Способ термической переработки органического сырья и устройство для его осуществления
Изобретение относится к области переработки органического сырья, например древесины, торфа сланцев, угля промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие, железнодорожных деревянных шпал, отходов растениеводства, животноводства и т.п., и может найти применение в химической, лесо- и нефтеперерабатывающих отраслях, коммунальном, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности методом пиролиза. Изобретение касается устройства для термической переработки органического сырья, содержащего реактор из двух секций с нагревом сырья до температуры его деструкции, с подающим устройством сырья в реактор, транспортером выгрузки твердой фракции, трубопроводом отвода газовой фракции в конденсационную колонну после которой образуется несконденсированный пиролизный газ и жидкие углеводороды для последующей переработки. В реакторе создано две секции, каждая из которой имеет две рабочие зоны с регулируемой температурой от 100 до 1200°С, где нагрев сырья в рабочих зонах реактора производят между двумя концентрическими трубами секций одновременно с его продвижением; для увеличения выхода горючих пиролизных газов за счет вторичных реакций, создан обратный контур подачи парогазовой фракции из зоны экзотермической реакции первой секции реактора в зону раскаленной твердой фракции второй секции реактора, а также в реактор через промежуточный бункер подается реагент, в каждой секции реактора созданы замкнутые изолированные нагревательные камеры, в которых установлены рекуперативные горелки с радиационными излучающими трубами, нагрев внутренних труб секций реактора может быть осуществлен так же рекуперативными горелками или отработанными газами горелок; перемещение и ворошение сырья в рабочих зонах с необходимой скоростью осуществляют транспортировочные устройства с независимыми частотными приводами; исключение попадания в рабочие зоны реактора атмосферного воздуха и азота обеспечивает созданная контролируемая газовая среда неконденсируемыми пиролизными газами, а так же тарельчатые клапаны при загрузке сырья в реактор и на выгрузке твердой фракции. Технический результат - повышение теплотворной способности пиролизного газа в среднем в 2 раза, повышение энергетического КПД, возможность оптимизации и автоматизации процесса при непрерывной переработке сырья. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к области переработки органического сырья, например древесины, торфа сланцев, угля промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие, железнодорожных деревянных шпал, отходов растениеводства, животноводства и т.п., и может найти применение в химической, лесо- и нефтеперерабатывающих отраслях, коммунальном, сельском хозяйстве и других отраслях промышленности методом пиролиза.
Известен способ переработки органики методом пиролиза (патент РФ № 2260615, кл. С10В 49/00, 2004), при котором высокоскоростной нагрев производят одновременно с его измельчением в реакторе путем перемешивания сырья с нагретыми билами, выполненными из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
Недостатком данного способа являются необходимость применения мелющих металлических тел, значительный расход топлива на нагрев сырья и мелющих тел, цикличность в работе и сложности в изготовлении реактора.
Известен способ переработки органического сырья методом контактного нагрева (патент РФ № 2242677, кл. F23G 5/027, 2003 - аналог), включающим перемещение сырья одновременно с его нагревом в сужающемся металлическом канале с повышением температуры в направлении потока сырья от 400 до 750°С.
Недостатком данного способа является низкая производительность, сложность в изготовлении реактора, низкое качество получаемых продуктов, невозможность достигнуть оптимизации процесса.
Наиболее близким способом к предлагаемому является способ (заявка № 2008104248/04, кл. G10С 1/02, 2008 - прототип), включающий нагрев исходного сырья с одновременным его контактом с разогретой поверхностью металлической трубы реактора и транспортировкой сырья винтовым конвейером через рабочее пространство реактора; сырье при подаче в реактор подогревается продуктами горения смешанным с атмосферным воздухом, выходящим из нагревательной камеры; атмосферный воздух перед подачей в камеру нагревания подогревают теплом от охлаждения твердой фракции; газовая фракция разделяется на несконденсированный пиролизный газ и жидкую углеводородную фракцию.
Недостатком данного способа является то, что в указанном способе по-прежнему не решена задача оптимизации технологического процесса по температурным режимам в ходе реакции: возникающее повышение давления при перемещении сырья винтовым конвейером внутри реактора приводит к выбросам пиролизного газа в подающий конвейер и, в отдельных случаях, к возгоранию газа.
