способ переработки углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов и реактор для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включающий их послойную высокотемпературную обработку в реакторе в присутствии насадки при подаче кислородсодержащего агента и водяного пара, сжигание, коксование и пиролиз горючих составляющих, образование парогазовой смеси и твердых остатков, их охлаждение, отвод и выведение из рабочего пространства реактора, отличающийся тем, что непосредственно за зоной коксования и пиролиза формируют зону синтеза и гидрирования углеводородов с температурой 250-400°С, в зоне горения поддерживают температуру 850-1300°С, в зоне коксования и пиролиза выделяют химически несвязанный углерод и в зоне горения обрабатывают его водяным паром с образованием свободного водорода, который подают в зону синтеза и гидрирования, последовательно осуществляя синтез и гидрирование углеводородов, при этом внутри рабочего пространства реактора формируют разрежение и процесс ведут в присутствии катализатора, который входит в состав насадки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зону синтеза и гидрирования углеводородов вводят дополнительный водород.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что насадка дополнительно содержит химически несвязанный углерод.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что насадка выполнена из золы уноса, содержащей химически несвязанный углерод.

5. Реактор для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включающий герметичную рабочую камеру с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи воздуха и водяного пара через соответствующие каналы, нагрева воздуха и водяного пара, горения, коксования и пиролиза, нагрева продуктов переработки, отбора парогазовой смеси с, по меньшей мере, одним каналом отбора, и зоной загрузки продуктов переработки со шлюзом, причем каждая зона снабжена, по меньшей мере, одним температурным датчиком, а зоны нагрева воздуха и водяного пара, и отбора парогазовой смеси снабжены датчиками давления, при этом рабочая камера содержит оснащенную дополнительными температурными датчиками зону синтеза и гидрирования углеводородов, расположенную непосредственно за зоной коксования и пиролиза.

6. Реактор по п.5, отличающийся тем, что зона синтеза и гидрирования углеводородов выполнена с возможностью поддерживания рабочей температуры 250-400°С.

7. Реактор по п.5, отличающийся тем, что зона синтеза и гидрирования углеводородов снабжена, по меньшей мере, двумя, расположенными на разных уровнях, каналами дополнительной подачи водорода.

Описание изобретения к патенту

Группа изобретений относится к области промышленной переработки углерод- и углеводородсодержащих продуктов и может быть использована, в частности, для переработки разнообразных техногенных и бытовых отходов, для переработки низкокачественных горючих полезных ископаемых, таких, например, как бурые угли, горючие сланцы и им подобных.

Проблема переработки разнообразных низкокачественных горючих полезных ископаемых, бытовых и техногенных отходов, включающих углеродную и углеводородную составляющие, стоит весьма остро. Разработаны разнообразные способы, позволяющие разложить углерод- и углеводородсодержащие продукты на составляющие, однако использовать для дальнейшей переработки, например, в качестве горючего компонента можно лишь их определенную часть. Оставшаяся часть представляет собой, как правило, токсичные отходы, а в случае с исходными отходами - даже более токсичные по сравнению с ними. И хотя утилизация оставшихся после переработки продуктов возможна, однако из-за больших затрат она является экономически неэффективной. Кроме этого, следует отметить одну немаловажную особенность реализации процессов переработки низкокачественных горючих полезных ископаемых и упомянутых отходов - они, в большинстве существующих способов, реализуются в масштабах лабораторных установок. При переходе на промышленные масштабы реализации сразу же сказывается экономическая неэффективность проектов, связанная, в первую очередь, с необходимостью дополнительной утилизации попутных химических компонентов, полученных в ходе основного процесса. Именно по этой причине промышленная переработка низкокачественных горючих полезных ископаемых, а также углерод- и углеводородсодержащих отходов не получила широкого распространения.

Известен способ переработки твердых бытовых отходов путем их газификации, реализованный в реакторе с огнеупорной футеровкой длиной 1600 мм и внутренним диаметром 250 мм, для чего в вертикальную шахтную печь противотоком подают газифицирующий агент, содержащий кислород, отходы (как правило, перемешанные с кусковым топливом) последовательно пребывают в зоне нагревания и сушки, зоне пиролиза, зоне горения (окисления) и зоне охлаждения, при этом максимальную температуру в реакторе поддерживают в пределах 700-1400°С путем регулирования по меньшей мере массовой доли кислорода в газифицирующем агенте, и/или массовой доли негорючего материала в отходах, и/или массовой доли горючего материала в отходах, причем процесс осуществляют периодически, для чего загрузку отходов и выгрузку твердых продуктов переработки производят после остановки реактора [описание изобретения к патенту РФ № 2079051 от 1994.06.23, МПК⁶ F23G 5/027, опубл. 1997.05.10]. В итоге обеспечивается эффективная переработка ТБО, в том числе низкокалорийных, без использования дополнительных источников энергии и с получением экологически приемлемых (после соответствующей очистки) продуктов.

