способ непрерывной термохимической переработки различных видов углеродсодержащего сырья

Формула изобретения

1. Способ непрерывной термохимической переработки различных видов углеродсодержащего сырья (в том числе твердых, жидких и пастообразных), включающий его переработку при 150-750°С в реакторе в среде восстановительного газа и выгрузку остаточной фракции переработки, причем восстановительный газ в соотношении 1:(0,1-10) смешивают с газами процесса термохимической обработки, из которых выделена жидкая фракция, и подают смесь газов в реактор, отличающийся тем, что реактор состоит из элемента (либо элементов), по которым сырье в управляемом режиме перемещается движителем, причем газы смешиваются в элементе (либо элементах) реактора в пропорции, обеспечивающей необходимый режим переработки и соответствующей условиям производства продуктов с заданными параметрами.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от состава сырья и для увеличения количества получаемых фракций число элементов реактора, используемых для переработки, меняется от одного до четырех (и более).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температурный режим в каждом элементе реактора дополнительно обеспечивают за счет внешнего нагрева.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу непрерывной термохимической переработки различных видов углеродсодержащего сырья и может быть использовано для получения газообразных, жидких и твердых углеродсодержащих продуктов.

Известен способ термической переработки изношенных шин (патент РФ № 2139187), в котором пиролиз материала осуществляют при температуре 550-800°С в среде восстановительного газа при отношении восстановительного газа к материалу 0,20-0,45:1, а восстановительный газ получают методом неполного сжигания углеводородов с коэффициентом расхода воздуха 0,4-0,085.

Известен также способ термической переработки резинотехнических изделий, например, изношенных шин (патент РФ № 96109166), путем загрузки целых изделий в высокотемпературный реактор, подачу в него природного газа и нагрев его с получением жидких и газообразных углеводородных продуктов и твердого остатка, отличающийся тем, что процесс ведут при температуре в нижней части реактора от 100-250°С до 425-560°С, а в верхней части от 90-130°С до 250-290°С.

Известен также способ термической переработки материалов растительного происхождения (патент РФ № 96110679), включающий загрузку материала в герметичную камеру и одновременный нагрев через стенку камеры с последующим охлаждением и выгрузкой, отличающийся тем, что термическую переработку осуществляют в среде предварительно нагретого в теплообменнике продуктами сгорания до температуры более 150°С природного газа в массовом отношении газа к перерабатываемому материалу 0,25-0,5. При этом природный газ после отделения жидких и газообразных продуктов пиролиза возвращают в процесс пиролиза.

Недостатками указанных выше способов является отсутствие предусмотренной возможности переработки иных видов углеродсодержащего сырья, дискретность переработки, что ведет к замедлению процесса теплообмена, повышению энергозатрат, влияет на качество конечной продукции.

Известен способ переработки изношенных шин и других резинотехнических изделий (патент РФ № 2248880), в котором измельченную массу подвергают нагреву до 550°С, подают в верхнюю часть реактора с перемещением массы в нижнюю часть реактора по винтовому лотку. В качестве восстанавливающих газов используют пиролизные газообразные нефтепродукты с их подачей тангенциально в нижнюю часть реактора под избыточным давлением и при температуре 550-800°С и массовым соотношением 0,1-0,2:1. Часть газообразных нефтепродуктов подают в качестве топлива или для дальнейшей переработки в жидкое топливо. Твердый осадок обрабатывают в нижней части реактора перегретым паром с температурой 200-250°С и массовым отношением пара к твердому осадку, равным 1:1.

Недостатками указанного способа является сложное аппаратурное оформление, отсутствие возможности переработки иных видов углеродсодержащего сырья, энергозатратность способа (например, не предусмотрено комбинированное нагревание).

Известен также способ переработки вторичного тяжелого углеводородного сырья (патент РФ № 2170755), включающий подачу сырья в реакционную зону с пропусканием активирующего газа через объем сырья при поддержании температуры подаваемого сырья и температуры в реакционной зоне ниже температуры начала кипения исходного сырья с получением светлых фракций на выходе из реакционной зоны и тяжелых остатков - на входе. При этом переработку ведут с разделением реакционной зоны на независимые секции перфорированными перегородками. Отходящую газопаровую фазу подвергают двухстадийному охлаждению и конденсации с получением на первой стадии газойля, на второй стадии светлых фракций и газа, который затем направляют в голову процесса на стадию подачи активирующего газа в реакционную зону. Процесс осуществляют при подаче в реакционную зону активирующего газа с объемной скоростью не менее 30 ч^-1, подаче исходного сырья с объемной скоростью не выше 10 ч^-1.

