close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY9767

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2007.10.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 9767
(13) C1
(19)
F 23G 5/027
C 10J 3/00
C 02F 11/10
СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ ОРГАНИЧЕСКИХ ОТХОДОВ
ИЛИ НИЗКОКАЛОРИЙНОГО ТОПЛИВА
(21) Номер заявки: a 20040607
(22) 2004.07.01
(43) 2006.02.28
(71) Заявители: Демчук Сергей Всеволодович; Скоромник Олег Дмитриевич
(BY)
(72) Авторы: Демчук Сергей Всеволодович; Скоромник Олег Дмитриевич
(BY)
(73) Патентообладатели: Демчук Сергей
Всеволодович; Скоромник Олег
Дмитриевич (BY)
(56) JP 05287282 A, 1993.
RU 2150045 C1, 2000.
RU 2079051 C1, 1997.
US 4732091, 1988.
BY 4135 C1, 2001.
BY 3570 C1, 2000.
EP 1112970 A1, 2001.
EP 0428806 A1, 1991.
WO 02/074844 A1.
BY 9767 C1 2007.10.30
(57)
1. Способ газификации органических отходов или низкокалорийного топлива, включающий предварительную подготовку и обезвоживание твердой фазы, подачу ее в реактор, термообработку с получением синтез-газа и удаление твердых зольных продуктов
BY 9767 C1 2007.10.30
сгорания, отличающийся тем, что обезвоживание осуществляют путем центрифугирования, после подачи в реактор твердую фазу перемещают сверху вниз в пространстве
реактора с одновременным ее непрерывным механическим рыхлением, при этом осуществляют термообработку в плотном слое в режиме спутного фильтрационного горения позонно: в верхней зоне реактора ведут сушку при температуре 200-440 °С с отводом и
обратной подачей газообразных продуктов сгорания и синтез-газа в нижнюю часть средней зоны реактора, в средней зоне, в верхней ее части, проводят пиролиз в интервале температур 450-600 °С в среде перегретого пара, в нижней части средней зоны осуществляют
газификацию продуктов пиролиза в интервале температур 610-1100 °С с отбором синтезгаза, а в нижней зоне реактора в струе противотока свежего воздуха осуществляют окисление свободного углерода в интервале температур 350-1000 °С с последующей подачей
окисленного углерода в нижнюю часть средней зоны реактора, причем обезвоженную органическую твердую фазу подают в реактор, а зольные продукты сгорания удаляют из него посредством шнековых транспортеров.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что синтез-газ частично используют в технологическом процессе для получения перегретого пара, который затем подают в зону пиролиза.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что механическое рыхление твердой фазы и
зольных продуктов сгорания осуществляют лопастным вертикальным рыхлителем.
Изобретение относится к области экологии и может быть использовано для утилизации органических отходов - фекалий, биомассы - и переработки низкосортных видов топлива, таких как бурые угли, сланцы и др., с получением высокоэнергетического горючего
газа (синтез-газа) для производства тепловой и электрической энергии.
Известны различные способы переработки твердых органических отходов [1-9]. Так, в
способе [1] предложена переработка горючих твердых бытовых отходов (ТБО), преимущественно высокой влажности, путем пиролиза и газификации органической составляющей отходов с тем, чтобы получить углеводородные продукты пиролиза и топливный газ,
которые используются для получения энергии. ТБО загружают в реактор-газификатор типа шахтной печи, возможно, совместно с твердым негорючим материалом противотоком к
кислородсодержащему газифицирующему агенту и проводят в реакторе газификацию горючих компонентов ТБО. В состав газифицирующего агента вводят дымовые газы. Максимальную температуру в реакторе регулируют в пределах от 800 до 1300 °С. Способ [2]
включает загрузку ТБО, содержащих горючие компоненты, в вертикальную шахтную печь
(реактор), в которую противотоком к ТБО подают газифицирующий агент, содержащий
кислород. В реакторе организуют режим пиролиза ТБО с последующим сжиганием/газификацией углеродистых остатков пиролиза. Проводят оптимизацию режима переработки ТБО путем регулирования расхода газифицирующего агента и соотношения
содержания в ТБО негорючих и горючих составляющих и содержания кислорода в газифицирующем агенте, а также, возможно, и путем введения твердого негорючего материала или твердого топлива в состав перерабатываемых ТБО. При этом температуру горения
поддерживают в пределах 700-1400 °С и одновременно температуру газов на выходе из
реактора - ниже 400 °С. Неконденсируемые газы, имеющие высокую теплотворную способность, могут быть использованы как топливо.