Недостатком способа является высокий удельный расход газа-окислителя, что приводит к образованию излишнего количества оксидов и кислотных компонентов в продукт-газе и необходимость в загрузке дополнительного твердого кускового топлива в случае низкой калорийности перерабатываемого продукта, а также его низкая производительность.

Известен способ переработки горючих твердых бытовых отходов, являющийся модификацией способа по патенту РФ № 2079051, отличие которого заключается в том, что температуру в реакторе поддерживают в пределах от 800 до 1300°С, в качестве газифицирующего агента используются дымовой газ, преимущественно в смеси с воздухом, а выделяющийся при сушке водяной пар включают в состав газифицирующего агента [описание изобретения к патенту РФ № 2150045 от 1998.01.22, МПК⁷ F23G 5/027, опубл. 2000.05.27]. Способ обеспечивает переработку ТБО без подвода тепла извне с высокой энергетической эффективностью, высоким выходом ценных продуктов, включая смолы пиролиза и горючий газ, и высокой общей энергетической эффективностью процесса.

Недостатком способа является наличие избыточного количества химически несвязанного углерода в твердом остатке на выходе из реактора, высокое содержание воды, оксидов и кислотных компонентов в продукт-газе, что делает неэффективным его полное использование. Кроме этого, при осуществлении способа имеют место значительные потери тепла с дымовыми газами и он отличается низкой производительностью.

Известен способ переработки конденсированных горючих, являющийся модификацией способа по патенту РФ № 2079051, для чего в реактор загружают шихту, состоящую из горючих компонентов и кускового твердого негорючего материала, устанавливают газовый поток сквозь загрузку с подачей в реактор газифицирующего агента с кислородом, водяным паром и углекислым газом, выводят продукты переработки из реактора, где последовательные сечения упомянутой загрузки последовательно пребывают в зонах нагревания, пиролиза, коксования, газификации и охлаждения, регулируют температуры в зоне горения в пределах от 800 до 1300°С, выгружают из реактора твердые продукты, сжигают по крайней мере часть газообразных, при этом в качестве газифицирующего агента используют дымовой газ в смеси с воздухом и водяным паром, причем управление процессом осуществляют изменением доли дымового газа в газифицирующем агенте [описание изобретения к патенту РФ № 2152561 от 1998.01.22, МПК⁷ F23G 5/027, опубл. 2000.07.10]. В результате обеспечивается переработка конденсированных горючих без подвода тепла извне с высокой энергетической эффективностью, высоким выходом ценных продуктов, включая смолы пиролиза и горючий газ.

Недостатком способа является избыточное количество химически несвязанного углерода в твердом остатке на выходе из реактора, высокое содержание воды, оксидов и кислотных компонентов в продукт-газе, что снижает эффективность его дальнейшего использования, а также его низкая производительность.

Известен способ обезвреживания и уничтожения твердых отходов, преимущественно госпитальных, содержащих горючие материалы, включающий загрузку отходов в камеру газификации, их первоначальное зажигание с образованием зоны газификации, подачи в нее газифицирующего агента, продвижение отходов по камере, проведение пиролиза при относительном недостатке воздуха и последующее дожигание продуктов пиролиза в камере дожигания при избытке воздуха, регулирование подачи воздуха в зависимости от температур в камерах газификации и дожигания, при этом вывод газообразных продуктов газификации осуществляют непосредственно из зоны газификации при температуре не ниже 800°С и обеспечивают подвод тепла к зоне газификации путем нагрева отходящими газами стенок камеры газификации при температуре в пределах 800-1200°С [описание изобретения к патенту РФ № 2089786 от 1994.06.23, МПК⁶ F23G 5/00, опубл. 1997.09.10].

Недостатком способа является высокий удельный расход газа-окислителя, высокая температура продукт-газа на выходе из камеры газификации, образование излишнего количества оксидов и кислотных компонентов в газе на выходе из камеры дожигания, необходимость в дополнительном источнике нагрева в случае низкой калорийности и высокой влажности загружаемого продукта для инициирования и поддержания процесса газификации, а также его низкая производительность. Кроме этого, способ отличается низкой производительностью и невозможностью реализации в промышленных объемах.

Известен способ переработки изношенных шин, включающий их термическое разложение при 400-600°С с образованием парогазовых продуктов и твердого углеродного остатка, разделение их на жидкие и парообразные фазы и твердый углеродный остаток, разделение жидкой фазы на легкую и тяжелую фракции, измельчение углеродного остатка, гранулирование углеродного остатка с использованием смачивающей жидкости, карбонизацию углеродного остатка, а образующиеся в предлагаемом процессе газы и легкие смолы подают на сжигание в топки реактора, карбонизатора и активатора [описание изобретения к патенту РФ № 2142357 от 1998.07.03, МПК⁶. В29В 17/00, C10G 1/10, C08J 11/02, опубл. 1999.12.10]. Способ уменьшает объем и спектр выбросов от процесса переработки изношенных шин.

