способ переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза и установка для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, включающий высокоскоростной нагрев в реакторе измельченного исходного сырья до температуры его деструкции с последующим отводом образующихся парогазовой фракции и твердых минеральных продуктов для дальнейшей конденсации и/или переработки, отличающийся тем, что высокоскоростной нагрев исходного сырья проводят одновременно с его измельчением в реакторе путем перемешивания исходного сырья с нагретыми билами, выполненными из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве бил используют металлические шары из износостойкого материала.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что била нагревают косвенным теплообменом через стенку реактора.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердые минеральные продукты измельчают до размера частиц менее 40 мкм.

5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что конденсацию парогазовой фракции ведут путем ее косвенного охлаждения жидким теплоносителем при одновременной центробежной сепарации, а несконденсированный газ компримируют и заполняют им баллоны, при этом часть сжатого газа направляют на сжигание для нагрева бил, причем выгружаемые твердые минеральные продукты охлаждают жидким теплоносителем, поступающим из контура охлаждения парогазовой фракции на стадии конденсации, который затем направляют на предварительный нагрев исходного сырья при его загрузке в реактор, после чего его возвращают в контуры охлаждения парогазовой фракции на стадии конденсации.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед загрузкой реактора исходным сырьем его полости заполняют инертным газом.

7. Установка для переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, содержащая реактор в виде горизонтального барабана, снабженного перемешивающими лопастями, к которому подсоединен блок загрузки исходного сырья в виде шнека-распределителя, блоки нагрева исходного сырья и обжига твердого минерального продукта, блоки выгрузки твердого минерального продукта, отвода, конденсации и разделения парогазовой фракции, отличающийся тем, что реактор выполнен в виде барабанной мельницы, установленной неподвижно и заполненной не менее чем на половину билами, при этом реактор размещен в герметичном кожухе с образованием полости, в которой вдоль боковой нижней поверхности реактора с обеих сторон размещены горелки блока нагрева исходного сырья, при этом перемешивающие лопасти установлены с возможностью вращения относительно барабана мельницы на центральном валу, соединенным с приводом вращения, причем горелка обжига твердого минерального продукта установлена под окном его выхода из реактора, снабженного решеткой, в блок выгрузки, при этом полость реактора соединена с источником подачи инертного газа, причем блок загрузки исходного сырья снабжен загрузочным бункером и шнеком-дозатором, установленным на входе в шнек-распределитель, причем на выходах шнека-дозатора и блока выгрузки твердого минерального продукта, выполненного в виде шнека, установлены датчики измерения концентрации кислорода и клапаны, а на выходе из блока конденсации и разделения парогазовой фракции установлен датчик измерения концентрации кислорода.

8. Установка по п.7, отличающаяся тем, что на выходе несконденсированного газа из блока конденсации и разделения парогазовой фракции установлены трехходовой кран и компрессор, соединенный с узлом заправки баллонов и дренажным клапаном, перед которым установлен датчик измерения концентрации кислорода.

9. Установка по п.7, отличающаяся тем, что блок конденсации и разделения парогазовой смеси выполнен в виде последовательно соединенных циклонов-сепараторов.

10. Установка по п.1, отличающаяся тем, что горизонтальные оси всех шнеков и реактора расположены в одной вертикальной плоскости, при этом длина загрузочного окна исходного сырья в реактор и длина окна выхода твердого минерального продукта из реактора составляют не более половины длины реактора.

11. Установка по п.7, отличающаяся тем, что в загрузочном бункере размещена мешалка, соединенная с приводом, а на его выходе - шиберная заслонка, при этом бункер соединен с вибратором.

12. Установка по п.7, отличающаяся тем, что выход из полости кожуха соединен трубопроводом, проходящим через полость шнека-распределителя, с дымовой трубой.

13. Установка по п.7, отличающаяся тем, что она снабжена замкнутым циркуляционным контуром подачи теплоносителя с насосом, выполненная в виде рубашек охлаждения на циклонах-сепараторах блока конденсации и разделения парогазовой смеси и на выходе из шнека блока выгрузки твердого минерального продукта и камер подогрева на шнеке-дозаторе и загрузочном бункере, последовательно соединенных между собой, при этом насос установлен на выходе из камеры подогрева на загрузочном бункере перед входом в рубашку охлаждения последнего из циклонов-сепараторов.

14. Установка по п.7, отличающаяся тем, что перемешивающие лопасти выполнены рамной конструкции и установлены в диаметральной плоскости реактора.

