способ и установка термической переработки высокозольных и низкокалорийных твердых топлив

Формула изобретения

1. Способ термической переработки низкосортных твердых топлив, например сланцев и бурых углей, включающий их измельчение, сушку, пиролиз твердым теплоносителем совместно с углеводородными отходами с получением парогазовой смеси и твердого углеродного остатка, очистку и конденсацию парогазовой смеси с получением ценных жидких и газообразных продуктов, сжигание твердого углеродного остатка с образованием смеси твердого теплоносителя с дымовыми газами и отделение от твердого теплоносителя дымовых газов, отличающийся тем, что в качестве углеводородных отходов используют жидкие углеводороды, битумы, гудроны и нефтяные отходы, которые предварительно добавляют к топливу после стадии сушки и к горячему твердому теплоносителю в контактную камеру, после чего полученную смесь подают на стадию пиролиза в реактор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводородных отходов используют природный битум, нагретый до 60-90°С с добавлением растворителя и подаваемый на смешение в количестве до 10-15 вес.% от перерабатываемого твердого топлива.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеводородных отходов используют гудрон, нагретый до 50-70°С с добавлением растворителя и подаваемый на смешение в количестве до 10-40 вес.% от перерабатываемого твердого топлива.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве тяжелых нефтяных отходов используют тяжелые нефтяные остатки с добавлением растворителя, подаваемые на смешение в количестве до 50 вес.% от перерабатываемого твердого топлива.

5. Установка для термической переработки низкосортных твердых топлив, например сланец и бурых углей, содержащая устройство для измельчения сырого топлива, сушилку, реактор пиролиза, подключенный к системам очистки и конденсации парогазовой смеси, технологическую топку, соединенную с реактором пиролиза и снабженную циклоном твердого теплоносителя, и контактную камеру перед реактором, подключенную входом к сушилке и к выводу твердого теплоносителя из циклона, а выходом - к реактору пиролиза, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит технологические узлы подготовки углеводородных и нефтяных отходов, включающие накопительные емкости, а также аппараты для смешения углеводородов с растворителями и устройства подачи смеси, соединенные с входом в контактную камеру.

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что контактная камера предварительной подготовки пиролизуемого сырья имеет вводы жидких обрабатываемых углеводородов и подача жидкого сырья осуществляется на поток подсушенного топлива на высоте 1,75 Д по образующей цилиндрической контактной камеры с диаметром Д.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к термической переработке высокозольных и/или низкосортных топлив, в т.ч. горючих сланцев, бурых углей и может быть применено в сланцеперерабатывающей, углеперерабатывающей, нефтехимической промышленностях, а также в энергетике при энерготехнологическом использовании высокозольных и других низкокалорийных (низкосортных) топлив на электростанциях.

Известен способ термической переработки бурых углей, включающий дробление и сушку угля, его пиролиз твердым теплоносителем с получением парогазовой смеси и твердого углеродного остатка. Парогазовую смесь очищают и конденсируют по фракциям жидких продуктов. Твердый углеродный остаток сжигают с получением теплоносителя, возвращаемого на стадию пиролиза (см. А.И.Андрющенко, А.И.Попов «Основы проектирования энерготехнологических установок электростанций. М.: Высшая школа, 1986 г., с.191-194).

Недостатком указанного способа является недостаточный выход ценных жидких и газообразных фракций, так как в качестве исходного сырья используют только низкосортные виды топлив.

Известен способ термической переработки сланцев, включающий его измельчение, смешение с тяжелыми нефтяными остатками и крекинг смеси с получением ценных жидких продуктов (патент РФ №2178448, опубл. 20.01.2002 г., кл. С10G 9/00).

Недостатком в данном процессе является то, что сланец используют не как основное сырье, а как органоминеральную добавку, стимулирующую увеличение выхода жидких продуктов при крекинге тяжелых нефтяных остатков.

Известен способ и установка для термической переработки высокозольных топлив, например горючих сланцев, включающий пиролиз, осуществляемый с помощью циркулирующего твердого теплоносителя с образованием парогазовых продуктов и коксозольного остатка, сжигание последнего с образованием газовзвеси, постадийное разделение последней на циркулирующий твердый теплоноситель, возвращаемый на стадию пиролиза, и газообразный сушильный агент; при этом часть дымовых газов после сушки рециркулирует путем изменения расходов подаваемой на охлаждение золодымовой смеси, находящуюся в ней органику дожигают совместно с отработанным сушильным агентом перед сбросом в атмосферу (патент № РФ 2118979, опубл. 20.09.98, кл. С10В 53/06, 49/18).