Недостатком способа является его недостаточная производительность и необходимость сжигании собственных пиролизных газов и легких смол для поддержания теплового режима реактора, что приводит к высокому расходу газа-окислителя и образованию излишнего количества оксидов и кислотных компонентов.

Известен способ переработки горючих отходов, таких как изношенные шины и подобные полимерные отходы, содержащие каучук, путем пиролиза полимерной составляющей шин с тем, чтобы получить углеводородные продукты пиролиза и топливный газ, для чего шихту из кусков шин или смеси кусков шин с твердым негорючим материалом загружают в реактор, максимальную температуру в котором поддерживают в пределах 800-1700°С, и в противотоке кислородсодержащего газифицирующего агента (воздуха) организуют последовательное прохождение загруженной шихты через зону предварительного нагрева, зону пиролиза, зону коксования, зону горения и зону охлаждения шихты, осуществляют выгрузку из реактора твердого остатка и выводят целевой продукт переработки в виде аэрозоля, содержащего пары и мелкие капли смол пиролиза и горючий газ с температурой ниже 300°С, регулируя при этом скорость подачи газифицирующего агента, и/или массовое отношение расхода газифицирующего агента, и/или расход шихты, и/или состав газифицирующего агента, и/или состав шихты [описание изобретения к патенту РФ № 2062284 от 1994.06.23, МПК⁶ С10В 49/04, С10В 57/04, F23G 5/027, опубл. 1996.06.20]. Процесс ведут без подвода тепла с высокой энергетической эффективностью и высоким выходом продуктов.

Недостатком способа является необходимость использования в составе газифицирующего агента воды или диоксида углерода, а также необходимость введения в зону горения и/или охлаждения воды для регулирования теплового режима, что приводит к дополнительным затратам тепла и снижению теплотворной способности продукт-газа на выходе из реактора, а также образованию излишнего количества оксидов и кислотных компонентов в продукт-газе ввиду излишне высокой температуры в зоне горения.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому способу переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих отходов является способ экологически чистой утилизации маслоотходов или шламов и иных отходов, содержащих тяжелые, в том числе жидкие, углеводороды [описание изобретения к патенту РФ № 2116570 от 1996.09.25, МПК⁶ F23G 7/00, F23G 7/05, опубл. 1998.07.27]. Способ включает послойную высокотемпературную обработку отходов в реакторе, при подаче кислородсодержащего агента и водяного пара, сжигание части отходов, пиролиз горючих составляющих отходов с образованием парогазовых продуктов с преимущественным содержанием углеводородов и твердых остатков, их охлаждение, отвод и выведение из рабочей зоны реактора.

Недостатками способа является необходимость использования в составе газифицирующего агента воды, что приводит к дополнительным затратам тепла и снижению теплотворной способности продукт-газа на выходе из реактора, необходимость в загрузке дополнительного твердого кускового топлива в случае низкой калорийности перерабатываемого продукта, а также повышенный расход кислорода в составе газифицирующего агента и образование излишнего количества оксидов и кислотных компонентов при сжигании продукт-газа. Кроме этого, способ реализован на уровне лабораторного эксперимента, что не дает возможности оценить его потенциал и технологические особенности.

Задача, решаемая первым изобретением группы и достигаемый технический результат заключаются в создании очередного экологически чистого высокопроизводительного способа высокотемпературной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, снижении его энергетической емкости, расширении технологических возможностей в части управления химическим составом и увеличении выхода готовых к дальнейшему использованию продуктов, а также улучшении их качества.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата в способе переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включающем их послойную высокотемпературную обработку в реакторе в присутствии насадки при подаче кислородсодержащего агента и водяного пара, сжигание, коксование и пиролиз горючих составляющих, образование парогазовой смеси и твердых остатков, их охлаждение, отвод и выведение из рабочего пространства реактора, непосредственно за зоной коксования и пиролиза формируют зону синтеза и гидрирования углеводородов с температурой 250-400°С, в зоне горения поддерживают температуру 850-1300°С, в зоне коксования и пиролиза выделяют химически несвязанный углерод и в зоне горения обрабатывают его водяным паром с образованием свободного водорода, который подают в зону синтеза и гидрирования, последовательно осуществляя синтез и гидрирование углеводородов, при этом внутри рабочего пространства реактора формируют разрежение и процесс ведут в присутствии катализатора, который входит в состав насадки.

Кроме этого:

- в зону синтеза и гидрирования углеводородов вводят дополнительный водород;

- насадка дополнительно содержит химически несвязанный углерод;

- насадка выполнена из золы уноса, содержащей химически несвязанный углерод.

Каждый цитируемый выше из уровня техники способ может быть реализован на соответствующем устройстве.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявляемому устройству - реактору для переработки горючих углерод- и углеводородосодержащих отходов - является представленное в виде схемы устройство периодического или непрерывного действия для экологически чистой утилизации маслоотходов или шламов и иных отходов [описание изобретения к патенту РФ № 2116570], которое включает оборудованную соответствующими контрольно-измерительными приборами герметичную рабочую камеру с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи воздуха и водяного пара, нагрева воздуха и водяного пара, горения, коксования, пиролиза, нагрева отходов, отбора парогазовых продуктов с, по меньшей мере, одним каналом отбора и загрузки отходов со шлюзом, причем каждая зона снабжена температурными датчиками, а каналы подачи воздуха и отбора парогазовых продуктов снабжены датчиками давления.

