Установка для переработки углеводородного сырья
Изобретение относится к области термической переработки углеводородного сырья, в частности к установкам для пиролиза изношенных автомобильных шин и других вторичных полимерсодержащих материалов с получением продуктов пиролиза, используемых в промышленности в качестве энергоносителей и при производстве резинотехнических изделий и сорбентов. Установка для переработки углеводородного сырья содержит оборудованный источником обогрева реактор для пиролиза, систему отвода продуктов пиролиза, содержащую трубопровод, соединяющий пиролизную камеру с теплообменником, систему, изменяющую качественные показатели продуктов пиролиза, систему разделения парогазообразных продуктов пиролиза. Причем реакторов для пиролиза установлено не менее двух, каждый реактор снабжен сменной пиролизной камерой с размещенным в ней сменным решетчатым многоярусным стеллажом. Система, изменяющая качественные показатели продуктов пиролиза, содержит коллекторы, установленные на крышках пиролизных камер и соединенные разъемами с вертикальными каналами, открытыми в нижней части, размещенными по периметру боковой поверхности внутри корпусов пиролизных камер, и трубопроводом через блок управления с емкостями для инертного газа и реагента. Система разделения парогазообразных продуктов пиролиза выполнена в виде последовательно установленных ректификационной колонны и теплообменника, при этом основной трубопровод системы отвода парогазообразных продуктов пиролиза соединяет непосредственно каждую пиролизную камеру с ректификационной колонной и снабжен поворотными патрубками, установленными на каждой пиролизной камере, а трубопровод, соединяющий пиролизную камеру с теплообменником, является обводным и снабжен запорной арматурой. Кроме того, в установке каждый поворотный патрубок системы отвода парогазообразных продуктов может быть оборудован герметичным шарниром, состоящим из неподвижного стакана и размещенной в нем поворотной трубы, причем в нижней части наружного стакана выполнена торообразная проточка, в которой размещены шарики, а в нижней части поворотной трубы установлено кольцо с коническим нижним торцом, выполненным под углом 60-62° к его оси, которым поворотная труба опирается на шарики, при этом в верхней части неподвижный стакан оборудован сальником. Кроме того, в установке каждый реактор для пиролиза может быть снабжен металлическим цельным корпусом с источником обогрева в виде нагревательных элементов, равномерно расположенных на внутренней поверхности в каналах футеровки, объединенных в группы с возможностью последовательного отключения группы нагревательных элементов. Техническим результатом является снижение энергозатрат, ускорение процесса переработки сырья, повышение качества получаемых продуктов пиролиза, получение легких видов топлива (бензин, дизтопливо, керосин) непосредственно в процессе переработки углеводородного сырья и повышение экологической чистоты процесса переработки углеводородного сырья. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.
Изобретение относится к области термической переработки углеводородного сырья и может быть использовано для пиролиза изношенных автомобильных шин и других вторичных полимерсодержащих материалов с получением продуктов пиролиза, используемых в промышленности в качестве энергоносителей и при производстве резинотехнических изделий и сорбентов.
Известна установка по переработке изношенных автопокрышек, содержащая пиролизную камеру с каналом отбора газа из пиролизной камеры и каналом подвода газа в пиролизную камеру, сепаратор, емкость для пиролизной жидкости, компрессор и теплообменник, в которой между пиролизной камерой и теплообменником установлены последовательно циклон для сбора пыли и каталитическая насадка, а пиролизная камера дополнительно снабжена дозатором выгрузки обуглероженного остатка и металлокорда (см. патент на полезную модель, RU №43546, МПК-7 C10J 3/02, C10G 1/10).
Как показали испытания приобретенной установки, известная установка обладает. серьезными недостатками, не позволяющими использовать ее в промышленном режиме по прямому назначению.
Недостатками известной установки являются высокие удельные энергозатраты, обусловленные потерями тепла с отходящими топочными газами, низкое качество продуктов пиролиза: горючие пиролизные газы в значительной степени разбавляются топочными газами, в результате чего имеют низкую удельную теплоту сгорания (50% в составе газов составляют негорючие компоненты - двуокись углерода и азот, 20% - влага), технический углерод (углеродосодержащий твердый остаток) пропитан смолистыми веществами и не пригоден ни для резинотехнического производства, ни для производства сорбентов и может использоваться только в качестве топлива.