Недостатком упомянутого способа является отсутствие рекомендаций и режимных параметров, позволяющих осуществлять переработку гудронов, битумов и тяжелых остатков нефтеперерабатывающих производств совместно с пиролизуемыми топливами (сланцами, углями), а также трудности связывания серы как в газах пиролиза, так и в дымовых газах перед сбросом их в атмосферу, требующих использования дорогостоящей аппаратуры сероочистки от N₂S и SO ₂.

Наиболее близким техническим решением, относящемся к способу, является способ термической утилизации органических отходов, содержащих серу. В качестве твердого топлива для пиролиза применяют мелкозернистый горючий сланец, а в качестве органических отходов используют твердые частицы автопокрышек, подаваемые в количестве до 10 мас.% от исходного сланца и грунты, пески, загрязненные до 40% углеводородными составами, подаваемыми в количестве до 40% от исходного сланца (патент № РФ 2117688, опубл. 20.08.98, кл. С10В 53/06).

По этому способу термическая переработка сланца осуществляется по схеме УТТ в барабанном вращающем реакторе, куда поступает из смесителя поток дисперсных частиц, состоящий из смеси подсушенного в аэрофонтанной сушилке топливных частиц и зольного нагретого в аэрофонтанной топке теплоносителя, разделяемого после аэрофонтанной топки на поток твердого теплоносителя, поступающего через смеситель в реактор на пиролиз, выводимый зольный остаток, и дымовые газы, направляемые в аэрофонтанную сушилку и выводимые через сепараторы, и электрофильтр в атмосферу, а также способ предусматривает сухую очистку парогазовой смеси после реактора в пылеосадительной камере, снабженной встроенными циклонами, дальнейшую конденсацию парогазовой смеси с получением жидких фракций смолы, высококалорийного газа, фенолосодержащей воды пиролиза.

Недостатком упомянутого способа является то, что он предусматривает пиролиз твердых органических отходов, грунтов, дробленых покрышек совместно с исходным сланцем, которые подают на переработку на стадии топливоподготовки до сушки. Подача жидких углеводородов до сушки исключается, т.к. возможен преждевременный термолиз, пиролиз, спекание с исходным топливом и т.п. и потеря части углеводородов при выбросе после сушки с дымовыми газами.

Наиболее близким техническим решением, относящимся к установке, является установка для термической переработки сланцев с твердым теплоносителем (патент РФ №2182588, опубл. 20.05.2002, кл. С10В 53/06).

Известная установка содержит последовательно установленные средство для измельчения сланца, аэрофонтанную сушилку, реактор пиролиза и технологическую топку. Реактор пиролиза подключен к системам очистки и конденсации парогазовой смеси. Технологическая топка дополнительно соединена через циклон твердого теплоносителя с реактором пиролиза.

Упомянутая установка для термической переработки сланца с твердым теплоносителем, на которой осуществлена термическая переработка горючих сланцев (пиролиз), включает стадию сушки мелкозернистого топлива в аэрофонтанной сушилке, частичное смешение в камере подготовки сырья с циркулирующим горячим твердым теплоносителем (золой), поступающим из аэрофонтанной технологической топки, стадию пиролиза (полукоксования) в барабанном вращающемся реакторе с образованием парогазовой смеси, дожиг коксозольного остатка пиролиза, направляемого из реактора в аэрофонтанную топку, стадию очистки дымовых газов после аэрофонтанной сушилки, стадию сухой очистки парогазовой смеси в пылеосадительной камере с последующей фракционной конденсацией парогазовой смеси с выделением фракций смолы, газа пиролиза, фенолосодержащей воды пиролиза.

Недостатком данной установки является отсутствие в ее аппаратурном оформлении оборудования для подготовки к пиролизу жидких добавляемых к сланцу битумов, гудронов и нефтяных остатков, а также реагентов для связывания серы к сланцам с низким содержанием окислов кальция. Кроме того отсутствует конструктивное оформление камеры первичного контакта с подсушенным сланцем жидких добавляемых углеводородов, позволяющее избежать закоксовывание камеры при неуправляемом контакте с высокотемпературным твердым теплоносителем.

Целью изобретения (способа и установки) является увеличение выхода качественных малосернистых углеводородных, в т.ч. моторных топлив за счет дополнительного пиролиза природных битумов, отходов нефтепереработки: гудронов, высокосернистых нефтяных остатков, совместно с основными пиролизуемыми топливами, а также обеспечение утилизации упомянутых отходов для защиты окружающей среды; ликвидации захоронений, уменьшение затрат, связанных со строительством традиционных очистных установок и сооружений или установок по сжиганию отходов.