Недостатками способа является невозможность использования иных видов углеродсодержащего сырья (например, твердого) и энергозатратность способа (например, не предусмотрено комбинированное нагревание).

Общим недостатком всех приведенных выше способов, является недостаточная регуляция процесса переработки, что снижает качество конечных продуктов и возможность использования различных видов сырья.

Известен также способ непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья (патент РФ № 2292299, прототип), включающий его предварительную термическую подготовку с использованием газообразного теплоносителя и последующую переработку при 200-950°С в реакторе, в среде восстановительного газа, с подачей насыщенного пара, дальнейшее охлаждение и выгрузку активированного угля. Причем восстановительный газ получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха менее 1,0 и смешивают его с газами процесса термохимической обработки, в соотношении 1:(0,1-10). Подают не менее чем в три зоны реактора, причем смешивают перед подачей в каждую реакторную зону в пропорции, обеспечивающей необходимый температурный режим и соответствующей условиям производства продукта с заданными параметрами. Согласно способу, газообразный теплоноситель после термической или термохимической подготовки сырья частично возвращают и смешивают с поступающим теплоносителем в соотношении (4-20):1.

Известное техническое решение имеет следующие недостатки:

- в способе не предусмотрена переработка иных видов углеродсодержащего сырья (например, жидких и пастообразных);

- в способе не предусмотрена регуляция скорости перемещения перерабатываемого сырья в различных зонах реактора;

- в способе не предусмотрена возможность получения при переработке сырья жидкой фракции, регуляция ее параметров и количества;

- в способе не предусмотрено получение иных видов твердых углеродсодержащих продуктов переработки (например, технического углерода).

Задачей изобретения является расширение технологических возможностей переработки и повышения качества управления процессом за счет использования дополнительных видов углеродсодержащего сырья (в том числе жидких и пастообразных), регуляции скорости перемещения сырья в различных зонах переработки, возможности получения продуктов регулируемого состава и соотношения, возможность получения иных видов продуктов (жидких и твердых фракций), снижения энергоемкости процесса.

Поставленная задача решается тем, что в способе непрерывной термохимической переработки углеродсодержащего сырья ведется управляемая переработка сырья при регулируемой температуре 150-750°С в среде восстановительного газа в реакторе, состоящем из отдельных элементов с регулируемым перемещением сырья в каждом элементе и выгрузкой конечного продукта, причем восстановительный газ получают из генератора восстановительных газов, дозировано смешивают его с газами процесса термохимической обработки в соотношении 1:(0,1-10) (здесь и далее - в объемных единицах) и подают в реакторный элемент (элементы), причем смешение происходит в каждом реакторном элементе в той пропорции, которая обеспечивает необходимый технологический режим и соответствует условиям производства продуктов с заданными параметрами из различных видов сырья.

Задача решается также тем, что процесс термохимической переработки дополнительно регулируется за счет использования реактора, состоящего из отдельных элементов (например, горизонтально расположенных труб), используемое количество которых (от одного до четырех и более) определяется свойствами исходного сырья, заданного соотношения и параметров получаемых продуктов переработки.

Задача решается также тем, что процесс термохимической переработки дополнительно регулируется за счет управления скоростью перемещения сырья по реакторному элементу (например, шнеком) с учетом свойств исходного сырья, заданного соотношения и параметров получаемых газообразных, жидких и твердых фракций.

Задача решается также тем, что образующиеся газы процесса термохимической переработки из каждого реакторного элемента вначале поступают в устройство для выделения жидких углеродсодержащих веществ и затем возвращаются в технологический процесс.

Задача решается также тем, что для переработки используется как внешний нагрев реактора, так и внутренний, за счет пропускания газов через слой перерабатываемого продукта.

Задача решается также тем, что часть газов термохимической переработки используется для рециркуляции, а остальные газы термохимической переработки используются для генерации восстановительных газов и для получения энергии (например, тепловой).

Известно, что восстановительные газы, содержащие Н₂ , СО, СO₂, СН₄, CnHm (например, природный газ, продукты пиролиза, дымовые газы, образующиеся в результате неполного сгорания углеродсодержащего топлива) могут использоваться для переработки углеродсодержащих материалов и для получения энергии (например, тепловой). Известно так же, что для генерации восстановительных газов могут быть использованы горелочные устройства, обеспечивающие сгорание углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха менее 1,0 или, например, нагрев газов термохимической переработки до температуры 150-750°С.