Использование в качестве теплоносителя атмосферного воздуха приводит к перерасходу газа на его нагревание и неравномерности распределения температур в нагревательной камере до 300°С и более, в которой расположены две горизонтальные трубы реактора, а горелка расположена между первой и второй трубой. Из-за невозможности установить необходимые режимы на разных этапах пиролиза в газовой и жидкой фракциях наблюдается большое содержание углекислого газа и воды, а в твердой фракции - непереработанное сырье, что также снижает экономические показатели способа. Вследствие большой длины шнекового вала, соотношение длины вала к диаметру шнека составляет 20:1, они провисают, особенно при нагреве, и трутся о внутренние поверхности труб, что может привести к образованию искр внутри реактора.
Подаваемое сырье невозможно высушить при его движении внутри нагретого теплоносителем корпуса конвейера подачи в реактор. Образуется только водяной пар от влаги вокруг клеток сырья и при этом в реактор поступает воздух.
Кроме того, рабочим пространством может быть только пространство, где происходит непосредственно пиролиз сырья, куда категорически нельзя подавать атмосферный воздух в качестве теплоносителя, а не камера, в которой находится нагревающая горелка с открытым пламенем.
Неправильно подобранная сталь (09Г2С) корпуса и вала реактора не позволяют ему длительно работать при температурах более 500°С, что приводит к содержанию балластного углекислого газа до 50% от состава газа, существенно снижая теплотворную способность несконденсированного пиролизного газа. При такой технологии несконденсированного газа не хватает на автономность работы установки с выработкой собственной электроэнергии.
Также недостатком является установка одного привода на три трубы реактора, что не позволяет независимо менять скорости прохождения сырья в каждой трубе, в зависимости от вида исходного сырья и необходимости технологического режима пиролиза.
Техническим результатом избранного способа является повышение теплотворной способности пиролизного газа, повышение энергетического КПД, возможность оптимизации и автоматизации процесса при непрерывном процессе переработке сырья.
Технический результат достигается тем, что в способе термической переработки органического сырья и устройстве для его осуществления в созданной контролируемой газовой среде, исключающей попадание атмосферного воздуха и азота, производится нагрев сырья до температуры его деструкции с последующим отводом образующихся твердой фракции и газовой фракции, которая после конденсации образует несконденсированный горючий пиролизный газ и жидкие углеводороды для последующей переработки, при нагреве сырья с добавляемым реагентом используют тепло экзотермической реакции, образующаяся парогазовая смесь отводится в зону прокаливаемой твердой фракции при температуре до 1200 градусов для образования вторичных реакций и позволяет получить дополнительный объем пиролизный газов; использование необходимого вида реагента определяется задаваемым технологическим процессом, так использование углерода, в качестве реагента, увеличивает выход неконденсируемых горючих газов по реакциям:
С+2Н2O=СO2+2Н2,
С+Н2O=СО+Н2,
С+СO2=2СО,
С+2Н2=СН4,
а добавление 1% соды (Na2CO3) дает увеличение выхода метилового спирта, в зависимости от вида сырья, до 300%; а устройство для термической переработки органического сырья с реактором, подающим устройством сырья в реактор, транспортером выгрузки твердой фракции, трубопроводом отвода газовой фракции в конденсационную колонну, после которой образуется несконденсированный пиролизный газ и жидкие углеводороды для последующей переработки; реактор имеет две или более секции, каждая из которой, имеет одну или две рабочие зоны с регулируемой температурой до 1200°С; нагрев сырья в рабочих зонах реактора производят между двумя концентрическими трубами секций одновременно с его продвижением и ворошением; для увеличения выхода горючих пиролизных газов за счет вторичных реакций, создан обратный контур подачи парогазовой фракции из зоны экзотермической реакции первой секции реактора в зону раскаленной твердой фракции второй секции реактора, а также в реактор через промежуточный бункер подается реагент; в каждой секции реактора созданы замкнутые изолированные нагревательные камеры, в которых установлены рекуперативные горелки с радиационными излучающими трубами, обеспечивающие равномерных прогрев рабочих зон, нагрев внутренних труб секций реактора может быть осуществлен также рекуперативными горелками или отработанными газами горелок; перемещение и ворошение сырья в рабочих зонах с необходимой скоростью осуществляют транспортировочные устройства с независимыми частотными приводами; исключение попадания в рабочие зоны реактора атмосферного воздуха и азота обеспечивает созданная контролируемая атмосфера неконденсируемыми пиролизными газами в промежуточном бункере, а также специально созданные пробки из продуктов переработки сырья на путях его перемещения в ходе технологического процесса и тарельчатые клапаны при загрузке сырья в реактор и на выгрузке твердой фракции.