Данному устройству присущи те же недостатки, что и реализованному по нему способу.

Задача, решаемая вторым изобретением группы и достигаемый технический результат заключаются в создании экономичного реактора, который реализует экологически чистый высокопроизводительный способ переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов по первому изобретению, обеспечивающий снижение энергетической емкости процесса, расширение технологических возможностей в процессе высокотемпературной обработки отходов, увеличение выхода готовых к дальнейшему использованию продуктов и улучшение их качества.

Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата реактор для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов, включает герметичную рабочую камеру с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки с выгрузным окном, подачи воздуха и водяного пара через соответствующие каналы, нагрева воздуха и водяного пара, горения, коксования и пиролиза, нагрева продуктов переработки, отбора парогазовой смеси с, по меньшей мере, одним каналом отбора, и зоной загрузки продуктов переработки со шлюзом, причем каждая зона снабжена, по меньшей мере, одним температурным датчиком, а зоны нагрева воздуха и водяного пара и отбора парогазовой смеси снабжены датчиками давления, при этом рабочая камера содержит оснащенную дополнительными температурными датчиками зону синтеза и гидрирования углеводородов, расположенную непосредственно за зоной коксования и пиролиза.

Кроме этого:

- зона синтеза и гидрирования углеводородов выполнена с возможностью поддерживания рабочей температуры 250-400°С;

- зона синтеза и гидрирования углеводородов снабжена, по меньшей мере, двумя, расположенными на разных уровнях каналами дополнительной подачи водорода.

Изобретения поясняются чертежами, где:

- на фиг.1 показана конструкция реактора для переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих отходов - общий вид;

- на фиг.2 изображена схема распределения характерных рабочих зон в реакторе.

Способ переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов реализуется на соответствующем оборудовании - в реакторе, который включает герметичную теплоизолированную рабочую камеру 1 с расположенными в технологической последовательности рабочими зонами: выгрузки твердых остатков переработки 2 с выгрузным окном 3; подачи воздуха и водяного пара 4 через каналы 5; нагрева воздуха и водяного пара 6; горения 7; коксования и пиролиза 8; нагрева продуктов переработки 9; отбора парогазовой смеси 10 с, по меньшей мере, одним каналом 11 ее отбора; и зоной 12 загрузки продуктов переработки со шлюзом (условно не показан), причем каждая зона снабжена, по меньшей мере, одним температурным датчиком 13 соответствующей конструкции, а зоны нагрева воздуха и водяного пара 6 и отбора парогазовой смеси 10 (пересекается с зоной 12 загрузки продуктов переработки) снабжены датчиками давления 14, при этом рабочая камера 1 содержит оснащенную температурными датчиками 15 зону 16 синтеза и гидрирования углеводородов, расположенную непосредственно за зоной 8 коксования и пиролиза. Особенностями реактора является то, что зона 16 синтеза и гидрирования углеводородов выполнена с возможностью поддерживания рабочей температуры 250-400°С, причем эта зона 16 снабжена, по меньшей мере, двумя, расположенными на разных уровнях каналами 17 и 18 дополнительной подачи водорода.

Разделение реактора на зоны в определенной степени условно, поскольку эти зоны могут смещаться вдоль реактора в определенных пределах, их границы не всегда четкие и, зачастую, на этих границах происходят процессы, характерные для каждой из них. Тем не менее, при проектировании технологических процессов и проведении расчетов удобнее рассматривать эти зоны как самостоятельные. Таким образом, описываемый реактор реализует способ высокотемпературной переработки углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов в присутствии насадки с подачей кислородсодержащего агента и водяного пара, сжиганием, коксованием и пиролизом их горючих составляющих, образованием парогазовой смеси и твердых остатков, их охлаждением, отводом и выведением из рабочего пространства реактора через каналы 11, при этом непосредственно за зоной 8 коксования и пиролиза сформирована зона 16 синтеза и гидрирования углеводородов с температурой 250-400°С, в зоне 7 горения поддерживается температура 900-1300°С, в зоне 8 коксования и пиролиза выделяют химически несвязанный углерод, который в зоне горения 7 обрабатывают водяным паром с образованием свободного водорода, подаваемого в зону синтеза и гидрирования углеводородов 16, последовательно осуществляя их синтез (условный элемент 19 зоны 16) и гидрирование (условный элемент 20 зоны 16), при этом в рабочем пространстве реактора формируют разрежение и процесс ведут в присутствии катализатора, который входит в состав насадки. Особенностями способа является то, что в зону 16 синтеза и гидрирования углеводородов вводят дополнительный водород, при этом насадка дополнительно содержит химически несвязанный углерод, например, она выполнена из золы уноса, содержащей его некоторое, необходимое для использования в технологическом процессе количество.