Установленная между пиролизной камерой и теплообменником каталитическая насадка неработоспособна, так как катализатор через 15-20 минут теряет активность в результате отложения на нем кокса и его необходимо постоянно регенерировать. С этой целью в промышленности используется движущийся катализатор, проходящий последовательно зону регенерации. Однако такой принцип значительно усложнил бы и без того достаточно сложную конструкцию известной установки. В процессе переработки автопокрышек загрязняется окружающая среда дымовыми газами.
Известна печь для пиролиза углеводородного сырья, в частности изношенных шин, содержащая разъемный по горизонтали металлический корпус с футеровкой, установленную в нем камеру пиролиза с корзиной для загрузки сырья, источник обогрева печи дымовыми газами, средства отвода продуктов пиролиза в виде лотка и патрубка (см. п. RU №2078111, МПК-6 С10В 1/04, C10J 1/10, C10B 53/08).
Недостатком известной печи являются высокие энергозатраты, обусловленные потерями тепла с отходящими греющими газами, необходимостью раскрытия корпуса печи по горизонтали и расхолаживания печи всякий раз по окончании пиролиза очередной партии сырья и последующего ее разогрева вначале каждого нового цикла, сложность конструкции, обусловленная выполнением корпуса печи разъемным по горизонтали, что к тому же усложняет ее обслуживание, загрязнение окружающей среды отходящими дымовыми газами.
Известно устройство для переработки углеводородного сырья, содержащее печь, включающую металлический корпус с футеровкой, установленную в ней сменную пиролизную камеру, источник обогрева в виде нагревательных элементов, равномерно расположенных на внутренней поверхности в каналах футеровки печи с возможностью их последовательного отключения, узел для попеременной подачи дополнительного теплоносителя с активирующим агентом и инертного газа в пиролизную камеру, выполненный в виде труб с отверстиями, вертикально установленных и равномерно размещенных по всему объему пиролизной камеры, и патрубок отвода продуктов пиролиза (см. патент на полезную модель, RU №30747, МПК-7 С10В 1/04).
Известное устройство имеет ряд недостатков. Находящееся в пиролизной камере сырье в процессе пиролиза образует цельный ком, что резко ухудшает тепломассообменные процессы, замедляет процесс пиролиза и увеличивает энергетические затраты. Кроме того, равномерно размещенные по всему объему пиролизной камеры вертикально установленные трубы мешают загрузке сырья и создают трудности при закрывании пиролизной камеры крышкой, увеличивая непроизводительные затраты времени на перезагрузку пиролизной камеры. Патрубок отвода продуктов пиролиза, соединенный с трубопроводом, необходимо демонтировать при загрузке-выгрузке в печь, что также увеличивает непроизводительные затраты времени. Последовательное отключение большого количества нагревательных элементов усложняет систему управления нагревательными элементами, что удорожает конструкцию и снижает надежность работы.
Наиболее близким из известных решений является описанная выше установка по переработке изношенных автопокрышек по патенту на полезную модель, RU №43546.
Целью изобретения является снижение энергозатрат, ускорение процесса переработки сырья, повышение качества получаемых продуктов пиролиза, получение светлых (легких) видов топлива (первичный бензин, дизтопливо, керосин) непосредственно в процессе переработки углеводородного сырья, повышение экологической чистоты процесса переработки углеводородного сырья.