Предлагаемая совокупность существенных признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна». В то же время совокупность отличительных признаков, приводящих к решению поставленной задачи, явным образом не следует из уровня техники, поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
На Фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого изобретения, содержащая:
приемный бункер 3 для приема сырья 1, который содержит средства для подачи сырья в промежуточный бункер 8, средства подачи в него продуктов 6, подвод 4 воздуха от калорифера 5 и трубу 2. Промежуточный бункер 8 содержит средства для подачи сырья в реактор 14, средство подачи реагента из дозатора 7 и трубу 16. Реактор содержит две или более секции 11, нагревательные камеры 12, рекуперативные горелки 10, обратный контур 9, присоединенный к нижней части реактора 14, конвейер выгрузки твердой фракции 13, к которому подведен охлаждающий контур 17 и бункер 18 для выгрузки твердой фракции. К секциям 11 подсоединены трубы отвода пиролизного газа 15 в конденсационную колонну 19. К рекуперативным горелкам подведены трубы подачи несконденсированного газа 16 и трубопроводы 6. От конденсационной колонны 19 отходят трубопроводы к газогенераторной установке 20 и к накопительным емкостям газа 21, а также трубы 22 отвода жидкой фракции к накопителям 23.
Способ осуществляется следующим образом.
Измельченное сырье 1 подается в приемный бункер 3, где высушивается горячим воздухом, подаваемым по подводу 4 от калорифера 5 и горячими продуктами горения 6 от горелок 10. Пары воды и газа из приемного бункера 3 после очистки направляются в атмосферу по трубе 2.
В промежуточном бункере 8, одновременно с ворошением сырья и подачей реагента, из дозатора 7, создается контролируемая газовая среда несконденсированным газом, подаваемым по трубе 16, которая отсекает продукты горения и атмосферный воздух со стороны приемного бункера 3. Затем нагретое до температуры от 80 градусов сырье, в зависимости от вида и состава, подается в реактор 14.
В первой зоне первой секции 11 реактора 14 при температуре от 280 градусов начинается экзотермическая реакция с выделением тепла, в результате чего температура повышается до 550 градусов и выше. Образующаяся парогазовая смесь, состоящая в основном из углекислого газа и паров воды, по обратному контуру 9 подается в зону прокаливаемой твердой фракции - конец второй зоны второй секции 11 реактора 14.
Во второй зоне первой секции 11 происходит интенсивное повышение температуры, которая достигает от 900 до 1200 градусов в первой зоне второй секции 11. В результате высокотемпературной деструкции сырья выделяется основное количество горючего пиролизного газа, а так же выделившиеся углекислый газ и пары воды вступают во вторичные реакции с реагентом. В ходе реакции образуются горючие газы - окись углерода, водород, метан и др., которые направляются в конденсационную колонну 19.
Во второй зоне второй секции 11, разогретой до температуры от 900 градусов, происходит прокаливание твердой фракции и образование дополнительного объема горючих газов за счет вторичных реакций поступившей парогазовой смеси по обратному контуру 9 из первой зоны первой секции 11 с раскаленным углеродом твердой фракции. Образовавшийся газ по трубам 15 направляется в конденсационную колонну 19. Твердая фракция поступает в конвейер выгрузки 13, где охлаждается до 40-60 градусов и затем выгружается в приемный бункер 18. Выделившееся тепло при охлаждении твердой фракции подается в калорифер 5 по контуру 17, в приемный бункер 3 и промежуточный бункер 8.
В качестве транспортировочных устройств в секциях 11 реактора 14 используются внутренние трубы, нагреваемые изнутри горелками 10 или продуктами горения наружных горелок 10, с расположенными на них устройствами для ворошения и продвижения сырья.
Наружные трубы секций 11 реактора 14, находящиеся в замкнутых изолированных нагревательных камерах 12, нагреваются установленными в камерах рекуперативными горелками 10, работающими на несконденсированном пиролизном газе.