Проанализируем существенность признаков изобретений. При реализации в соответствующем реакторе способа переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов в разделенном на зоны реакторе была сформирована дополнительная зона 16 синтеза и гидрирования углеводородов с температурой 250-400°С. Сами по себе процессы синтеза и гидрирования углеводородов изучены достаточно хорошо и многократно реализованы на практике, в частности, процесс синтеза более известный под наименованием «синтез Фишера-Тропша» [Печуро Н.С., Капкин В.Д. и Песин О.Ю. Химия и технология синтетического жидкого топлива и газа. - М.: Химия, 1986, с.265-307].

Макрокинетика процессов синтеза и гидрирования углеводородов является очень сложной, поскольку на протекание реакций синтеза и гидрирования влияет большое количество факторов, таких, например, как давление, температура, состав исходного газа (в продуктах пиролиза), время контакта, условия транспортирования веществ, количество передаваемого тепла и другие. Данные процессы присутствует практически во всех способах переработки отходов, однако в этих случаях они хаотичны и не поддаются управлению, поскольку зона синтеза и гидрирования в объемах известных реакторов явно не выделяется и не рассматривается в качестве самостоятельной зоны. В заявленном способе переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов сформирована самостоятельная зона 16 синтеза и гидрирования углеводородов. Это позволило поднять глубину процесса переработки сырья.

Возможность поддерживать в зоне 7 горения температуру ниже 1300°С позволяет исключить образование окислов азота, при этом нижняя граница температуры 850°С обеспечивает гарантированное горение продуктов переработки. Более низкая температура горения делает неустойчивым или, даже, невозможным процесс образования водорода в зоне 7 горения в результате реакции взаимодействия углерода с водой.

При протекании процессов синтеза и гидрирования необходимо присутствие катализатора в объеме реактора. Наиболее благоприятным для протекания разнообразных химических процессов случаем использования катализатора будет такой, когда он входит в состав насадки. Среди существующих продуктов переработки многих производств имеются такие, где органично сочетаются нейтральная для заявляемого процесса основа и наличие включений необходимых металлов на ее поверхности. Такими активными насадками могут служить отходы обогащения железорудных месторождений, твердые отходы тепловых станций, работающих на твердом топливе и другие им подобные продукты, в составе которых имеются металлические включения, способные выступать в роли катализаторов.

Зона 8 коксования и пиролиза заведомо не разделяется на условные зоны - зону коксования и зону пиролиза - по той причине, что в зависимости от перерабатываемого сырья их величина и, соответственно, соотношение могут варьировать в очень широких пределах, например для случая переработки твердых бытовых отходов зона пиролиза будет доминировать над зоной коксования, а для случая переработки автомобильных покрышек - наоборот.

Выделение в зоне 8 коксования и пиролиза химически несвязанного углерода и обработка его водяным паром в зоне горения позволило получить свободный водород, который последовательно подают в зону 16 синтеза (19) и гидрирования (20) парогазовых продуктов, так же последовательно осуществляя синтез и гидрирование углеводородов. В зависимости от перерабатываемого сырья, полученного таким образом количества водорода может быть недостаточно для протекания реакций синтеза и гидрирования, то в этом случае предусмотрена возможность введения в соответствующую зону реактора дополнительного водорода. Ввод водорода осуществляется, по меньшей мере, в двух, разнесенных по высоте реактора уровнях. Это связано с тем, что водород может понадобиться как на стадии синтеза углеводородов, так и на стадии их гидрирования.

Обезуглероженный остаток продуктов переработки и обезуглероженная насадка выводятся из реактора и могут быть использованы по специальному назначению, например для изготовления строительных смесей и т.д.

Промышленный реактор, рассчитанный на непрерывную переработку разнообразных горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов имеет существенное преимущество перед его, условно называемыми «лабораторными», образцами маленьких размеров, в нем, благодаря большой площади поверхности зон, становится невозможной ситуация закупорки внутреннего сечения реактора разнообразными пластичными (смолистыми) веществами продуктов пиролиза - они попросту не успевают слиться в единый объем. Таким образом становится возможной ситуация беспрепятственного прохождения реакторных газов по всей высоте реактора.

Настоящим образом организованный процесс переработки сырья позволил сформировать разрежение порядка 500-5000 Па (50-500 мм вод. ст.) внутри реактора, что исключает попадание продуктов разложения и синтеза в окружающую среду. Таким образом, заявляемый процесс можно считать экологически безопасным.