При этом десульфуризация осуществляется как за счет свободной окиси кальция, содержащейся в минеральном остатке - золе сланцев, или при подаче дополнительной окиси кальция в стехиометрическом соотношении для связывания серы исходного топлива.

Для устранения отмеченных недостатков и достижения технических результатов в предлагаемом способе термической переработки низкосортных твердых топлив, например сланцев и бурых углей, их измельчают, сушат, пиролизуют твердым теплоносителем совместно с добавляемыми углеводородными отходами с получением парогазовой смеси и твердого углеродного остатка, очищают и конденсируют парогазовую смесь с получением ценных жидких и газообразных продуктов, сжигают твердый углеродный остаток с образованием смеси твердого теплоносителя и дымовых газов и отделяют твердый теплоноситель от дымовых газов; при этом в качестве углеводородных отходов используют жидкие углеводороды и нефтяные отходы, которые предварительно добавляют после стадии сушки к высушенному твердому теплоносителю в контактную камеру перед реактором и полученную смесь подают на стадию пиролиза в реактор.

В качестве углеводородных отходов используют природный битум, нагретый до 60-90°С, с добавлением растворителя и подаваемый на смешение в количестве до 10-15 вес.% от перерабатываемого твердого топлива.

В качестве углеводородных отходов используют гудрон, нагретый до 50-70°С, с добавлением растворителя и подаваемый на смешение в количестве до 10-40 вес.% от перерабатываемого твердого топлива.

В качестве тяжелых нефтяных отходов используют тяжелые нефтяные остатки с добавлением растворителя, подаваемые на смешение в количестве до 50 вес.% от перерабатываемого твердого топлива.

Для достижения поставленной задачи установка термической переработки низкосортных твердых топлив содержит устройство для измельчения сырого топлива, сушилку, реактор пиролиза, подключенный к системам очистки и конденсации парогазовой смеси, технологическую топку, соединенную с реактором пиролиза и снабженную циклоном твердого теплоносителя, и контактную камеру, подключенную входом к сушилке и к выводу твердого теплоносителя из циклона, а выходом - к реактору пиролиза, а также установка дополнительно содержит технологические узлы подготовки углеводородных отходов, соединенные с входом в контактную камеру перед реактором.

Контактная камера перед реактором для предварительной подготовки пиролизуемого сырья с подсушенным топливом имеет вводы жидких обрабатываемых углеводородов и подача подготовленного жидкого сырья осуществляется на движущийся слой подсушенного топлива на высоте 1,75 Д по образующей цилиндрической камеры с диаметром Д.

На фиг.1 представлена схема установки, реализующей способ.

Установка содержит устройство для измельчения 1 с бункером 4 сырого топлива и емкостью 2 тонкодисперсной окиси кальция (СаО), соединенное с сушилкой 3. Контактная камера 9 подсоединена ко входу в реактор 13 и подключена к сушилке 3 через циклон 7 и герметизирующий шнек 8.

Технологические узлы подготовки углеводородов 20 (битум), 22 (гудрон) и 24 (нефтяные отходы) соединены выходами в подготовительную камеру контакта с подаваемыми подсушенными из 7-8 и нагретым твердым теплоносителем из циклона 10 топливом. Из емкостей 21, 23, 25 подают для разжижения растворитель, который смешивают в аппаратах 26, 27 (в случае битумов и гудронов) и далее смеси поступают в накопительные емкости 28 и 29, откуда насосами Н1 и Н2 направляют в камеру 9.

Реактор пиролиза 13 подключен к выходу из контактной камеры 9 и к системе очистки, состоящей из пылеосадительной камеры 11 и встроенных циклонов 12. Система пылеочистки через выход из встроенных циклонов соединена с конденсационным отделением 30. Технологическая топка 14 соединена с реактором пиролиза 13 через циклон твердого теплоносителя 10, который выводом твердого теплоносителя подключен к входу в контактную камеру 9 перед реактором 13 через циклон 10. Выход коксозольного остатка из пылевой камеры 11 с помощью шнека горячего полукокса 8 соединен с технологической топкой 14. Из технологической топки 14 пылегазовую смесь с температурой 750-800°С через делитель потока (байпас) 15 направляют в зольные циклоны 16, откуда уловленная мелкая зола поступает в зольный теплообменник 17, а дымовые газы в котел-утилизатор 18. Байпас 15 соединен с циклонами теплоносителя 10, улавливающими крупную золу-теплоноситель, а дымовые газы из 10 смешивают с дымовыми газами после котла утилизатора 18 и поступают в сушилку 3.