Известно, что при переработке углеродсодержащего сырья количество, соотношение и состав получаемых фракций зависит от температурного режима и длительности переработки. Известно также, что управление процессом переработки по зонам за счет регуляции длительности переработки (например, управлением скоростью перемещения), температуры и циркуляции восстановительных газов обеспечивает заданную структуру, соотношение и состав фракций за счет регуляции процессов термодеструкции, поликонденсации и активации. Известно так же, что увеличение количества используемых зон регуляции позволяет повысить эффективность регуляции процесса переработки, управлять параметрами конечных продуктов.

Известно, что смешение газов различной температуры (например, описанное в прототипе) позволяют получать смесь с нужной температуры для соответствующего элемента реактора (или для наружного обогрева) в зависимости от заданных параметров процесса. При этом нижний предел смешения (1:0,1) позволяет получить наибольшую температуру, верхний предел смешения (1:10) позволяет обеспечить нижнюю границу температуры, необходимую для проведения процесса.

Известно, что для переработки углеродсодержащего сырья может использоваться как внешний нагрев реактора (или его элементов), так и внутренний, за счет пропускания газов через слой перерабатываемого продукта (например, противоток газа). Известно также, что сочетание внешнего и внутреннего нагрева уменьшает расход энергии для внутреннего нагрева сырья.

Для решения технической задачи сырье перерабатывается в реакторе, состоящем из отдельных элементов (например, горизонтальных труб с внутренним движителем). Сырье, последовательно перемещаясь по элементам реактора в регулируемом режиме, подвергается управляемому термохимическому воздействию восстановительных газов и дополнительному термическому воздействию за счет наружного обогрева реакторных элементов.

В качестве примера предлагаемого способа используется реакторный блок из четырех реакторных элементов. Количество используемых в каждом конкретном случае реакторных элементов определяется свойствами сырья и заданными параметрами получаемых продуктов переработки (твердых, жидких и газообразных фракций). Увеличение количества используемых реакторных элементов позволяет повысить эффективность управления процессом переработки и увеличить количество видов получаемых жидких фракций. Например, при поставленной задаче получения из относительно однородного сырья (например, древесины) преимущественно газообразной фракции может использоваться один реакторный элемент, для получения двух видов жидкой фракции - два элемента, при получении из многокомпонентного сырья трех видов жидких фракций - три элемента, и т.д. Соответственно поставленной задаче, выгрузка конечного продукта переработки происходит непосредственно после используемых элементов (элемента). В предлагаемом способе, с целью снижения материалоемкости при его реализации, также предусмотрена компоновка реактора из того количества элементов, которое достаточно для решения конкретной технологической задачи переработки.

Скорость перемещения сырья, объем подаваемых восстановительных газов и пропорция их смешения подбираются эмпирически, в зависимости от заданных параметров переработки и состава сырья.

Образующиеся газы термохимической переработки отводятся и используются для дальнейшей генерации восстановительных газов, регуляции температуры и состава газовой среды, получения энергии (например, тепловой).

На чертеже показана схема осуществления способа непрерывной термохимической переработки различных видов углеродсодержащего сырья в реакторе из четырех элементов, где 1 - загрузка сырья после предварительной подготовки, 2 - реакторные элементы с движителем, 3 - выгрузка полученного продукта, 4 - устройство наружного обогрева реакторного элемента, 5 - генератор восстановительных газов, 6 - устройство для выделения жидкой фракции, 7 - задвижки, 8 - отвод жидкой фракции, 9 - дымосос, 10 - варианты выгрузки полученного продукта.

Способ осуществляется следующим образом. Углеродсодержащее сырье после предварительной подготовки (например, согласно описанной в прототипе) непрерывно дозировано подается (1) в начальный элемент реактора (2), откуда поступает в последующие элементы (2) и далее на выгрузку (3). При использовании реакторного блока из четырех (и более) реакторных элементов в зависимости от поставленных задач переработки могут использоваться изолировано один, два, три, или четыре элемента. При этом выгрузка конечной фракции предусмотрена из последнего реакторного элемента, включенного в процесс (10).

Перерабатываемое сырье перемещается в каждом реакторном элементе (2) в заданном режиме за счет регулируемой работы внутреннего движителя (например, шнека).