Способ переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов можно реализовать на реакторе, рабочая камера которого в отличие от типовых реакторов (см. уровень техники) содержит зону 16 синтеза и гидрирования углеводородов, расположенную непосредственно за зоной 8 пиролиза и коксования. Местоположение указанной зоны 16 отмечено на реакторе соответствующими выводами температурных датчиков 15. В зоне 8 происходит полное или частичное коксование продуктов переработки

Для получения водорода по реакции СО+Н₂O=СO₂+Н₂ и/или С+2Н₂O=СO₂+2Н₂ в зону 4 через каналы 5 подают воздух и водяной пар. Целесообразно разделить подачу воздуха и водяного пара в реактор, например, осуществляя подачу воздуха через специальные каналы 21, а пара - через каналы 22. В этом случае не происходит конденсации паровоздушной смеси в трубопроводе на подходе к реактору, соответственно, не требуются затраты на ее повторное испарение. Таким образом, воздух и водяной пар, продолжая нагреваться о твердые остатки переработки и охлаждая их, поднимаются вверх в зону 7 горения для взаимодействия с углеродом и его оксидом. Выделяющийся в результате реакции водород поднимается далее вверх в зону 16 и участвует в реакциях синтеза и гидрирования углеводородов. Если имеющегося водорода окажется недостаточно, то его необходимо ввести извне через соответствующие каналы 17, 18 в огнеупорных стенках 23 реактора. Если водород оказался избыточным, то он выводится из внутреннего объема реактора вместе с другими продуктами переработки. Особенностью такого режима является то, что на выходе из реактора отсутствует свободный (несвязанный) кислород, который в соединении с водородом мог бы образовать взрывоопасную смесь.

Возможна ситуация, когда для получения дополнительного водорода можно использовать насадку, заранее содержащую химически несвязанный углерод (и металлы - катализаторы), который может быть использован в зоне 7 горения для протекания реакции взаимодействия с водой. Такую насадку возможно изготовить из золы уноса, например, ТЭС, производя ее обезуглероживание в реакторе для целей дальнейшей самостоятельной переработки.

В итоге, в зоне 10 выхода парогазовая смесь содержит такие продукты пиролиза и синтеза, как изопрен, дипентен, углеводороды C₄-C₈, составляющие бензиновую фракцию, углеводороды C₉-C₁₂ , составляющие керосиновую фракцию и легкую газойлевую фракцию, а также уносимые газом в виде капель высококипящие соединения и другие вещества, состав которых зависит от исходного сырья и используемых катализаторов. Перечисленные продукты выводятся из реактора через соответствующие каналы отбора 11 для непосредственного использования или последующей переработки.

Способ переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов вначале рассмотрим для случая их загрузки в реактор непрерывного действия и их дальнейшего движения сверху - вниз с полным разложением высокомолекулярных органических соединений и конверсией углеродсодержащих неорганических до оксида углерода и водорода при неизменном состоянии инертных компонентов и дальнейшего последовательного синтеза из полученных оксида углерода и водорода углеводородов и их дальнейшего гидрирования с приобретением заданных химических свойств. Такое изложение информации об изобретениях будет наиболее полно иллюстрировать работу реактора.

Продукты переработки с насадкой, содержащей катализатор (железо, оксиды железа и др.), через шлюз поступают в зону 12 загрузки реактора с температурой 20-50°С и последовательно проходят зону 9 нагрева продуктов переработки (куда входит и зона 10 отбора парогазовой смеси) с температурой 150-250°С, зону 16 синтеза и гидрирования углеводородов с температурой 250-400°С, зону 8 пиролиза и коксования с температурой 350-850°С, зону 7 горения с температурой 850-1300°С, зону 6 нагрева участвующих в процессе переработки воздуха и пара до температуры 800-1000°С, зону 4 подачи воздуха и пара с температурой 20-140°С, и зону 2 выгрузки твердых остатков переработки с температурой 20-60°С.

В зоне 8 пиролиза и коксования продукты переработки разлагаются на составляющие неструктурированные углеводородные фрагменты, которые поднимаясь вверх и отдавая тепло вновь поступающим продуктам переработки попадают в зону 16 синтеза и гидрирования углеводородов, образуя в основном насыщенные (предельные) углеводороды. При необходимости в зону 16 синтеза и гидрирования извне подают дополнительный водород. После того, как прошли все, запланированные процессы, получаемая парогазовая смесь, содержащая капли высококипящей жидкости, охлаждается, отдавая тепло загружаемым твердым отходам, и с температурой 190-240°С выводится за пределы реактора для дальнейшей переработки.

Конкретные способы переработки горючих углерод- и углеводородсодержащих продуктов, в том числе разнообразных отходов в зависимости от их классификации, рассмотрим на следующих примерах.

Пример 1

Переработке подлежат изношенные автомобильные шины.

В реактор непрерывного действия подают смесь, состоящую из 1600 кг/час порезанных кусков шин из изопренового каучука с линейными размерами 20-100 мм и из 1600 кг/час насадки с линейными размерами 25-100 мм, содержащей катализатор в виде железа и оксидов железа.

Количественный состав компонентов, входящих в шины из изопренового каучука, следующий, кг/час:

каучук изопреновый - 776;

металлический корд - (нержавеющая сталь типа Х18Н10Т) - 310;

углерод химически несвязанный - 310;

кислород адсорбированный - 30;

водород адсорбированный - 10;

мягчители (растительные масла, воск, высшие кислоты) - 128;

сера - 30;

оксиды металлов - 6.