В верхнюю часть камеры 9 подают твердый теплоноситель из циклона теплоносителя 10, а также подсушенное топливо из 8 и подготовленные жидкие углеводороды из 28 и 29 с помощью насосов Н1 и Н2, а также в случае необходимости тяжелые остатки пиролиза из конденсационного отделения 30 (XVII).

Контактная камера перед реактором (фиг.2) представляет собой цилиндрический сосуд, футерованный огнеупорными материалами (Д - диаметр, высота 3,5 Д), в среднюю часть которого по цилиндрической образующей 1,25 Д, подают подсушенное топливо с помощью транспортно-герметизирующего шнека. На подсушенное топливо подают жидкое углеводородное добавочное сырье из узлов подготовки сырья 20-29. Подача дополнительного углеводородного сырья должна осуществляться в зону, где температура 100-120°С, т.е. после стадии сушки на движущийся поток подсушенного топлива.

Установка работает следующим образом. Потоки обозначены римскими цифрами.

Топливо (сланец) 1 (I) и мелкодисперсную окись кальция 2 (II) через дробилку и промежуточный бункер 4 с помощью шнека транспортера 8, снабженного весами 5, подают в аэрофонтанную сушилку 3, где его подсушивают до температуры 110-130°С дымовыми газами с температурой 600-700°С и через циклон сухого сланца 7 направляют в камеру 9.

Через технологические узлы подготовки подают в жидком состоянии гудрон (VI) или битум (IV), или тяжелые нефтяные остатки (VII) в камеру контакта 9. После циклона 7 дымовые газы (VIII) через электрофильтр 6 выбрасывают в атмосферу. Из камеры 9 смесь поступает в реактор 13 (например, в барабанный вращающийся), где осуществляется пиролиз при 400-500°С. Из реактора 13 через пылеосадительную камеру 11, снабженную встроенными циклонами 12, с помощью шнека 8 полукокс направляется в аэрофонтанную технологическую топку (АФТ) 14, где температура газопылевой смеси достигает 700-850°С. В АФТ 14 подают воздух (III) через топку розжига 19.

Парогазовая смесь (ПГС) после пылеосадительной камеры поступает в конденсационное отделение 30. Из конденсационного отделения 30 после фракционной конденсации ПГС ректификации, сепарации, жидких продуктов выводят: конденсат тяжелой фракции (XIII), среднюю фракцию (XIV), легкую фракцию (XV), бензиновую фракцию (XVI), полукоксовый высококалорийный газ (XVII), фенольную воду, полукоксования (XVIII). Предусмотрено также подсоединение части собственной тяжелой фракции (фусов) к подготовленным нефтяным остаткам (V), подаваемым в камеру первичного контакта.

Переработка битумов, гудронов и тяжелых нефтяных остатков в предлагаемом способе достигается включением в технологическую схему дополнительных стадий подготовки к пиролизу битумов, гудронов, нефтяных остатков.

Растворитель (бензин «галоша» или бензин для промышленных целей) из емкости 21 (V₃ ) и подогретый до 70-80°С природный или нефтяной битум 20 (IV) подают в емкость 26, где их перемешивают и направляют в сборную емкость 29, откуда насосом Н2 направляют в подготовленную контактную камеру 9 пиролизного отделения - перед реактором.

Аналогично для гудронов: растворитель 23 (V ₂) с добавлением нейтрализующих серную кислоту стехиометрических добавок смешивают с подогретым до 90°С гудроном 22 (VI) и через смесительную емкость 27 направляют в сборную емкость 29, откуда насосом Н2 подают в камеру 9 после стадии сушки топлива. Узел 24, 25, 28 предназначен для подачи тяжелых нефтяных серосодержащих остатков (НСО) на пиролиз. Растворитель 25 (V ₁) НСО с добавлением химических компонентов, нейтрализующих серу, например тонкодисперсного СаО, направляют в сборную емкость 28, откуда насосом Н1 подают в камеру 9 после стадии сушки топлива.

К НСО возможно добавление части тяжелой фракции (XIII), получаемой в конденсационном отделении 30 с целью повышения выхода моторных топлив.

Примеры конкретного осуществления заявленного способа.