В каждый элемент реактора через входные патрубки и систему отверстий (на схеме не показаны) подаются восстановительные газы из генератора восстановительных газов (5). Газы термохимической переработки поступают из выходных отверстий и патрубков элемента реактора (на схеме не показаны) в устройство (6) для выделения жидкой фракции (например, конденсатор) и далее вновь возвращаются в реактор (например, предшествующий реакторный элемент). Жидкая фракция далее отводится (8) для сбора и накопления. Часть газов термохимической переработки, поступающих из первого реакторного элемента, возвращаются в процесс переработки (рецикл) и используются для регуляции параметров газовой среды в реакторных элементах (элементе). Использование рециркуляции восстановительных газов позволяет снизить расход восстановительных газов из генератора восстановительных газов. Способом предусмотрено последовательное перемещение газов термохимической переработки к началу технологической цепочки навстречу движению сырья (противоток газов) и к более низкой температуре.

Газовую среду в каждом реакторном элементе получают регулируемым смешением продуктов из генератора восстановительных газов (5), образующихся газов термохимической переработки и газов рецикла в пропорции, необходимой для достижения заданной для данного элемента состава газовой среды и температуры.

При этом часть газов термохимической переработки поступает в генератор (6) для образования восстановительных газов (например, для сжигания с коэффициентом расхода воздуха менее 1,0), часть - в рецикл, оставшаяся часть газов используется для получения энергии (например, тепловой). Управляемое и регулируемое движение газов обеспечивают специальные устройства (например, дымосос 9) и система задвижек (7). Согласно поставленным технологическим задачам переработки, в элементы реактора могут подаваться (на схеме не показано) специальные агенты (например, пар).

Одновременно производится регулируемый внешний нагрев (4) реакторного сегмента (например, за счет тепла, образующегося при работе генератора восстановительных газов или электроподогрева) до температуры соответствующей заданному режиму переработки.

Пример 1.

Сырьем является грунт, загрязненный разливами нефтепродуктов (20% от массы грунта). Основным заданным параметром процесса переработки является очистка грунта от загрязнения и получение жидкой фракции. Для переработки используется один реакторный элемент. Заданный параметр достигается следующим образом. Загрязненный грунт, предварительно подготовленный для переработки (сушка при средней температуре 120°С), подается в реактор, где производится ее термохимическая переработка восстановительными газами. Восстановительные газы получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха 0,9.

В элементе реактора поддерживается градиент температуры 200-450°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:1,5 и нагревания элемента реактора снаружи дымовыми газами температурой 450°С. Среднее время нахождения в реакторном элементе - 45 мин. Выход жидкой фракции - 26,5% от исходной массы нефтепродуктов.

Пример 2.

Сырьем является древесина. Основным заданным параметром процесса переработки является получение твердой фракции с определенными сорбционными параметрами (адсорбционная способность по йоду 40%). Для переработки используется два реакторных элемента. Заданный параметр достигается следующим образом. Древесина, предварительно измельченная до фракции 15-35 мм и подготовленная для переработки (сушка при средней температуре 140°С), попадает в реактор, где производится ее термохимическая переработка восстановительными газами. Восстановительные газы получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха 0,3.

В первом элементе реактора поддерживается градиент температуры 200-350°С за счет регулируемой подачи смешанных восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:3 и нагревания элемента реакторного сегмента снаружи дымовыми газами температурой 350°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 60 мин.

Во втором элементе реактора поддерживается градиент температуры 350-750°С за счет регулируемой подачи смешанных дымовых газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:0,15 и нагревания элемента реактора снаружи дымовыми газами температурой 650°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 60 мин.

В конечную часть второго элемента реактора подается насыщенный пар, согласно прототипа. Выход активированного угля - 26,5%, адсорбционная способность по йоду в среднем 40%, выход жидкой фракции (пиролизной смолы) - 27,0%.

Пример 3.

Сырьем является отходы резинотехнических изделий. Заданным параметром процесса переработки является получение твердой фракции (технический углерод), повышенный объем жидкой фракции (пиролизной смолы) и пониженный объем газообразной фракции. Для переработки используется два реакторных элемента. Заданный параметр достигается следующим образом. В аппарат термохимической подготовки сырья поступают отходы резинотехнических изделий, предварительно измельченные до фракции 15-35 мм. После термической обработки (нагрев при температуре 160°С) сырье подается в реактор, где производится его термохимическая переработка восстановительными газами. Восстановительные газы получают нагреванием природного газа до 550°С в теплообменнике генератора восстановительных газов продуктами сгорания газов термохимической переработки.