Количественный состав компонентов, входящих в насадку, следующий, кг/час:

шамот - 1550;

катализатор (железо, магнетит, гематит) - 50.

В качестве газифицирующего агента в соответствующую зону реактора подают воздух в количестве 2300 нм³/час или 2967 кг/час, в том числе, азота - 2255 кг/час и кислорода - 712 кг/час.

Температура в зоне горения не превышает 1100°С.

Для получения водорода по реакции С+2Н₂ O СO₂+2Н₂ и/или СО+Н₂O СO₂+Н₂ вместе с воздухом подают водяной пар в количестве 180 кг/час.

Дополнительно в зону 16 синтеза и гидрирования углеводородов подают водород в количестве около 60 кг/час.

Выходящие из реактора парогазовые продукты с температурой 240°С и содержащиеся в них углеводороды разделяются на жидкую и газовую составляющие, что осуществляется последовательно в циклоне и конденсаторах, охлаждаемых водой с начальной температурой около 18°С.

После системы конденсации газовая составляющая, количество которой составит 3598 кг/час, будет иметь следующий состав, % мас.:

N2 - 62,67;	CO2 - 25,89;	Н 2O - 5,92;	СО - 1,68;
H2S+SO2 - 1,67;	Н2 - 0,06;	СН4 - 2,11

После системы конденсации жидкостная составляющая была подвергнута анализу на хроматографе «Кристаллюкс-4000М» с двумя пламенноионизационными детекторами и кварцевой капиллярной колонкой длиной 30 м и внутренним диаметром 0,53 мм. Объем пробы составил 1 мм³ при следующих условиях:

- температура детектора - 300°С;

- температура испарителя - 300°С;

- температура колонок: начальная - 60°С, конечная - 150°С;

- давление капиллярной колонки - 1 атм;

- скорость развертки - 10°С/мин;

- расход газов-носителей (азот): 30 см³/мин, 60 см³/мин и 29 см³ /мин;

- расход воздуха - 500 см³/мин;

- расход водорода - 60 см³/мин.

Результаты хроматографического анализа сведены в таблицу. Таким образом, жидкостная составляющая, количество которой составило 870 кг/час, имеет следующий состав, % мас.:

- фракция C₅-С₁₀ - 30

- фракция С₁₁-C₁₆ - 40

- фракция С ₁₇ и выше - 30

Выходной поток твердых остатков из зоны выгрузки реактора составил по количеству 1936 кг/час и его структура включает:

насадку - 1600;	металлический корд - 320;
утлеродсодержащие (сажа) - 10;	оксиды металлов - 6.

Пример 2 (сравнительный)

Как и в предыдущем примере, в реактор непрерывного действия подают смесь, состоящую из 1600 кг/час порезанных кусков шин из изопренового каучука с линейными размерами 20-100 мм и 1600 кг/час насадки. Отличие заключается в качественном составе насадки. Ее единственным компонентом является шамот, имеющий линейные размеры 25-100 мм, при этом катализатор в составе насадки отсутствует.

В качестве газифицирующего агента в реактор также подают воздух в количестве 2300 нм ³/час.

Температура в зоне горения не выше 1100°С.

Выходящие из реактора парогазовые продукты с температурой 200°С и содержащиеся в ней углеводороды разделяются на жидкую и газовую составляющие.

После системы конденсации газовая составляющая, количество которой 3889 кг/час имеет следующий состав, % мас.:

N2 - 58,00;	СO2 - 9,30;	Н2 O - 2,60;	СО - 27,50;
H2 S+SO2 - 1,50;	Н2 - 1,10

После системы конденсации жидкостная составляющая, количество которой 320 кг/час, имеет следующий состав по хроматографическому анализу, % мас.:

- фракция C₅-С₉ - 40

- фракция С₁₀-C₁₆ - 30

- фракция С₁₇ и выше - 30

Выходной поток твердых остатков из зоны выгрузки реактора по количеству аналогичен примеру 1.

Пример 3

Исходным сырьем для переработки в реакторе является бытовой мусор с плотностью 200-300 кг/м³, включающий следующие компоненты, % мас.:

бумага - 47,0;	пищевые отходы - 29,0;	текстиль - 5,0;
стекло и камни - 4,9;	металл - 4,5;	пластмасса - 2,0;
кожа и резина - 1,8;	древесина - 1,0;	кости - 0,5;
отсев менее 15 мм - 4,5;	прочее - 0,4.
Состав рабочей массы, % мас.:
вода - 39,65;	зольность - 18,43;	углерод - 21,36;
кислород - 17,52;	сера - 0,13;	водород - 2,80;
азот - 0,13

После прессования рабочей массы получены брикеты с размерами 150×150×150 мм, следующего состава, % мас.:

вода - 20,00;	зольность - 24,40;	углерод - 28,32;
кислород - 23,23;	сера - 0,17;	водород - 3,71;
азот - 0,17

В реактор непрерывного действия загружают 1600 кг/час брикетов и 1600 кг/час насадки с линейными размерами 25-100 мм, содержащей катализатор в виде железа и оксидов железа.