15. Установка по п.14, отличающаяся тем, что перемешивающие лопасти установлены под углом к оси вала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области переработки минерального и твердого органосодержащего сырья, в частности угля, древесины и торфа, методом пиролиза с целью извлечения углеводородов и может найти применение в химической, лесоперерабатывающей отраслях, в теплоэнергетике и других отраслях промышленности.

Известен способ переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, включающий высокоскоростной нагрев в реакторе измельченного исходного сырья до температуры его деструкции с последующим отводом образующихся парогазовой фракции и твердых минеральных продуктов для дальнейшей конденсации и/или переработки (см. патент РФ №2201951, МКИ С 10 В 49/00, 2001 г.).

Известный способ за счет обеспечения высокоскоростного нагрева исходного сырья таким образом, что не успевают осуществиться промежуточные физико-химические процессы его превращения, позволяет приблизить параметры получения заданного вещества (температура, давление и др.) к параметрам границы его существования в конденсированной фазе, что является его достоинством.

Основные недостатки известного способа заключаются в его неэкономичности и низкой эффективности. Причем эти недостатки связаны между собой. Для обеспечения высокой эффективности процесса переработки минерального и твердого органосодержащего сырья с целью извлечения углеводородов необходимо иметь предварительно сильноизмельченное исходное сырье, имеющее большую поверхность, обеспечивающую проведение высокоскоростного нагрева. Это вызывает необходимость увеличения энергетических затрат на операцию предварительного измельчения исходного продукта. Увеличение же размеров предварительно измельченного исходного сырья частично повышает экономичность за счет снижения энергозатрат на измельчение, но снижается эффективность процесса извлечения углеводородов, т.к. увеличение размеров измельченного сырья приводит к уменьшению его поверхности теплообмена и тем самым затрудняется процесс мгновенного прогрева сырья на всю его глубину и соответственно затрудняется процесс выделения нового вещества.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является установка для переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, содержащая реактор в виде горизонтального барабана, снабженного перемешивающими лопастями, к которому подсоединен блок загрузки исходного сырья в виде шнека-распределителя, блоки нагрева исходного сырья и обжига твердого минерального продукта, блоки выгрузки твердого минерального продукта, отвода, конденсации и разделения парогазовой фракции (см. описание к предварительному патенту Республики Казахстан №764, МКИ С 10 В 1/10, 1993 г.).

Недостатками известной установки являются низкие эффективность и экономичность проведения процесса переработки органосодержащиего сырья с целью извлечения углеводородов, а также низкая производительность. Это связано с тем, что нагрев исходного сырья в реакторе осуществляется прямым его контактом с продуктами сгорания, выходящими из горелки, и с нагретым отожженным твердым минеральным продуктом, перемещающимся в направлении, противоположном движению исходного сырья в реакторе. Т.е. нагрев в данном случае поверхностный, поэтому протяженный во времени и в пространстве, а не локальный и объемный. Как следствие это приводит к низкой скорости нагрева и к увеличению времени пребывания исходного сырья в зоне реакции, а следовательно, и к снижению производительности установки. В результате увеличивается в процентном отношении образование легких трудно конденсируемых газов и уменьшается количество конденсируемых углеводородных фракций: бензиновой, керосиновой, дизельной и т.п.

Кроме того, вследствие низкого коэффициента деструкции исходного сырья на поверхности реактора образуются наслоения крупнодисперсных твердых образований из не полностью деструктурированного сырья и отожженного твердого минерального продукта. Это приводит к сокращению безремонтного срока работы реактора. При этом выгружаемый твердый осадок невозможно использовать как готовый продукт без предварительного отжига и измельчения.

Наличие свободного воздуха в реакторе в период запуска установки и ее останова повышает взрывоопасность проведения этих операций, что снижает надежность работы установки.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении экономичности и эффективности процесса переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, а также производительности и надежности работы установки.

Это достигается тем, что в способе переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, включающем высокоскоростной нагрев в реакторе измельченного исходного сырья до температуры его деструкции с последующим отводом образующихся парогазовой фракции и твердых минеральных продуктов для дальнейшей конденсации и/или переработки, согласно изобретению высокоскоростной нагрев исходного сырья проводят одновременно с его измельчением в реакторе путем перемешивания исходного сырья с нагретыми билами, выполненными из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.

При этом в качестве бил используют металлические шары из износостойкого материала, которые нагревают косвенным теплообменом через стенку реактора.

Причем твердые минеральные продукты измельчают до размера частиц менее 40 мкм.

