступа воздуха в камере пиролиза с переводом продуктов пиролиза в уголь и газообразное топливо - парогазовую смесь с последующей конденсацией части парогазовой смеси в жидкое топливо, согласно изобретению, сушка органосодержащего сырья осуществляется в бункере сушильным агентом с температурой 160-200°С, полученным смешением топочных газов, прошедших рубашку камеры пиролиза, с воздухом, а часть несконденсированной парогазовой смеси после предварительного подогрева до температуры 450-520°С подается в камеру пиролиза в количестве, обеспечивающем время пребывания продуктов пиролиза в камере пиролиза не более 2 секунд и избыточное давление в камере пиролиза на уровне 500-1000 Па; нагрев органосодержащего сырья в камере пиролиза осуществляется в условиях механоактивации за счет организованного трения органических частиц о стенки камеры пиролиза; часть полученной в процессе термической переработки несконденсированной парогазовой смеси используется для выработки электроэнергии, а полученный в процессе термической переработки уголь используется для выработки тепловой энергии, необходимой для осуществления настоящего способа термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо.

Подача предварительно подогретой до 450-520°С части несконденсированной парогазовой смеси в камеру пиролиза позволяет интенсифицировать прогрев органосодержащего сырья за счет конвективного теплообмена и обеспечивает перемещение и время пребывания продуктов пиролиза в камере пиролиза менее 2 секунд. Проведение процесса термической переработки органосодержащего сырья при температуре в камере пиролиза 450-650°С позволяет получить максимальный выход жидкого топлива. Проведение процесса термической переработки при температурах менее 450°С приводит к значительному снижению интенсивности процесса и изменению качественного состава жидких продуктов. При температуре более 650°С выход жидкости будет значительно меньше, и основным продуктом реакции будет являться несконденсированная часть парогазовой смеси. Количество подаваемой несконденсированной части парогазовой смеси должно обеспечивать время нахождения продуктов пиролиза в камере пиролиза менее 2 секунд и небольшое избыточное давление в размере 500-1000 Па.

Быстрый отвод продуктов пиролиза из камеры пиролиза (время нахождения менее 2 секунд) позволяет предотвратить протекание реакций их вторичного термического разложения (и синтеза) и получить в качестве продукта жидкость стабильного качества и с высокой энергетической плотностью.

Постоянное небольшое избыточное давление в диапазоне 500-1000 Па позволяет предотвратить попадание кислорода воздуха в камеру пиролиза, что возможно при давлении менее 500 Па. Избыточное давление свыше 1000 Па значительно усложняет обеспечение герметичности и безопасности аппаратурного оформления процесса.

Для исключения конденсации поглощенной сушильным агентом влаги его температура на выходе из бункера должна быть выше 100°С. Чтобы обеспечить эффективность процесса сушки разность температур на входе в сушильный бункер и на выходе из него должна быть максимальной. Снижение температуры сушильного агента менее 160°С в связи с низкой эффективностью процесса сушки не позволяет обеспечить необходимую влажность поступающего на термическую переработку органосодержащего сырья и исключить конденсацию поглощенной сушильным агентом в процессе сушки влаги. Верхний предел температурного диапазона (200°С) обеспечивает конвективную сушку органосодержащего сырья с высокой скоростью. Увеличение температуры сушильного агента свыше 200°С ведет к термическому разложению органосодержащего сырья в сушильном бункере и возможности его воспламенения.

Осуществление процесса термической переработки в условиях механоактивации за счет организованного трения органических частиц о стенки камеры пиролиза позволяет постоянно удалять с поверхности частицы органосодержащего сырья образующийся уголь, что значительно ускоряет протекание реакций пиролиза. Объясняется это тем, что увеличивающийся по толщине в ходе процесса термической переработки слой угля создает нарастающее по времени сопротивление теплоподводу и отводу продуктов разложения. Это, в свою очередь, снижает скорость процесса термической переработки, ведет к вторичному разложению образующихся продуктов пиролиза и исключает стабильность процесса пиролиза и свойств получаемых продуктов пиролиза. Кроме того, использование механоактивации за счет организованного трения органических частиц о стенки камеры пиролиза вместо проведения процесса термической переработки в условиях взвешенного слоя позволяет уменьшить энергетические затраты на предварительное измельчение сырья, а также увеличить тепловую эффективность способа и улучшить условия конденсации парогазовой смеси.

Использование несконденсированной части парогазовой смеси для выработки электрической энергии позволяет использовать для этих целей типовые электрогенераторы с приводом в виде двигателей внутреннего сгорания, что позволяет снизить эксплуатационные затраты и повысить автономность при реализации способа.

Использование полученного в процессе пиролиза мелкодисперсного угля для выработки тепловой энергии, необходимой для осуществления настоящего способа, позволяет полностью обеспечить процесс термического разложения органосодержащего сырья необходимой тепловой энергией. Топки, работающие на твердых дисперсных топливах, достаточно распространены, могут работать в автоматизированном режиме и позволяют обеспечить необходимую автономность всего процесса. Кроме того, дымовые газы, полученные от сжигания угля, значительно более предпочтительны для использования их в качестве сушильного агента, так как они практически не содержат паров воды. Данное обстоятельство связано с тем, что в результате процесса сжигания угля образуется преимущественно диоксид углерода. Дымовые газы, полученные от сжигания, например, несконденсированной части парогазовой смеси, полученной при термической переработке даже сухого органосодержащего сырья, или даже природного газа, содержат значительное количество влаги, образующейся в результате реакции термического разложения топлива.