Цель достигается тем, что в установке для переработки углеводородного сырья, содержащей оборудованный источником обогрева реактор для пиролиза, систему отвода продуктов пиролиза, содержащую трубопровод, соединяющий пиролизную камеру с теплообменником, систему, изменяющую качественные показатели продуктов пиролиза, систему разделения парогазообразных продуктов пиролиза, реакторов для пиролиза установлено не менее двух, при этом каждый реактор снабжен сменной пиролизной камерой с размещенным в ней сменным решетчатым многоярусным стеллажом, система, изменяющая качественные показатели продуктов пиролиза, содержит коллекторы, установленные на крышках пиролизных камер и соединенные разъемами с вертикальными каналами, открытыми в нижней части, размещенными по периметру боковой поверхности внутри корпусов пиролизных камер, и трубопроводом через блок управления с емкостями для инертного газа и реагента, а система разделения парогазообразных продуктов пиролиза выполнена в виде последовательно установленных ректификационной колонны и теплообменника, при этом основной трубопровод системы отвода парогазообразных продуктов пиролиза соединяет непосредственно каждую пиролизную камеру с ректификационной колонной и снабжен поворотными патрубками, установленными на каждой пиролизной камере, а трубопровод, соединяющий пиролизную камеру с теплообменником, является обводным и снабжен запорной арматурой
Кроме того, в установке каждый поворотный патрубок системы отвода парогазообразных продуктов оборудован герметичным шарниром, состоящим из неподвижного стакана и размещенной в нем поворотной трубы, причем в нижней части наружного стакана выполнена торообразная проточка, в которой размещены шарики, а в нижней части поворотной трубы установлено кольцо с коническим нижним торцом, выполненным под углом 60-62° к его оси, которым поворотная труба опирается на шарики, при этом в верхней части неподвижный стакан оборудован сальником.
Кроме того, в установке каждый реактор для пиролиза снабжен металлическим цельным корпусом с источником обогрева в виде нагревательных элементов, равномерно расположенных на внутренней поверхности в каналах футеровки, объединенных в группы с возможностью последовательного отключения группы нагревательных элементов.
Благодаря тому, что система разделения парогазообразных продуктов пиролиза выполнена в виде последовательно установленных и связанных непосредственно с системой отвода парогазообразных продуктов пиролиза ректификационной колонны и теплообменника, установка позволяет получать легкие виды топлива (первичный бензин, дизтопливо, керосин) непосредственно в процессе переработки углеводородного сырья путем фракционной перегонки парогазообразных продуктов пиролиза в ректификационной колонне, где они разделяются на фракции путем ректификации. При этом не требуется дополнительного расхода тепловой энергии на испарение, так как продукты пиролиза подаются в ректификационную колонну из реакторов для пиролиза нагретыми до необходимой температуры в парогазообразном состоянии.
Наличие обводного трубопровода с запорной арматурой в системе отвода парогазообразных продуктов пиролиза, соединяющего непосредственно пиролизную камеру с теплообменником, минуя ректификационную колонну, позволяет плавно запустить в работу ректификационную колонну, подавая парогазообразные продукты пиролиза в колонну после выхода реакторов на рабочий режим пиролиза. До выхода реакторов на рабочий режим пиролиза парогазообразные продукты пиролиза временно подаются по обводному каналу непосредственно на теплообменник, где разделяются на жидкую фракцию (тяжелый вид топлива типа флотского мазута марки Ф-5) и горючий газ. Этот режим работы используется также во время вынужденного отключения ректификационной колонны на ремонт и техобслуживание или когда необходимо получать тяжелые виды топлива для других целей.
Оборудование системы отвода парогазообразных продуктов поворотными патрубками, имеющими герметичные шарниры, позволяет оперативно освободить место для загрузки и выгрузки сменных пиролизных камер, что сокращает время перезагрузки реактора, предотвращает его расхолаживание, а объединение нагревательных элементов в группы упрощает систему управления. Возможность последовательного отключения группы нагревательных элементов реактора по мере уменьшения количества сырья в пиролизной камере в процессе его пиролиза, а также возможность быстрой выгрузки и загрузки сменных пиролизных камер в реактор значительно сокращает энергозатраты и время паузы между циклами, повышая эффективность работы установки.
Оборудование установки системой, изменяющей качественные показатели продуктов пиролиза, обеспечивающей подачу через коллектор непосредственно в пиролизные камеры инертного газа и специальных реагентов, обеспечивает пожарную безопасность и предупреждает окисление продуктов пиролиза в период запуска установки, когда в агрегатах находится воздух, путем продувки агрегатов и систем инертным газом, а возможность подачи специальных реагентов позволяет управлять процессом и целенаправленно изменять свойства получаемых продуктов пиролиза (например, уменьшать количество непредельных углеводородов за счет присоединения к ним водорода и т.п.).