Предложены также методы пиролиза и газификации в вертикальном реакторе с позонной температурной обработкой ТБО, с последующим получением топливного газа и удалением твердых продуктов деструкции из нижней части реактора [3-7]. Известные
способы включают операции предварительного сжатия и уплотнения отходов, а затем
осуществляют ступенчатый нагрев последних, термическое разделение или превращение
веществ, использование энергии, образующейся при разложении и превращении твердых
остатков в высокотемпературный расплав. Имеющиеся в них жидкие компоненты без
2
BY 9767 C1 2007.10.30
удаления и при сохранении их смешанной и комбинированной структуры пропускают через температурные зоны обработки в направлении повышения температуры без промежуточного охлаждения с одной, как минимум, низкотемпературной зоной, в которой
обеспечивают при сохранении сжимающего усилия геометрический и силовой контакт со
стенками реактора и обеспечивают связывание, по меньшей мере, мелких компонентов с
образованием устойчивых по форме и структуре конгломератов, причем в процессе прохождения через реакционные зоны отбор веществ не производят, а получаемые продукты
реакции при необходимости после полного завершения подготовки, превращения и последующей обработки веществ подвергают быстрому охлаждению. Камеру реактора с
нижним дутьем, расположенную в продольном направлении колосниковой решетки,
снабжают воздухом для сгорания таким образом, что отходы воспламеняют в зоне загрузки колосниковой решетки при подаче кислорода при соотношении выше стехиометрического. В направлении вывода шлаков сгорание ограничивают соотношением ниже
стехиометрического, которое необходимо для газообразования горючих составляющих.
Недостатком рассмотренных выше способов переработки отходов является неэффективно организованный процесс термического разложения, что обусловлено схемой подачи
их в газогенератор, и соответственно низкий выход горючего газа в процессе термического деструкции углесодержащей органики.
Предложен также способ утилизации органических отходов в непрерывном режиме
[8]. Техническое решение предусматривает пиролиз отходов в слое при подаче окислителя
и вдувании продуктов горения дополнительного топлива в слой отходов. Продукты пиролиза разделяют на твердый коксовый остаток и газообразную составляющую, сжигают
коксовый остаток с использованием вторичного воздуха и продуктов сгорания дополнительного топлива. Дожигают газообразную составляющую при подаче продуктов сгорания дополнительного топлива от горелок, размещенных по периметру камеры дожигания.
Пиролиз осуществляют при температуре 900-950 °С и коэффициенте расхода воздуха α,
равном 0,90-0,95, продукты сгорания дополнительного топлива при сжигании коксового
остатка подают вдоль его поверхности при температуре 1050-1100 °С и α = 1,15-1,20, а
при сжигании газообразной составляющей продукты сгорания дополнительного топлива
подают факелами острого дутья, направленными поперечно направлению потока газообразной составляющей, поддерживают температуру 1100-1200 °С и α = 1,20-1,25. При этом
твердый остаток распределяется по всей длине наклонного реактора и выгружается в конце реактора. Требуемая степень разложения исходного продукта и заданная величина молекулярной массы конечного продукта достигается повторяющимися циклами
взаимодействия тяжелых жидких фракций с твердым остатком в реакторе. Способ позволяет утилизировать органические отходы с широко варьируемой молекулярной массой и
получать жидкий продукт заданного молекулярного состава.
Недостатком способа является неэффективно организованный процесс тепломассообмена паро-газовых компонентов и твердого остатка, что приводит к непроизводительным энергетическим потерям и ухудшает экологические параметры процесса.
Наиболее близок к предлагаемому техническому решению способ газификации органических отходов с предварительным частичным термическим окислением, который и
выбран в качестве прототипа [9]. Согласно известному способу, исходное сырье предварительно обезвоживают и подают в реактор вертикального типа снизу вверх. Процесс ведут в псевдоожиженном слое при температуре 800-1000 °С и давлении 10 атм. в две
стадии. Часть отходов разлагают с получением высокотемпературных газов, которые затем через канал с небольшим поперечным сечением выводят в зону получения водяного
пара, расположенную над зоной частичной газификации отходов. В зоне получения водяного пара остальную часть отходов нагревают до 800-1000 °С. Нагретые отходы обрабатывают водяным паром и получают горючий газ (синтез-газ) с концентрацией водорода
порядка 35-47 мас. %, оксида углерода 18-25 мас. % и двуокиси углерода 30-40 мас. %.