В первом элементе реактора поддерживается градиент температуры 160-300°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:1 и нагревания сегмента реактора снаружи дымовыми газами температурой 300°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 40 мин.

Во втором элементе реактора поддерживается градиент температуры 300-550°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:0,1 и нагревания элемента реактора снаружи дымовыми газами температурой 550°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 80 мин.

В конечную часть второго элемента реактора подается насыщенный пар, согласно аналогу. Выход в среднем: технического углерода - 28,7%, жидкой фракции - 41,0%, газообразной фракции - 30,3%.

Пример 4.

Сырьем является биомасса (листва, стебли). Заданным параметром процесса переработки является получение повышенного объема жидких продуктов с разделением на фракции. Для переработки используется три реакторных элемента. Заданный параметр достигается следующим образом. Биомасса, предварительно измельченная до фракции 15-35 мм и подготовленная для переработки (сушка при средней температуре 140°С) попадает в реактор, где производится ее термохимическая переработка восстановительными газами. Восстановительные газы получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха 0,85.

В первом элементе реактора поддерживается градиент температуры 160-250°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:7 и нагревания элемента реактора снаружи дымовыми газами температурой 250°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 30 мин.

Во втором элементе реактора поддерживается градиент температуры 250-350°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:3 и нагревания элемента реактора снаружи дымовыми газами температурой 350°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 30 мин.

В третьем сегменте реактора поддерживается градиент температуры 350-520°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:1 и нагревания элемента реактора снаружи дымовыми газами температурой 520°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 50 мин.

Выход продуктов переработки, в % от обезвоженной части, в среднем: твердой фракции - 25,4%, газообразной фракции - 33,6%. Выход жидких фракций - 41,0%, в том числе: фракция с температурой кипения 200-250°С - 3,9%, фракция с температурой кипения более 260°С - 37,1%.

Пример 5.

Сырьем является отходы нефтепереработки (нефтешламы). Заданным параметром процесса переработки является получение повышенного объема жидких продуктов с разделением на фракции по температуре кипения и пониженный объем газообразных продуктов. Для переработки используется четыре реакторных элемента. Заданный параметр достигается следующим образом. После термической подготовки (нагрев при температуре 140°С) сырье попадает в реактор, где производится его термохимическая переработка восстановительными газами. Восстановительные газы получают сжиганием углеводородного топлива с коэффициентом расхода воздуха 0,8.

В первом сегменте реактора поддерживается градиент температуры 150-220°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:8 и нагревания элемента реактора снаружи за счет электрообогрева до температуры 220°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 20 мин.

Во втором сегменте реактора поддерживается градиент температуры 220-300°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:4 и нагревания элемента реактора снаружи за счет электрообогрева до температуры 300°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 20 мин.

В третьем сегменте реактора поддерживается градиент температуры 300-380°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:2 и нагревания элемента реактора снаружи за счет электрообогрева до температуры 380°С. Время переработки сырья в реакторном элементе - 30 мин.

В четвертом сегменте реактора поддерживается градиент температуры 380-450°С за счет регулируемой подачи смеси восстановительных газов и газов термохимической переработки в соотношениях в среднем 1:1 и нагревания элемента реактора снаружи за счет электрообогрева до температуры 450°С. В конечную часть четвертого сегмента реактора подается насыщенный пар, согласно аналогу. Время переработки сырья в реакторном элементе - 30 мин.

Выход продуктов переработки, в % от исходной массы сырья, в среднем: сорбента (адсорбционная способность по йоду 18%) - 6,4%, газообразной фракции - 31,2%. Выход жидких фракций - 63,4%, в том числе: фракция с температурой кипения 160-220°С - 4,9%, фракция с температурой кипения 220-280°С - 14,5%, фракция с температурой кипения 280-350°С - 37,2%, фракция с температурой кипения более 350°С - 43,4%.

Таким образом, приведенные данные доказывают, что вся совокупность признаков изобретения позволяет решать поставленную задачу расширения технологических возможностей процесса за счет использования различных видов углеродсодержащего сырья, получения различных фракций переработки с заданными параметрами, повышения управляемости процессом и снижение его энергоемкости.