Оборудование сменных пиролизных камер сменными многоярусными решетчатыми стеллажами для размещения на них сырья значительно ускоряет процесс пиролиза за счет интенсификации тепломассообменных процессов. Как показали испытания опытной установки, без стеллажей сырье в камере в процессе пиролиза образует цельный ком, что резко ухудшает тепломассообменные процессы и замедляет процесс пиролиза. При размещении сырья на решетчатых стеллажах процесс пиролиза протекает интенсивно и с меньшими энергозатратами. При этом обеспечивается высокое качество твердого остатка - технического углерода: он не загрязнен смолистыми веществами, представляет из себя сухое вещество, напоминающее по структуре древесный уголь. Как показали лабораторные исследования, такой технический углерод может успешно применяться для получения из него сорбентов, а также как активный наполнитель при производстве резины.
На фиг.1 изображена установка для переработки углеводородного сырья, общая схема;
На фиг.2 - реактор со сменной пиролизной камерой, продольный разрез;
На фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.
Установка для переработки углеводородного сырья содержит не менее двух реакторов для пиролиза 1 с металлическим цельным корпусом и источниками обогрева 2, например электронагревателями, расположенными равномерно в каналах футеровки на внутренней поверхности и объединенными, например, в три группы с возможностью последовательного отключения группы нагревательных элементов. В каждом реакторе установлены сменные пиролизные камеры 3, оборудованные сменными многоярусными решетчатыми стеллажами 4 для размещения на них сырья. Каждая сменная пиролизная камера имеет стальной цилиндрический корпус, герметично закрываемый сверху крышкой 5, на которой размещен поворотный патрубок 6 системы отвода парогазообразных продуктов. Установка содержит систему, изменяющую качественные показатели продуктов пиролиза, включающую коллекторы 7, установленные на крышках пиролизных камер и соединенные разъемами 8 с вертикальными каналами, образованными, например, уголками 9, равномерно расположенными по периметру боковой поверхности внутри корпуса пиролизной камеры 3 и приваренными к нему, при этом нижние концы вертикальных каналов открыты благодаря тому, что нижние концы уголков 9 срезаны под углом 45°. Коллекторы 7 трубопроводом соединены через блок управления 10 с емкостью 11 в виде баллонов для инертного газа и с емкостью 12 для специального реагента для целенаправленного изменения свойств получаемых продуктов пиролиза и управления процессом пиролиза. Поворотный патрубок 6 для отвода парогазообразных продуктов с помощью шарнира 13 подсоединен к основному трубопроводу системы разделения парогазообразных продуктов, включающей последовательно установленные ректификационную колонну 14 и теплообменник 15 с гидрозатвором 16 и вентилятором 17, и к обводному трубопроводу 18 с запорной арматурой 19 для обеспечения возможности подачи парогазообразных продуктов пиролиза непосредственно к теплообменнику 15, минуя ректификационную колонну 14.
Шарнир 13 поворотного патрубка 6 состоит из неподвижного стакана 20, в нижней части которого выполнена торообразная проточка, в которой размещены шарики 21, и поворотной трубы патрубка 6 с кольцом 22, имеющим конический нижний торец, выполненный под углом 62°, которым поворотная труба опирается на шарики, в верхней части неподвижный стакан оборудован сальником 23, делающим поворотный шарнир герметичным.
Установка для переработки углеводородного сырья работает следующим образом.
Запускают в работу поочередно реакторы для пиролиза 1.
Для этого подготовленное сырье, например изношенные шины или другие резинотехнические, полиэтиленовые, полипропиленовые отходы, загружают на многоярусные решетчатые стеллажи 4, далее стеллажи 4 устанавливают в сменные пиролизные камеры 3, которые после этого закрывают герметичными крышками 5 и устанавливают в реакторы для пиролиза 1.