Кроме того, конденсацию парогазовой фракции ведут путем ее косвенного охлаждения жидким теплоносителем при одновременной центробежной сепарации, а несконденсированный газ компремируют и заполняют им баллоны, при этом часть сжатого газа направляют на сжигание для нагрева бил, причем выгружаемые твердые минеральные продукты косвенно охлаждают жидким теплоносителем, поступающим из контура охлаждения парогазовой фракции на стадии конденсации, который затем направляют на предварительный нагрев исходного сырья при его загрузке в реактор, после чего его возвращают в контуры охлаждения парогазовой фракции на стадии конденсации, а перед загрузкой реактора исходным сырьем его полости заполняют инертным газом.

Это достигается тем, что в установке для переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, содержащей реактор в виде горизонтального барабана, снабженного перемешивающими лопастями, к которому подсоединен блок загрузки исходного сырья в виде шнека-распределителя, блоки нагрева исходного сырья и обжига твердого минерального продукта, блоки выгрузки твердого минерального продукта, отвода, конденсации и разделения парогазовой фракции, согласно изобретению реактор выполнен в виде барабанной мельницы, установленной неподвижно и заполненной не менее чем на половину билами, при этом реактор размещен в герметичном кожухе с образованием полости, в которой вдоль боковой нижней поверхности реактора с обеих сторон размещены горелки блока нагрева исходного сырья, при этом перемешивающие лопасти установлены с возможностью вращения относительно барабана мельницы на центральном валу, соединенным с приводом вращения, причем горелка обжига твердого минерального продукта установлена под окном его выхода из реактора, снабженного решеткой, в блок выгрузки, при этом полость реактора соединена с источником подачи инертного газа, причем блок загрузки исходного сырья снабжен загрузочным бункером и шнеком-дозатором, установленным на входе в шнек-распределитель, причем на выходах шнека-дозатора и блока выгрузки твердого минерального продукта, выполненного в виде шнека, установлены датчики измерения концентрации кислорода и клапаны, а на выходе из блока конденсации и разделения парогазовой фракции установлен датчик измерения концентрации кислорода.

Причем на выходе несконденсированного газа из блока конденсации и разделения парогазовой фракции установлены трехходовой кран и компрессор, соединенный с узлом заправки баллонов и дренажным клапаном, перед которым установлен датчик измерения концентрации кислорода, а блок конденсации и разделения парогазовой смеси выполнен в виде последовательно соединенных циклонов-сепараторов.

При этом горизонтальные оси всех шнеков и реактора расположены в одной вертикальной плоскости, при этом длина загрузочного окна исходного сырья в реактор и длина окна выхода твердого минерального продукта из реактора составляют не более половины длины реактора.

Кроме того, в загрузочном бункере размещена мешалка, соединенная с приводом, а на его выходе - шиберная заслонка, при этом бункер соединен с вибратором.

При этом выход из полости кожуха соединен трубопроводом, проходящим через полость шнека-распределителя, с дымовой трубой.

Установка может быть снабжена замкнутым циркуляционным контуром подачи теплоносителя с насосом, выполненная в виде рубашек охлаждения на циклонах-сепараторах блока конденсации и разделения парогазовой смеси и на выходе из шнека блока выгрузки твердого минерального продукта и камер подогрева на шнеке-дозаторе и загрузочном бункере, последовательно соединенных между собой, при этом насос установлен на выходе из камеры подогрева на загрузочном бункере перед входом в рубашку охлаждения последнего из циклонов-сепараторов.

Причем перемешивающие лопасти выполнены рамной конструкции и установлены в диаметральной плоскости реактора под углом к оси вала.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Проведение высокоскоростного нагрева исходного сырья одновременно с его измельчением в барабанной мельнице, наполовину заполненной нагретыми билами из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, с которыми они перемешиваются, позволяют значительно повысить эффективность и экономичность процесса пиролиза. Это связано с тем, что измельченное нагретыми билами исходное сырье мгновенно нагревается ими же в барабане мельницы, что приводит к мгновенной деструкции исходного сырья с получением новых веществ. Использование в качестве бил металлических шаров повышает износостойкость корпуса реактора, а следовательно, его надежность. Измельчение твердого минерального продукта до размера частиц менее 40 мкм обеспечивает наиболее благоприятные условия для его дальнейшего использования как готового продукта. Выполнение горизонтального реактора с неподвижным барабаном и вращающимися относительно него перемешивающими лопастями обеспечивает простоту решения задач герметизации неподвижного реактора и косвенного нагрева металлических шаров в процессе измельчения и нагрева ими исходного сырья. Выполнение перемешивающих лопастей рамной конструкции обеспечивает перемещение шаров с исходным сырьем только в нижней части реактора с минимальной затратой энергии, затрачиваемой только на их вынос в верхние слои. Применение отдельных блоков отжига твердого минерального продукта и нагрева исходного сырья и замкнутой циркуляционной системы подачи теплоносителя обеспечивает наиболее эффективное и полное использование теплоты образующихся продуктов сгорания отдельных горелок на стадиях извлечения углеводородов из исходного сырья.