Рекуперативные горелки 10 оснащены радиационными излучающими трубами. Нагрев секций производится способом конвекции и передачей лучистой энергии, обеспечивая равномерный прогрев рабочих зон, повышает тепловой КПД, увеличивает срок службы секций.
В реакторе 14 устанавливаются две или более последовательно расположенные секции 11, в каждой секции 11 создаются по одной-две рабочие зоны с различными температурными режимами для оптимизации процесса пиролиза, что дает возможность переработки смешанного/неоднородного сырья.
Несконденсированный газ направляется на горелки 10, в промежуточный бункер 8, на электрогазогенераторную установку 20, а остатки газа в накопительные емкости 21.
Жидкая фракция по трубам 22 поступает в накопители 23.
Для оптимизации продвижения сырья все приводы транспортировочных устройств снабжены частотными регуляторами, а для визуального и лабораторного контроля предусмотрены смотровые окна и шлюзы.
Примером использования предлагаемого изобретения является создание устройств, включающих реактор от двух или более секций, с исполнениями в стационарном и мобильных вариантах. При этом секции могут иметь конструктивные отличия. Это позволит получить производительность переработки сырья от пятидесяти до пяти тысяч килограммов сырья в час.
В целом, все это позволяет оптимизировать и автоматизировать процесс пиролиза и почти полностью исключить присутствие углекислого газа и паров воды в газообразной и жидкой фракциях, увеличить теплотворную способность несконденсированного пиролизного газа, повысить энергетический КПД и позволяет выработать достаточное количество энергии для автономного режима работы установки.
Внедрение данного способа переработки органического сырья ожидается в ЖКХ Московской области для переработки хвостов бытовых отходов мусоросортировочных заводов, термической утилизации деревьев, зараженных насекомыми, перевода котельных на альтернативные источники топлива. Данный способ позволяет попутно подать значительное количество тепловой энергии потребителям, а также обеспечить работу энергетического оборудования на газовом, жидком, композитном топливах.
По предлагаемому способу разработана проектно-конструкторская и технологическая документация и намечено заключение лицензионных договоров с изготовителями в материале и эксплуатирующими организациями.
1. Устройство для термической переработки органического сырья, содержащее реактор из двух секций с нагревом сырья до температуры его деструкции, с подающим устройством сырья в реактор, транспортером выгрузки твердой фракции, трубопроводом отвода газовой фракции в конденсационную колонну, после которой образуется несконденсированный пиролизный газ и жидкие углеводороды для последующей переработки, отличающееся тем, что в реакторе созданы две секции, каждая из которой имеет две рабочие зоны с регулируемой температурой от 100 до 1200°С, где нагрев сырья в рабочих зонах реактора производят между двумя концентрическими трубами секций одновременно с его продвижением; для увеличения выхода горючих пиролизных газов за счет вторичных реакций создан обратный контур подачи парогазовой фракции из зоны экзотермической реакции первой секции реактора в зону раскаленной твердой фракции второй секции реактора, а также в реактор через промежуточный бункер подается реагент, в каждой секции реактора созданы замкнутые изолированные нагревательные камеры, в которых установлены рекуперативные горелки с радиационными излучающими трубами, нагрев внутренних труб секций реактора может быть осуществлен также рекуперативными горелками или отработанными газами горелок; перемещение и ворошение сырья в рабочих зонах с необходимой скоростью осуществляют транспортировочные устройства с независимыми частотными приводами; исключение попадания в рабочие зоны реактора атмосферного воздуха и азота обеспечивает созданная контролируемая газовая среда неконденсируемыми пиролизными газами, а также тарельчатые клапаны при загрузке сырья в реактор и на выгрузке твердой фракции.
2. Способ термической переработки органического сырья осуществляется нагревом сырья до температуры его деструкции с последующим отводом образующихся твердой фракции и газовой фракции, которая после конденсации образует несконденсированный горючий пиролизный газ и жидкие углеводороды для последующей переработки, осуществляемой в устройстве по п.1, отличающийся тем, что осуществляется в созданной контролируемой газовой среде, исключающей попадание атмосферного воздуха и азота в зоны протекания реакций, при нагреве сырья с добавляемым реагентом используют тепло экзотермической реакции, в результате которой образующаяся парогазовая смесь направляется в зону прокаливаемой твердой фракции при температуре от 900 до 1200° для образования вторичных реакций, что позволяет получить дополнительный объем горючих пиролизных газов.