К сменным пиролизным камерам подсоединяют систему отвода парогазообразных продуктов и систему, изменяющую качественные показатели продуктов пиролиза: для этого к пиролизным камерам 3 подсоединяют поворотные патрубки 6, системы отвода парогазообразных продуктов пиролиза, а коллекторы 7 подсоединяют через блок управления 10 к емкостям 11 в виде баллонов с инертным газом и к емкости 12 с реагентами.
После загрузки сменных пиролизных камер 3 в реакторы для пиролиза 1 в сменные пиролизные камеры через коллекторы 7, разъемы 8 и вертикальные каналы с помощью блока управления 10 подают инертный газ в течение времени, достаточного для заполнения инертным газом всего объема пиролизной камеры, после чего подачу инертного газа прекращают и поочередно включают группы нагревательных элементов обогрева реакторов 1. Заполнение пиролизных камер инертным газом обеспечивает пожарную безопасность и предотвращает окисление продуктов пиролиза. По мере нагревания начинается процесс пиролиза сырья. На время запуска реакторов до выхода их на рабочий режим пиролиза парогазообразные продукты пиролиза из пиролизных камер 3 временно подаются по дополнительному обводному трубопроводу 18 непосредственно на теплообменник 15, где разделяются на жидкую фракцию и горючий газ. Этот режим работы используется также во время вынужденного отключения ректификационной колонны на ремонт и техобслуживание или когда необходимо получать тяжелый вид топлива для других целей. После выхода реакторов на рабочий режим парогазообразные продукты пиролиза из пиролизных камер 3 начинают подавать непосредственно в ректификационную колонну 14, для чего обводной трубопровод 18 перекрывают запорной арматурой 19.
В ректификационной колонне парогазообразные продукты пиролиза разделяются по фракциям: мазут, дизтопливо, реактивное топливо (керосин) и пары бензина. Пары бензина вместе с горючими газами покидают ректификационную колонну 14 и поступают в теплообменник 15, в котором происходит конденсация паров бензина и отделение горючих газов. Бензин собирается в расходную емкость 24, из которой поступает на окончательную переработку, при этом небольшая часть бензина в соответствии с технологическим процессом ректификации поступает в ректификационную колонну для орошения. А горючий газ через гидрозатвор 16 поступает к потребителям. Мазут, дизтопливо и реактивное топливо (керосин) поступают в дальнейшую переработку для получения товарных нефтепродуктов.
При необходимости целенаправленного изменения свойств получаемых продуктов пиролиза (например, уменьшить количество непредельных углеводородов за счет присоединения к ним водорода и т.п.) в пиролизные камеры 3 через блок управления 10 из емкости 12 подают специальные реагенты (например, водород).
По мере выработки сырья в пиролизных камерах 3 последовательно отключают группы нагревателей, а по окончании процесса производится поочередная их перезагрузка без расхолаживания реакторов для пиролиза 1. Для этого каждую пиролизную камеру 3 после окончания процесса пиролиза сырья отсоединяют от системы, изменяющей качественные показатели продуктов пиролиза, подающей инертный газ и специальные реагенты, и от поворотного патрубка 6 отвода парогазообразных продуктов пиролиза, который поворачивают в шарнире 13 и отводят в сторону, освобождая место для подъема пиролизной камеры, которую извлекают из реактора и подают на расхолаживание, выгрузку остающихся в ней твердых продуктов пиролиза (технический углерод, металлический корд) и последующую загрузку сырья. На место извлеченной пиролизной камеры в реактор загружают другую пиролизную камеру 3, заранее загруженную сырьем, соединяют с поворотным патрубком 6 отвода парогазообразных продуктов пиролиза и с системой, изменяющей качественные показатели продуктов пиролиза, подающей инертный газ и специальные реагенты и процесс продолжается. Так как к ректификационной колонне 14 подключены несколько реакторов для пиролиза 1 (два и более) и перезагрузка их сырьем осуществляется поочередно, обеспечивается непрерывный устойчивый режим работы ректификационной колонны.
Весь процесс пиролиза сырья протекает в замкнутом объеме без каких либо выбросов в атмосферу и является экологически чистым.