В зону подачи воздуха подают газифицирующий агент, в качестве которого используется воздух в количестве 2064 кг/час (1600 нм³/час) и водяной пар в количестве 200 кг/час, а в зону синтеза и гидрирования углеводородов - водород в количестве 30 кг/час.

Процесс горения ведут при температуре около 1000°С.

Выходящие из реактора парогазовые продукты с температурой 190°С и содержащиеся в них углеводороды разделяются на жидкую и газовую составляющие, что осуществляется последовательно в циклоне и конденсаторах, охлаждаемых водой с начальной температурой около 18°С.

После системы конденсации газовая составляющая, количество которой 2694,5 кг/час, имеет следующий состав, % мас.:

N2 - 60,50;	СO2 - 37,85;	Н 2O - 1,50;	СО - 0,05;
H2S - 0,05;	Н2 - 0,05

После системы конденсации получена органическая жидкостная составляющая в количестве 320 кг/час, содержащая смесь углеводородов С ₆-С₁₀ (в том числе октан, бензол, изомеры ксилола).

Выходной поток твердых остатков из зоны выгрузки реактора составил по количеству 2020 кг/час и его структура включает, кг/час:

насадку - 1600;	минеральное сырье - 320;
металл - 90;	серосодержащие соединения - 10.

Пример 4

В качестве исходного сырья используется бурый уголь Подмосковного бассейна следующего состава, % мас.:

вода - 32,00;	зольность - 21,00;	углерод - 28,70;
кислород - 9,00;	сера общая - 2,70;	водород - 2,20;
азот - 0,60

В реактор непрерывного действия загружают 2000 кг/час брикетов бурого угля с линейными размерами 150-100 мм и 2000 кг/час насадки с линейными размерами 75-100 мм, содержащей катализатор в виде железа и оксидов железа.

В зону подачи воздуха реактора подают газифицирующий агент (воздух) в количестве 3870 кг/час или 3000 нм³/час и водяной пар в количестве 300 кг/час, а в зону синтеза и гидрирования углеводородов - водород в количестве 30 кг/час. Процесс горения ведут при температуре не превышающей 1100°С.

Выходящие из реактора парогазовые продукты с температурой 190°С и содержащиеся в них углеводороды разделяются на жидкую и газовую составляющие, что осуществляется последовательно в циклоне и конденсаторах, охлаждаемых водой с начальной температурой около 18°С.

После системы конденсации газовая составляющая, количество которой 4602 кг/час, имеет следующий состав, % мас.:

N2 - 64,8;	СO2 - 31,88;	Н 2O - 2,17;	СО - 0,2;
H2S+SO2 - 0,75;	Н2 - 0,2

После системы конденсации органическая жидкостная составляющая получена в количестве 293 кг/час, содержащая смесь углеводородов С ₆-C₁₈ (в том числе октан, бензол, изомеры ксилола, декан, н-гексадекан).

Выходной поток твердых остатков из зоны выгрузки реактора составил по количеству 2665 кг/час и его структура включает, кг/час:

- насадку - 2000

- порошковое минеральное сырье - 420

- серосодержащие соединения - 25

Следует отметить, что упоминаемая в примерах 1, 3 и 4 насадка может быть изготовлена из золы уноса, например Черепетской ГРЭС Тульской области или других электростанций. В дополнение к нейтральной основе зола уноса содержит достаточное количество оксидов железа. В ней также содержится оксид алюминия (Аl₂O₃ ), являющийся промотором катализаторов на основе оксидов железа.

Аналогично приведенным примерам перерабатываются и другие горючие углерод- и/или углеводородсодержащие продукты.

В результате решения поставленных задач были созданы экологически чистый высокопроизводительный способ высокотемпературной переработки горючих углерод- и/или углеводородсодержащих продуктов и реактор для его осуществления, снизилась энергетическая емкость процесса, расширились технологические возможности в части управления химическим составом и увеличении выхода готовых к дальнейшему использованию продуктов, а также улучшилось их качество.

РЕЗУЛЬТАТЫ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
No п/п	Время, мин	Детектор	Компонент	Высота, мм	Площадь, мВ×мин	Высота, %	Площадь, %
1	3,565	ПИД-2	изопрен	70,8681	1,3585	10,1593	2,2621
2	5,726	ПИД-2		54,5009	1,2334	7,8130	2,0538
3	7,156	ПИД-2		65,9565	1,9622	9,4552	3,2673
4	14,316	ПИД-2		58,6702	4,4906	8,4107	7,4774
5	18,369	ПИД-2		16,9725	2,1847	2,4331	3,6378
6	28,222	ПИД-2	дипентен	430,5990	48,8263	61,7287	81,3017
Сумма:	697,5672	60,0557	100,00	100,00