3
BY 9767 C1 2007.10.30
Газовую фазу, полученную в процессе пиролиза, отводят через отводной канал в верхней
части реактора. Твердые зольные продукты сгорания удаляют через шлюзовую камеру в
нижней части реактора.
Способ характеризуется низким выходом оксида углерода, что снижает энергетическую ценность горючего газа и эффективность технологического процесса переработки
органических отходов в целом.
Целью изобретения является получение синтез-газа с увеличенным содержанием доли
окиси углерода и повышение энергетической эффективности процесса переработки отходов в целом.
Поставленная цель достигается тем, что в способе газификации органических отходов
и низкокалорийного топлива, включающем предварительную подготовку и обезвоживание твердой фазы, подачу ее в реактор, термообработку с получением синтез-газа и удаление твердых зольных продуктов сгорания, согласно изобретению, обезвоживание
осуществляют путем центрифугирования, после подачи в реактор твердую фазу перемещают сверху вниз в пространстве реактора с одновременным ее непрерывным механическим рыхлением, при этом осуществляют термообработку в плотном слое в режиме
спутного фильтрационного горения позонно: в верхней зоне реактора ведут сушку при
температуре 200-440 °С с отводом и обратной подачей газообразных продуктов сгорания
и синтез-газа в нижнюю часть средней зоны реактора, в средней зоне, в верхней ее части,
проводят пиролиз в интервале температур 450-600 °С в среде перегретого пара, в нижней
части средней зоны осуществляют газификацию продуктов пиролиза в интервале температур 610-1100 °С с отбором синтез-газа, а в нижней зоне реактора в струе противотока
свежего воздуха осуществляют окисление свободного углерода в интервале температур
350-1000 °С с последующей подачей окисленного углерода в нижнюю часть средней зоны
реактора, причем обезвоженную органическую твердую фазу подают в реактор, а зольные
продукты сгорания удаляют из него посредством шнековых транспортеров.
Синтез-газ частично используют в технологическом процессе для получения перегретого пара, который затем подают в зону пиролиза.
Механическое рыхление твердой фазы и зольных продуктов сгорания осуществляют
лопастным вертикальным рыхлителем.
Отличительным признаком предлагаемого способа переработки является организация
в реакторе схемы газификации органических компонентов в режиме спутного фильтрационного горения. При таком процессе направление распространения тепловой волны совпадает с направлением движения фильтрующего газа и тем самым естественно
реализуется рекуперация тепла, извлекаемого из продуктов горения фильтрующимся газом, которое сразу же возвращается в зону реакции. Рекуперация тепла существенно повышает температуру в зоне горения, компенсируя малую калорийность перерабатываемой
органики, что позволяет эффективно утилизировать такие отходы, как фекальные массы,
органическую составляющую иловых отложений сточных вод или низкосортные бурые
угли, горючие сланцы и т.д.
Процесс спутного фильтрационного горения позволяет поддерживать устойчивую реакцию окисления углерода, получая необходимое количество тепловой энергии для проведения процесса газификации. При этом реализуют принцип последовательной
двухступенчатой реакции окисления ↔ восстановления углерода:
I-стадия: С + O2 = CO2,
II-стадия: 2С + O2 = 2CO.
Существенно, что вторую стадию окисления углерода проводят в среде с недостатком
кислорода с тем, чтобы создать условия для максимального выхода окиси углерода (СО).
Для этого подачу свежего воздуха осуществляют противотоком, непосредственно в нижнюю часть реактора с тем, чтобы его нагрев перед поступлением в зону реакции окисле4
BY 9767 C1 2007.10.30
ния обеспечивал охлаждение твердого зольного остатка, что приводит к более глубокому
выжиганию кислорода и дополнительному выходу СО.
После первой стадии газификации продукты реакции направляют в зону с раскаленным свободным углеродом, где обеспечивают протекание следующих реакций:
С + CO2 = 2CO,
С + 2CO = 2С + CO2 ,
здесь существенно, что в заданном температурном интервале последняя реакция с образованием CO2 протекает с относительно малой скоростью, тем самым оптимизируется процесс получения окиси углерода СО.
Далее, благодаря созданию над зоной горения протяженной по высоте реактора зоны
парового пиролитического воздействия в присутствии СО происходит интенсивное восстановление водорода H2 из паровой фазы H2O в температурном интервале 610-1100 °С:
СО + H2O = CO2 + H.