Предлагаемый способ термической переработки органосодержащего сырья позволяет получить однородное жидкое топливо, имеющее запах дыма, с низким содержанием воды (до 25%). Жидкое топливо имеет следующие физические свойства:

Параметр	Значение
Плотность, кг/м3		1220
Кинематическая вязкость, сСт
при 20°С		178
при 50°С		92
при 80°С		70
Низшая теплота сгорания, МДж/кг		17,5
Температура потери текучести, °С		-36
Температура вспышки, °С		110
Температура воспламенения, °С		120
Температура начала кипения, °С		93
рН		2,43
Содержание золы, мас.%		0,13
Содержание воды, мас.%		21
Жидкое топливо имеет следующий химический состав, %:
Альдегиды		9,8
Ароматические углеводороды		2,1
Кетоны		16,4
Кислоты		8,2
Моносахариды		9,7
Полициклические углеводороды		0,1
Сложные эфиры		3,1
Фенолы		30,2
Фураны		0,5

Газообразное топливо состоит преимущественно из оксида углерода, метана и диоксида углерода. Теплота сгорания газообразного топлива составляет около 10 МДж/кг.

Совокупность вышеперечисленных признаков позволяет обеспечить стабильность процесса термической переработки и качества получаемых в результате пиролиза продуктов, а также автономность предлагаемого способа термической переработки органосодержащего сырья.

Сущность изобретения раскрывается с помощью фиг.1. На фиг.1 представлена схема термической переработки органосодержащего сырья по заявляемому способу.

Согласно данной схеме, технологический процесс термической переработки органосодержащего сырья включает сушку (сушильный бункер), пиролиз (камера пиролиза), получение тепловой энергии из угля (топка), конденсацию парогазовой смеси (конденсатор), преобразование несконденсированной части парогазовой смеси в электрическую энергию (электрогенератор), предварительный подогрев поступающей в камеру пиролиза несконденсированной части парогазовой смеси (теплообменник), подготовку сушильного агента (смесительное устройство).

Термическая переработка органосодержащего сырья осуществляется следующим образом.

Перерабатываемое органосодержащее сырье подается в сушильный бункер, где осуществляется его предварительная сушка до влажности 11-13%. В период запуска твердотопливная топка растапливается с использованием органосодержащего сырья в качестве топлива. Продукты сгорания, пройдя через теплообменник, поступают в рубашку камеры пиролиза, нагревая ее. Теплообменник обеспечивает снижение температуры топочных газов до температуры 650°С, необходимой для осуществления процесса пиролиза. Топочные газы после выхода из рубашки камеры пиролиза смешиваются в смесительной камере с воздухом до температуры 160-200°С и, пройдя через сушильный бункер, выбрасываются в атмосферу. Высушенное органосодержащее сырье поступает в предварительно нагретую камеру пиролиза. Образующиеся в процессе термической переработки парогазовая смесь и уголь поступают, соответственно, в конденсатор и топку.

В конденсаторе происходит конденсация части парогазовой смеси в жидкое топливо. Жидкое топливо поступает в сборник. Несконденсированные продукты пиролиза частично поступают в электрогенератор для преобразования в электрическую энергию. А часть несконденсированных продуктов после предварительного подогрева в теплообменнике до температуры 450-520°С подается внутрь камеры пиролиза. Причем количество подаваемых внутрь камеры пиролиза с помощью контрольно-регулирующей аппаратуры несконденсированных продуктов пиролиза должно обеспечивать необходимое время пребывания продуктов пиролиза в камере (до 2 секунд) и избыточное давление 500-1000 Па.

Тепловой баланс предлагаемого способа термической переработки органосодержащего сырья показал, что количество тепловой энергии, полученной сжиганием твердых продуктов пиролиза (угля), превышает количество энергии, необходимой для осуществления процесса термической переработки. Излишки тепловой энергии могут быть реализованы для других технологических и бытовых целей. Количество получаемой преобразованием несконденсированных продуктов пиролиза электрической энергии полностью покрывает количество электрической энергии, необходимой для осуществления настоящего способа термической переработки. Избыточное количество тепловой и достаточное количество электрической энергии, полученных в результате использования продуктов термической переработки органосодержащего сырья, позволяет обеспечить автономность предлагаемого способа термической переработки органосодержащего сырья с получением жидкого топлива.

1. Способ термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо путем нагрева сначала в камере сушки, а затем без доступа воздуха в камере пиролиза с переводом продуктов пиролиза в уголь и газообразное топливо - парогазовую смесь с последующей конденсацией части парогазовой смеси в жидкое топливо, отличающийся тем, что сушка органосодержащего сырья осуществляется в бункере сушильным агентом температурой 160-200°С, полученным смешением топочных газов, прошедших рубашку камеры пиролиза, с воздухом, а часть несконденсированной парогазовой смеси после предварительного подогрева до температуры 450-520°С подается в камеру пиролиза в количестве, обеспечивающем время пребывания продуктов пиролиза в камере пиролиза не более 2 с и избыточное давление в камере пиролиза на уровне 500-1000 Па.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев органосодержащего сырья в камере пиролиза осуществляется в условиях механоактивации за счет организованного трения органических частиц о стенки камеры пиролиза.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть полученной в процессе термической переработки несконденсированной парогазовой смеси используется для выработки электроэнергии.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что полученный в процессе термической переработки уголь используется для выработки тепловой энергии, необходимой для осуществления настоящего способа термической переработки органосодержащего сырья в газообразное и жидкое топливо.