Проведенные испытания взятой после теплообменника жидкой фракции, полученной в результате пиролиза автошин и других резиносодержащих отходов, показали (см. таблицу), что она имеет высокую теплоту сгорания, в ее составе практически отсутствует вода и всего около 1% серы. Простая перегонка этих продуктов обеспечивает получение 52% легких видов топлива, при этом 22,5% из них составляет бензин.
| № | Наименование показателей | Фактическое значение | Метод испытаний |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| 1 | Теплота сгорания (низшая) в пересчете на сухое топливо, кДж/кг | 41648 | ГОСТ 21261-91 |
| 2 | Плотность при 20°С, кг/м3 | 918,9 | ГОСТ 3900-85 |
| 3 | Кинематическая вязкость при 20°С, сСт при 50°С, сСт | 5,52 | ГОСТ 33-2000 |
| 2,69 | |||
| 4 | Массовая доля серы, % | 1,02 | ГОСТ 19121-73 |
| 5 | Массовая доля воды, % | следы | ГОСТ 2477-65 |
| 6 | Фрикционный состав: н.к., °С | 57 | ГОСТ 2177-99 |
| До100°С перегоняется, % | 4 | ||
| До120°С перегоняется, % | 7 | ||
| До150°С перегоняется, % | 14,5 | ||
| До 160°С перегоняется, % | 17,5 | ||
| До 180°С перегоняется, % | 22,5 | ||
| До 200°С перегоняется, % | 27,5 | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| До 220°С перегоняется, % | 32 | ||
| До 240°С перегоняется, % | 36,5 | ||
| До 260°С перегоняется, % | 42 | ||
| До 280°С перегоняется, % | 47 | ||
| До 300°С перегоняется, % | 52 | ||
| 7 | Температура застывания, °С | Минус 32 | ГОСТ 20287-91 |
Предлагаемая установка для переработки углеводородного сырья, обеспечивающая значительное снижение энергозатрат, ускорение процесса переработки сырья, высокое качество продуктов пиролиза и получение легких видов топлива (бензин, дизтопливо, керосин) непосредственно в процессе переработки углеводородного сырья, при экологически чистом процессе переработки, найдет промышленное применение.
1. Установка для переработки углеводородного сырья, содержащая оборудованный источником обогрева реактор для пиролиза, систему отвода продуктов пиролиза, содержащую трубопровод, соединяющий пиролизную камеру с теплообменником, систему, изменяющую качественные показатели продуктов пиролиза, систему разделения парогазообразных продуктов пиролиза, отличающаяся тем, что реакторов для пиролиза установлено не менее двух, при этом каждый реактор снабжен сменной пиролизной камерой с размещенным в ней сменным решетчатым многоярусным стеллажом, система, изменяющая качественные показатели продуктов пиролиза, содержит коллекторы, установленные на крышках пиролизных камер и соединенные разъемами с вертикальными каналами, открытыми в нижней части, размещенными по периметру боковой поверхности внутри корпусов пиролизных камер, и трубопроводом через блок управления с емкостями для инертного газа и реагента, а система разделения парогазообразных продуктов пиролиза выполнена в виде последовательно установленных ректификационной колонны и теплообменника, при этом основной трубопровод системы отвода парогазообразных продуктов пиролиза соединяет непосредственно каждую пиролизную камеру с ректификационной колонной и снабжен поворотными патрубками, установленными на каждой пиролизной камере, а трубопровод, соединяющий пиролизную камеру с теплообменником, является обводным и снабжен запорной арматурой.
2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый поворотный патрубок системы отвода парогазообразных продуктов оборудован герметичным шарниром, состоящим из неподвижного стакана и размещенной в нем поворотной трубы, причем в нижней части наружного стакана выполнена горообразная проточка, в которой размещены шарики, а в нижней части поворотной трубы установлено кольцо с коническим нижним торцом, выполненным под углом 60-62° к его оси, которым поворотная труба опирается на шарики, при этом в верхней части неподвижный стакан оборудован сальником.
3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что каждый реактор для пиролиза снабжен металлическим цельным корпусом с источником обогрева в виде нагревательных элементов, равномерно расположенных на внутренней поверхности в каналах футеровки, объединенных в группы с возможностью последовательного отключения группы нагревательных элементов.