На фиг.1 представлена схема установки для переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, на фиг.2 - сечение А-А реактора.

Установка содержит загрузочный бункер 1 с шиберной заслонкой 2 в выгрузочном канале и мешалкой 3. Бункер 1 может быть соединен с вибратором (условно не показан) при выгрузке сыпучего сырья. Выход из бункера 1 соединен с загрузочным окном шнека-дозатора 4, соединенного с приводом вращения, выход которого через клапан 5 соединен со шнеком-распределителем 6, соединенным с приводом вращения. Установка включает цилиндрический реактор 7, установленный горизонтально и выполненный в виде барабанной мельницы, в данном случае шаровой, наполовину заполненной металлическими шарами из материала с высоким коэффициентом теплопроводности. Реактор 7 расположен в герметичном кожухе 9 с образованием полости 10 и установлен неподвижно, а внутри его размещен по оси центральный вал 11, соединенный с приводом вращения, на котором закреплены перемешивающие лопасти 12 с возможностью вращения относительно реактора 7, выполненные рамной конструкции. Перемешивающие лопасти 12 установлены в диаметральной плоскости реактора 7 под углом к оси вала 11, обеспечивая тем самым при их вращении перемещение содержимого реактора 7 вдоль его оси в направлении от загрузочного окна 13 реактора 7 к окну выхода твердого минерального продукта 14, снабженного решеткой, препятствующей выпадению шаров 8. Длина загрузочного окна 13 и окна 14 составляет не более половины длины реактора 7. Под окном 14 реактора 7 установлена горелка 15 блока обжига твердого минерального продукта. В полости 10 вдоль обеих сторон нижней боковой поверхности реактора 7 установлены горелки 16 и 17 блока нагрева исходного сырья (см. фиг.2). Окно выхода твердого минерального продукта 14 из реактора 7 соединено со шнеком 18 блока выгрузки твердого минерального продукта, на выходе из которого установлен клапан 19.

Полость реактора 7 сообщена с источником подачи инертного газа (азота) 20, с дымовой трубой 21, с блоком конденсации и разделения парогазовой фракции, выполненным, например, в виде двух последовательно соединенных циклонов-сепараторов 22 и 23, при этом выход из второго циклона-сепаратора 23 через трехходовой кран 24, компрессор 25 и узел заправки 26 соединен с баллонами 27. На узле заправки 26 баллонов 27 сжатым газом установлен дренажный клапан 28. Баллоны 27 могут быть соединены с горелками 15, 16 и 17 блоков отжига твердого минерального продукта и нагрева исходного сырья. За клапаном 5, а также перед клапанами 19 и 28 и трехходовым краном 24 установлены датчики измерения концентрации кислорода 29, электрически соединенные с соответствующими клапанами и с системой управления процессом пиролиза установки. Загрузочный бункер 1 и шнек-дозатор 4 снабжены камерами подогрева, а на циклонах-сепараторах 22 и 23 и на патрубке вывода отожженного твердого минерального продукта из шнека 18 установлены рубашки охлаждения, которые последовательно соединены между собой, образуя замкнутый циркуляционный контур подачи теплоносителя с насосом 30, установленным на линии, соединяющей выход из камеры подогрева бункера 1 со входом в рубашку охлаждения второго циклона-сепаратора 23. Трубопровод выброса отработанных продуктов сгорания из полости 10 проходит через камеру нагрева шнека-распределителя 6. Оси валов шнека-дозатора 4, шнека-распределителя 6, барабанной мельницы (реактора) 7 и шнека блока выгрузки твердого минерального продукта расположены в одной вертикальной плоскости.

Установка для переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза работает следующим образом.