Пример 1.

В качестве объекта для осуществления способа взята установка УТТ-3000, пропускной способностью по сланцу 3000 т/сутки (125 т/ч).

К сухому сланцу с температурой 120-130°С с характеристиками, вес.%:

А^c=46,76; (CO₂)^c=22,4; O ^c=28,65; S^c=2,24; W ^p=10-12%; Q=2240 ккал/кг (938 МДж/кг) добавляют в камеру смешения 25 т/ч нагретого до 70°С битума (смешивается 70% битума и 30% растворителя) и подают 250-300 т/ч твердого теплоносителя (золы) при температуре 750°С.

Смесь поступает в реактор, где при температуре 450-500°С происходит пиролиз с выделением парогазовой смеси (ПГС) и образованием полукокса. Зола сланца содержит свободную окись кальция (СаО) в количестве >10%, которая связывает органическую серу в сульфиты (сульфаты), переходящие в золу.

При добавке битума количество сланцевого масла суммарно увеличилось на 17,5%, со 125 л/т до 146,8 л/т (на рабочий сланец) или с 17,5 т/ч до 20,5 т/ч. Количество серы в сланцевом масле при этом менее 0,5%.

Количество полукоксового газа увеличилось на 50%.

Пример 2.

К сланцу с упомянутыми выше характеристиками добавляют в камеру смешения (КС) 30 т/ч жидкого, нагретого до 60°С серосодержащего (до 7%) гудрона (смесь 85% гудрона, 15% растворителя), и падают в КС 250-300 т/ч твердого теплоносителя при температуре 800°С. Смесь поступает на пиролиз в реактор, где находится 20-24 минуты, откуда озоленный полукокс направляют в технологическую топку (коксонагреватель).

В результате после конденсации из ПГС получают 170 кг/т сланцевого масла и 80 кг/т ПКГ, т.е. увеличение выхода сланцевого масла с 17,5 т/ч до 21,25 т/ч, или на 21% и увеличение выхода ПКГ на 100%. Содержание серы в жидком продукте не превышает 0,4%.

Пример 3.

К сухому сланцу с температурой 130°С упомянутого состава добавляют в КС тяжелые нефтяные серосодержащие остатки в количестве 35 т/ч (30 т/ч остатки и 5 т/ч растворитель), а также 2 т/ч дисперсной окиси кальция (<0,5 мм). В результате пиролиза и последующей конденсации получают 250 кг/т сухого сланца жидких продуктов и удвоение ПКГ.

Таким образом, увеличение жидких продуктов составит с 125 до 250 кг/ч или с 15,6 т/ч до 31,2 т/ч.

Перечень оборудования

1. Бункер пиролизного топлива

2. Емкость тонкодисперсной СаО

3. Аэрофонтанная сушилка

4. Промежуточный бункер и дробилка

5. Транспорт топлива с весами

6. Электрофильтр дымовых газов

7. Циклоны сухого топлива

8. Шнеки сырого, сухого топлива и полукокса

9. Камера смешения подсушенного топлива, теплоносителя, углеводородных отходов и добавок

10. Циклоны теплоносителя

11. Пылеосадительная камера (ПК)

12. Встроенные в ПК циклоны

13. Реактор барабанный или с кипящим слоем (КС)

14. Технологическая топка АФТ или коксонагреватель КС

15. Делитель потока (байпас)

16. Зольные циклоны

17. Зольный теплообменник

18. Котел-утилизатор

19. Топка розжига

20. Емкости битума

21. 23, 25. Емкости для растворителя

22. Емкости гудрона

24. Емкости тяжелых нефтяных остатков

26. Промежуточная емкость для смешения нефтяных остатков с растворителем

27, 28. Смесительные емкости дополнительного сырья

29, 30. Емкости подготовленного сырья

31. Конденсационное отделение

Н1, Н2 - насосы

Материальные потоки

I. Топливо пиролизуемое

II. Окись кальция (дисперсная)

III. Воздух

IV. Битум

V. Растворитель (V₁, V ₂, V₃)

VI. Гудрон

VII. Нефтяные тяжелые остатки

VIII. Дымовые газы

IX. Зола после ТТ или кокс после КС

X. Зола провала после топки разжига

XI. Зола после зольного теплообменника

XII. Зола после К-У

XIII. Конденсат тяжелой фракции

XIV. Средняя фракция

XV. Легкая фракция

XVI. Бензиновая фракция

XVII. Полукоксовый газ

XVIII. Фенольная вода пиролиза