Для обеспечения оптимального режима выхода водорода H2, который зависит от
влажности поступающего сырья и концентрации пара в этой зоне, предусмотрена дополнительная подача сухого перегретого водяного пара с температурой порядка 500 °С.
Кроме этого, в зоне парового пиролитического воздействия температуры на газообразные продукты происходит реакция образования метана:
СО + 3H2 + CH4 + H2O ,
и небольшого количества других углеводородов и сложных молекул из органической части отходов.
Таким образом, на выходе из зоны парового термолиза получают энергетический газ
(синтез-газ) сложного состава:
СО + H2 + CH4 + СО + H2O + N2 + другие углеводороды.
Для обеспечения максимальной тепловой эффективности процесса над зоной пиролиза организована зона сушки органических отходов. Для этого подачу органических отходов после обезвоживания в центрифуге осуществляют в уплотненном виде посредством
шнека, обеспечивая герметичность реактора и исключая попадание в него кислорода. При
этом температуру газовой фазы после выхода из зоны сушки поддерживают выше температуры конденсации водяных паров.
Для обеспечения равномерной фильтрации газов и паров через колонну реактора в
нем по оси на всю высоту размещены рыхлители лопастного типа. Медленным вращением
лопастей рыхлителя предотвращают комкование твердой фазы, а также ее напорное перемещение сверху вниз по всей высоте колонны реактора. Такое перемешивание обеспечивает гомогенные гидродинамические условия для фильтрации газов и взаимодействия
реагентов по всему пространству реакционных зон, а также однородность процессов сушки в верхней части реактора.
Окисление углерода на первой стадии реакции в сочетании с последующим восстановлением CO2 до СО и пиролитическим паровым воздействием на газообразные и твердые органические продукты на последней стадии (в зоне газификации) позволяет резко
уменьшить образование диоксинов (полихлорированных дибензодиоксинов и дибензофуронов), относящихся к группе стойких органических загрязнителей. В этих условиях, даже
при наличии соединений хлора и цинка, многостадийный процесс термического воздействия на газообразные продукты химических реакций подавляет процесс появления диоксинов.
Сущность способа поясняется чертежом, где на фигуре представлена блок-схема технологического процесса газификации в реакторе вертикального типа с уплотненным слоем.
5
BY 9767 C1 2007.10.30
Технологическая установка содержит роторную центрифугу 1 со шнековым транспортером 2, который герметично подсоединен к реактору 3 в зоне загрузки. На крышке 11
технологического люка 5 соосно центральной оси реактора 3 смонтирован приводной
двигатель 4, вал 12 которого связан с лопастным вертикальным рыхлителем 6. В нижней
конической части корпуса реактора 3 выполнены воздухоподводящие каналы 10, а в малом основании конуса смонтирован разгрузочный шнековый транспортер 7 для удаления
золы 18. Реактор 3 по вертикали в верхней части содержит зону сушки, в средней части зоны пиролиза, газификации и восстановления, а в нижней части - зоны выгорания кислорода O2, окисления углерода С и зону выгрузки твердых продуктов сгорания (золы). В цилиндрической части корпуса реактора 3, в зоне окисления, смонтирована система подачи
топлива с горелками 9 для розжига реактора 3. В корпус реактора 3 в зонах пиролиза, газификации и восстановления вмонтированы газопроводы 13, 14, 15 соответственно для
подвода перегретого пара, отбора синтез-газа и возврата первичных газообразных продуктов сгорания (синтез-газа - сырца). К газопроводу 14 подсоединен газопровод 16 для частичного отбора синтез-газа и подачи его в топку котла газогенератора 8, снабженного
пароперегревателем (на чертеже не показано), который в свою очередь связан газопроводом 13 с зоной пиролиза реактора 3.