Предварительно заполняют циркуляционный контур теплоносителем (рабочей жидкостью). Одновременно загружают исходное сырье, например кусковой уголь или торф, в загрузочный бункер 1 при закрытой шиберной задвижке 2, а полость реактора 7 и сообщающиеся с ним блоки при закрытых клапанах 5, 19, 28 и трехходовом кране 24 заполняют инертным газом (азотом) до рабочего давления от источника 20 (патрубки выхода сконденсированных фракций из циклонов-сепараторов 22 и 23 перекрыты). Затем при закрытых клапанах 5, 19 и 28 и открытом на дренаж трехходовом кране 24 сбрасывают азот из установки до небольшого избыточного давления в ней. Повторяют эти операции с постоянным контролем концентрации кислорода по датчикам 29 и при достижении его концентрации заданного значения (при котором взрыв пылегазовоздушной смеси исключен) процесс замещения воздуха в системе на инертную среду (азот) прекращают и трехходовой кран закрывают. Одновременно с процессом замещения воздуха на азот включают ТЭНы (трубчатые электронагреватели условно не показаны) в камерах подогрева загрузочного бункера 1 и шнека-дозатора 4, доводя в них температуру теплоносителя соответственно до 60°С и 80°С, и запускают горелки 16 и 17 блока нагрева исходного сырья при постоянном вращении центрального вала 11 с перемешивающими лопастями 12 в реакторе 7, обеспечивая равномерный нагрев металлических шаров 8 через стенку реактора до температуры 400...600°С. Отработанные продукты сгорания из полости 10 поступают через камеру нагрева шнека-распределителя 6 в дымовую трубу 21. После достижения указанных выше параметров в установке включают мешалку 3 для взрыхления и перемешивания исходного сырья в бункере 1, открывают клапана 5 и 19, включают приводы шнеков 4, 6 и 18, циркуляционный насос 30 (выключают ТЭНы в камерах подогрева бункера 1 и шнека 4), запускают горелку 15 блока отжига твердого минерального продукта и сообщают патрубки выхода сконденсированных фракций из циклонов-сепараторов 22 и 23 в герметичные емкости (условно не показаны), включают компрессор 25 и открывают напрямую трехходовой кран 24 и дренажный клапан 28. Исходное сырье, нагретое в бункере 1 до 60°С и взрыхленное мешалкой 3, последовательно перемещается шнеками 4 и 6, в которых оно нагревается до температур 80°С и 150...200°С соответственно, причем находящаяся в нем влага испаряется и через загрузочное окно 13 кусками падает внутрь шаровой барабанной мельницы (реактора) 7. Куски исходного сырья одновременно разрушаются и измельчаются и мгновенно нагреваются при перемешивании лопастями 12 с нагретыми до температур 400...600°С шарами 8. При этих температурах происходит пиролиз исходного сырья без доступа кислорода воздуха с мгновенным выделением пиролизного газа, содержащего преимущественно лекгоконденсируемые углеводороды, которые под избыточным давлением поступают в последовательно соединенные циклоны-сепараторы 22 и 23 с рубашками охлаждения (в зависимости от состава углеводородов, образующихся при пиролизе исходного сырья, может быть установлено соответствующее количество циклонов-сепараторов для выделения дизельного топлива, керосина, бензина и т.п.). В рубашки охлаждения циклонов-сепараторов 22 и 23 насосом 30 подается охлаждающая жидкость с температурой, полученной на выходе камеры подогрева бункера 1 после отдачи тепла исходному сырью. В циклоне-сепараторе 22 выделяется фракция - аналог дизельному топливу, а в циклоне-сепараторе 23 фракция - аналог бензину, которые заполняют герметичные емкости, а неконденсирующиеся газы, являющиеся в основном топливными газами, через открытый напрямую трехходовой кран 24 компремируются в компрессоре 25, при этом затем часть газов выбрасывается в атмосферу через клапан 28 до тех пор, пока концентрация кислорода по датчику 29 не достигнет заданного значения.

После этого клапан 28 закрывают и через узел заправки 26 заполнят баллоны 27 сжатым газом. По мере необходимости сжатый газ из баллона 27 может подаваться в качестве топлива в горелки 15, 16 и 17. В процессе пиролиза исходного сырья твердый минеральный продукт измельчается до размеров менее 40 мкм и высыпается через окно 14 в шнек 18, предварительно пройдя обжиг продуктами сгорания горелки 15, который выгружает его через клапан 19 и охлаждаемый патрубок в специальный приемник (условно не показан). Поскольку процесс пиролиза происходит мгновенно, буквально с поступлением первой порции исходного сырья в реактор 7, то мгновенно образуется и газообразная фаза, которая вытесняет инертный газ (азот) из установки, тем самым обеспечивая высокую степень взрывобезопасности проведения процесса пиролиза. Охлажденный мелкоизмельченный твердый минеральный продукт может использоваться при производстве строительных материалов. В случае переработки бедных углей возможно получение твердого минерального продукта в виде мелкодисперсного полукокса, а в случае переработки сырья, содержащего ценные или редкие элементы, такие как Ni, Nb, Та и др., твердый минеральный продукт может быть направлен на обогащение.

Использование изобретения позволит значительно повысить эффективность и экономичность процесса переработки минерального и твердого органосодержащего сырья методом пиролиза, а также повысить производительность установки и надежность ее работы.