Способ реализуют следующим образом. В реактор 3 через форсунки 9 подают топливо
(жидкое или газообразное), зажигают факел, а через каналы 10 снизу вверх подают свежий воздух для поддержания процесса горения и выводят реактор на рабочий режим. Затем в центрифугу 1 загружают исходное сырье (водную суспензию органических отходов фекальные отходы или суспензию мелкодисперсного низкокалорийного топлива - бурый
уголь) и обезвоживают до 55-60 %. Полученную плотную сырьевую массу 17 шнековым
транспортером 2 подают в зону сушки реактора 3. Сушку ведут в интервале температур
200-440 °С. При этом посредством двигателя 4 приводят во вращение вал 12 лопастного
вертикального рыхлителя 6 и организуют непрерывное механическое рыхлением и перемещение сверху вниз сырьевой массы 17, обеспечивая одновременно противоточное движение сквозь нее газообразных продуктов разложения. После сушки сырьевая масса 17
поступает в зону пиролиза. А из зоны сушки пары воды и синтез-газ (сырец) по трубопроводу 15 возвращают в нижнюю часть зоны газификации (в зону восстановления) реактора
3 для обеспечения полной термической деструкции органической составляющей. Направляемый на повторную газификацию синтез-газ (сырец) имеет сложный состав и включает:
синтез-газ (сырец) = СО + H2 + CH4 + CO2 + H2O + N2 + CnH2m .
В процессе термической переработки обеспечивают низкую линейную скорость
фильтрации газообразных продуктов (V = 0,1-0,3 м/с) и тем самым организуют сверхадиабатический процесса сжигания, т.е. создают режим спутного фильтрационного горения,
когда направление распространения тепловой волны совпадает с направлением движения
фильтрующего газа. При такой схеме ведения процесса горения в реакторе 3 естественным образом реализуется рекуперация тепла, которое извлекается из твердых продуктов
сгорания (золы) фильтрующимся газом и возвращается в зону реакции. В результате зола
18 поступает на выгрузку в шнековый транспортер 7 с температурой порядка 75-95 °С, в
зоне окисления углерода С температурный режим поддерживают в интервале 350-600 °С,
а в зоне выгорания кислорода O2 температуру задают порядка 1000 °С. Рекуперация тепла
компенсирует недостаточную калорийность сжигаемых отходов или низкосортного топлива и позволяет поддерживать устойчивую реакцию окисления углерода и получать тепло, необходимое для проведения процесса газификации.
Пиролиз проводят при температуре 450-600 °С в среде перегретого пара. Для этого в
зону пиролиза по газопроводу 13 из пароперегревателя (на чертеже не показан) подают
сухой перегретый пар с температурой около 500 °С из парового котла 8. Энергообеспечение котла 8 осуществляют сжиганием части готового синтез-газа, который отбирают из
6
BY 9767 C1 2007.10.30
газопровода 14 и по отводному газопроводу 16 и подают в топку (на чертеже не показано)
котла 8.
Продукты пиролиза поступают в зону газификации и восстановления, где в интервале
температур 610-1100 °С образуются компоненты синтез-газа. В процессе газификации
происходит также разложение азотсодержащих органических соединений в обедненной
кислородом среде, что существенно снижает образование оксидов азота. Получаемый синтез-газ по газопроводу 14 отводят из реактора 3 и используют в технологических процессах для производства тепловой или электрической энергии. Твердые остатки - золу 18 используют при приготовлении компоста.
В таблице в качестве конкретных примеров реализации способа приведены параметры
синтез-газа, полученного при переработке фекальных отходов и газификации низкокалорийного топлива - бурого угля.
Параметры
СО, об. %
H2, об. %
CO2, об. %
CnH2m, об. %
N2, об. %
Теплотворная способность, кДж/кг
Выход газа, м3/т
Фекальные отходы
24-32
15-25
6-16
0,5-0,9
53-58
6000-7500
1600
Бурый уголь
36-45
22-30
5-7
0,8-1,2
52-54
8000-9000
2000
Как видно из таблицы, разработанный способ газификации дает хороший выход готового продукта, а качественный состав синтез-газа, в отличие от прототипа, характеризуется повышенным содержанием энергетического компонента - окиси углерода, что и
обеспечивает его высокую теплотворную способность. Кроме того, технологический процесс имеет высокий энергетический КПД - до 95 %, экологически чист, так как отсутствует пылевыделение и исключен выход смолистых составляющих, которые полностью
выгорают при газификации.
Предлагаемый способ газификации органических отходов и низкокалорийного топлива испытан в условиях экспериментального производства и подготовлена техническая документация для опытно-промышленного освоения.
Источники информации:
1. RU 2150045 C1, 2000.
2. RU 2079051 C1, 1997.
3. US 4732091, 1988.
4. BY 4135 C1, 2001.
5. BY 3570 C1, 2000.
6. EP 1112970 A1, 2001.
7. EP 0428806 A1, 1991.
8. WO 02/074844 A1.
9. JP 05287282 А, 1993.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
127 Кб
Теги
патент, by9767
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа