Способ и устройство для обработки суспензии, содержащей органические компоненты
Изобретение относится к способу и устройству для обработки суспензии, содержащей органические компоненты, например биомассу. Содержание воды в суспензии по меньшей мере 50 %. Способ включает повышение давления и температуры для перевода воды в суспензии в сверхкритическое состояние, преобразование посредством сверхкритической водной газификации органических компонентов в суспензии и отделение газообразных продуктов от преобразованной суспензии. Причем текучую среду смешивают с суспензией перед преобразованием органических компонентов. Обеспечивается переработка потока сырья с высоким содержанием органических компонентов с эффективным извлечением тепла и облегчением последующего перекачивания. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.
Данное изобретение относится к способу и устройству для обработки суспензии, содержащей органические компоненты, например, биомассу, имеющей содержание воды по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 70%. Данное изобретение относится, в частности, к способу и устройству для сверхкритической водной газификации (СКВГ) органических компонентов суспензии.
Сырье, содержащее органические компоненты, является огромным потенциальным ресурсом обеспечения энергии и продуктов с добавленной стоимостью, особенно в области сельского хозяйства, где имеются обильные отходы биомассы, или где специально для этого предназначенные энергетические сельскохозяйственные культуры можно производить дешево и эффективно.
Как разъяснено в работе Marrone, Ph. A., "Supercritical water oxidation-Current status of full-scale commercial activity for waste destruction", Journal of Supercritical Fluids 79 (2013), cc. 283-288, сверхкритическая вода является уникальной средой, которую исследовали для все возрастающего количества все более разнообразных применений. Выше своей термодинамической критической точки (374°С, 22,1 МПа (221 бар)) вода, как и все сверхкритические текучие среды, существует в виде единой плотной фазы, у которой транспортные свойства сравнимы с транспортными свойствами газа, а солюбилизирующие свойства сравнимы с солюбилизирующими свойствами жидкости. Однако, в отличие от других сверхкритических текучих сред, поведение воды как растворителя в обычных и сверхкритических условиях сильно различается. По мере нагревания воды под давлением, она теряет существенное количество своих водородных связей, переходя от в высокой степени полярного растворителя к неполярному растворителю. В результате сверхкритическая вода становится очень хорошим растворителем для неполярных материалов.
В работе Boukis, N., et al. "Gasification of wet biomass in supercritical water. Results of pilot plant experiments", 14th European Biomass Conference, Париж, Франция, 2005, отмечено, что влажная биомасса реагирует с водой, находящейся в сверхкритических условиях, с образованием газа, обогащенного водородом.
В работе Boukis, N., et al. "Biomass gasification in supercritical water. Experimental progress achieved with the VERENA pilot plant", 15th European Biomass Conference & Exhibition, 2007, отмечено, что водорастворимые соли образуют твердые вещества в условиях сверхкритической воды.
В работе Kruse, A., "Supercritical water gasification", Society of Chemical Industry and John Wiley & Sons, Ltd, 2008, cc. 415-437, представлен обзор работ, относящихся к сверхкритической водной газификации биомассы, с акцентом на получение водорода.
Патент США 4113446 относится к способу получения газообразной смеси, обладающей высокой теплотворной способностью, который включает проведение реакции жидкого или твердого органического материала с водой, при этом вода находится по меньшей мере при ее критической температуре, и давление воды равно по меньшей мере ее критическому давлению, чтобы достичь критической плотности воды, и получение в результате этой реакции газообразного продукта, без существенного образования угля.
Объектом данного изобретения является обеспечение усовершенствованного способа и устройства для обработки, предпочтительно в ходе непрерывного процесса, суспензии, содержащей органические компоненты, например, биомассу, с получением горючего газа, например, водорода и/или углеводородов.
С этой целью, способ по данному изобретению включает следующие стадии:
увеличение давления и температуры суспензии для перевода находящейся в суспензии жидкости в сверхкритическое состояние, обычно сначала увеличивая одного параметра из давления и температуры выше сверхкритического порога (для воды: 22,1 МПа (221 бар) и 374°С, соответственно), с последующим увеличением другого параметра из давления и температуры выше сверхкритического порога,
преобразование по меньшей мере части находящихся в суспензии органических компонентов, например, в горючие газообразные продукты; например, в водород и/или углеводороды, такие как метан, например, путем дополнительного нагревания потока в реакторе, и
отделение газообразных продуктов от преобразованной суспензии, и
смешивание с суспензией текучей среды, например, жидкой воды, воды в сверхкритическом состоянии (или в состоянии, близком к сверхкритическому) и/или жидкого топлива, перед преобразованием по меньшей мере части находящихся в суспензии органических компонентов.
В одном воплощении данный способ включает смешивание текучей среды из преобразованной суспензии с находящейся выше по потоку суспензией, предпочтительно после того, как давление текучей среды из преобразованной суспензии сбрасывают и/или ее охлаждают, до давления и/или температуры, которые находятся ниже критического давления и/или критической температуры, и/или предпочтительно перед тем, как жидкость в (находящейся выше по потоку) суспензии приводят в сверхкритическое состояние; предпочтительно перед тем, как давление жидкости в (находящейся выше по потоку) суспензии повышают до давления выше критического, и/или жидкость нагревают до температуры выше критической температуры.
В другом воплощении текучую среду, смешиваемую с суспензией, отбирают из внешнего источника, например, из соседней установки.
Способ по данному изобретению позволяет обрабатывать сырье с относительно высоким содержанием органических компонентов и/или твердых веществ; он обеспечивает эффективную рекуперацию тепла и/или улучшает последующее перекачивание и теплообмен посредством снижения вязкости суспензии и/или улучшения смешивания.
В одном воплощении данный способ включает отделение газообразных продуктов и/или твердых веществ от текучей среды, находящейся в преобразованной суспензии, и смешивание полученной таким образом текучей среды с находящейся выше по потоку суспензией.
В другом воплощении, для дополнительного повышения общей рекуперации тепла, способ включает теплообмен между (относительно горячей) преобразованной суспензией и (относительно холодной) суспензией перед преобразованием, предпочтительно после того, как последнюю смешивают с текучей средой из преобразованной суспензии.
При обработке теплообмен между преобразованной суспензией и находящейся выше по потоку суспензией осуществляют, чтобы нагреть последнюю до температуры выше критической температуры.
В одном воплощении способ включает уменьшение процентного содержания воды в суспензии, предпочтительно путем обезвоживания суспензии и/или путем добавления вещества, содержащего меньшее количество воды, чем исходная суспензия, предпочтительно по меньшей мере перед смешиванием суспензии с текучей средой из преобразованного потока. При обработке суспензию обезвоживают до общего содержания твердых веществ по меньшей мере 20%, предпочтительно по меньшей мере 30%, предпочтительно по меньшей мере 40%. Удаление сначала жидкости из сырья с последующим добавлением текучей среды из процесса оказалось эффективным средством дополнительного повышения эффективности процесса.
В одном воплощении, для повышения теплотворной способности суспензии, способ включает добавление к суспензии топлива, например, твердого топлива, такого как (порошкообразный) уголь, или жидкого топлива, такого как спирт, например, глицерин, или углеводорода, например, парафина, перед преобразованием по меньшей мере части органических компонентов в суспензии. Топливо может также выполнять функции средства снижения процентного содержания воды в суспензии.
Изобретение также относится к устройству для обработки суспензии, содержащей органические компоненты, например, биомассу, имеющей содержание воды по меньшей мере 50%, предпочтительно по меньшей мере 60%, предпочтительно по меньшей мере 70%, включающему насос и нагреватель или теплообменник для перевода находящейся в суспензии жидкости в сверхкритическое состояние; реактор для преобразования по меньшей мере части находящихся в суспензии органических компонентов, и сепаратор, для удаления газообразных продуктов из обработанной суспензии, а также включающему смеситель для добавления текучей среды, предпочтительно текучей среды из преобразованной суспензии, к находящейся выше по потоку суспензии.
В одном воплощении расположенный ниже по потоку конец реактора соединен со смесителем, предпочтительно по меньшей мере через сепаратор.
В другом воплощении смеситель расположен выше по потоку относительно по меньшей мере одного из насоса и нагревателя или теплообменника, предназначенного для перевода жидкости в суспензии в сверхкритическое состояние.
В другом воплощении устройство включает сепаратор для удаления газообразных продуктов и/или сепаратор для удаления твердых веществ из текучей среды в преобразованной суспензии.
В другом воплощении устройство включает теплообменник для переноса тепла от преобразованной суспензии к непреобразованной суспензии, который расположен выше по потоку от реактора и предпочтительно ниже по потоку от смесителя.
В другом воплощении устройство включает сепаратор твердой и жидкой фаз, шнековый пресс, фильтр-пресс, центрифугу или сушилку для обезвоживания подаваемой суспензии, которые расположены, предпочтительно, выше по потоку от смесителя.
Данное изобретение дополнительно относится к устройству, включающему насос для повышения давления жидкости в суспензии до сверхкритического давления; нагреватель или теплообменник; реактор и сепаратор, как указано выше; при этом насос является гидравлическим насосом и включает контур для охлаждающей среды, который отделяет рабочую жидкость от суспензии, обеспечивая таким образом эффективное охлаждение и снижение риска загрязнения, в случае утечки, рабочей жидкости суспензией или наоборот.
Из соображений полноты описания, следует обратить внимание на следующие документы известного уровня техники, относящиеся к сверхкритическому водному окислению (СКВО).
WO 2010/003655 относится к способу и устройству для извлечения полезной энергии из топлива на основе биомассы, являющемуся частью гибридной тепловой электростанции, использующей как первичный источник тепла, например, уголь, газ, нефть или ядерное топливо, так и вторичный источник тепла в форме биомассы, где биомассу окисляют в водном растворе, в процессе сверхкритического водного окисления (СКВО), использующем энергию от первичного источника тепла для нагревания и сжатия подаваемого потока воды до температуры и давления на уровне ее критической точки (или выше).
WO 81/03169 относится к способам, в которых органические материалы окисляют в сверхкритической воде для получения полезной энергии и/или продуктов. В одном воплощении обычные виды топлива окисляют с высокой эффективностью с получением полезной энергии для выработки электроэнергии и/или тепла для технологических нужд.
В работе Bermejo, M.D., et al. "Supercritical Water Oxidation: A Technical Review", AlChE Journal, ноябрь 2006, т. 52, №11, cc. 3933-3951, обсуждают аспекты технологии сверхкритического водного окисления (СКВО), включая типы реакторов для этого процесса. «Из-за его простоты, трубчатый реактор является реактором, наиболее широко используемым для сверхкритического водного окисления, особенно в небольших лабораторных установках, например, предназначенных для проведения опытов для проверки на жизнеспособность новых применений СКВО, или для определения кинетических параметров или тепловых эффектов реакции. … Однако трубчатые реакторы также имеют и существенные недостатки. В первую очередь, они могут засоряться в результате осаждения солей. Другим важным неудобством является то, что быстрые экзотермические реакции могут приводить к образованию неконтролируемых горячих зон внутри реактора."
Теперь данное изобретение будет разъяснено более подробно, со ссылкой на чертежи, которые схематично изображают воплощение по данному изобретению.
На Фиг. 1 показана схема воплощения устройства для проведения сверхкритической водной газификации по данному изобретению.
На Фиг. 2 схематично показан вид в разрезе насоса высокого давления по данному изобретению.
На Фиг. 1 показано устройство 1 для обработки суспензии, содержащей органические компоненты, например, биомассу, имеющей содержание воды по меньшей мере 50%, включающее сепаратор 2 твердой и жидкой фаз, например, шнековый пресс, фильтр-пресс, центрифугу или сушилку, для обезвоживания подаваемой суспензии и емкость 3 для хранения обезвоженной суспензии. Емкость соединена с насосом 4, который, в свою очередь, соединен со смесителем 5 или встроен в смеситель 5 для добавления к суспензии жидкости, например, жидкости из находящейся ниже по потоку (преобразованной) суспензии. Ниже по потоку от смесителя 5 находятся насос 6 высокого давления, более подробно показанный на Фиг. 2, и теплообменник 7 для повышения давления и нагревания воды в суспензии до сверхкритических или близких к сверхкритическим условий. В одном примере теплообменник включает одну или более противоточных секций теплообменника типа «труба-в-трубе»; например, две, четыре или более противоточных секций теплообменника типа «труба-в-трубе», расположенных последовательно. Ниже по потоку от насоса 6 и (первого) теплообменника 7 находится дополнительный теплообменник, который выполняет функции реактора 8. В одном примере реактор включает одну или более труб, проходящих через печь.
Расположенный ниже по потоку конец реактора и, возможно, также (первого) теплообменника, соединен с ловушкой 9 для твердых веществ для удаления из устройства твердых веществ, таких как неорганические и/или выпавшие в осадок минералы и соли.
В первом воплощении, показанном на Фиг. 1 сплошной линией 10, расположенный ниже по потоку конец реактора 8 соединен с внешней трубой первого теплообменника 7, чтобы обеспечить теплообмен в режиме противотока между (относительно горячей) преобразованной суспензией и (относительно холодной) суспензией перед преобразованием. Внешние трубы первого теплообменника 7 соединены с сепаратором 12 газовой и жидкой фаз для отделения газообразных продуктов от жидкости. Нижняя часть сепаратора соединена со смесителем 5, для добавления по меньшей мере части (рециркулируемой) жидкости к суспензии.
Во втором воплощении, показанном на Фиг. 1 пунктирной линией 11, расположенный ниже по потоку конец реактора 8 соединен со смесителем и, возможно, также с внешней трубой первого теплообменника для добавления по меньшей мере части текучей среды из реактора непосредственно к суспензии.
Как более подробно показано на Фиг. 2, насос 6 высокого давления включает цилиндрический корпус 20, включающий два отсека: первый отсек 21, в котором размещен первый поршень 22, и второй отсек 23, в котором размещен второй поршень 24, соединенный с первым поршнем поршневым штоком 25. Первый отсек 21 имеет два отверстия 26, 27, соединенные через гидравлический регулирующий клапан (не показан) с источником рабочей текучей среды для втягивания и вытягивания поршневого штока и второго поршня; то есть он представляет собой гидравлический цилиндр двойного действия. Второй отсек 23 включает в секции, прилегающей к первому отсеку, впускное отверстие 28 и выпускное отверстие 29 для охлаждающей среды и на другой стороне второго поршня впускное отверстие 30 и выпускное отверстие 31 для суспензии. Последние впускное и выпускное отверстия обеспечены перепускными клапанами (не показаны), так что при втягивании поршней и штока (движении их вверх на Фиг. 2) суспензия засасывается через впускное отверстие, а выпускное отверстие заблокировано, а при вытягивании поршней и штока (перемещении их вниз на Фиг. 2) суспензию сжимают и направляют в смеситель. В одном примере, для облегчения непрерывного действия, устройство включает два насоса, соединенных параллельно.
В одном примере при работе влажную биомассу (компост), имеющую содержание воды 80%, обезвоживают посредством шнекового пресса 2 до содержания воды 70% (общее содержание твердых веществ 30%), и эту сгущенную и вязкую суспензию подают в емкость 3. Оттуда суспензию перекачивают (при 1000 литров/час, 1,5-2,0 МПа (15-20 бар) и 15°С) в смеситель 5 и перемешивают с водой (750-1250 н.л./ч, 1,5-3,0 МПа (15-30 бар) и 250-300°С) из находящейся ниже по потоку преобразованной суспензии до получения содержания воды 83-87% и объема 1750-2250 н.л./ч. Затем суспензию сжимают и нагревают (24-25 МПа (240-250 бар) и 370-390°С) и подают в реактор, где суспензию дополнительно нагревают (до 550-600°С), чтобы превратить по меньшей мере часть органических компонентов суспензии в газообразный продукт, например, водород и метан. После преобразования твердые вещества удаляют из суспензии в ловушке для твердых веществ, а воду направляют в первый теплообменник 7 для извлечения высокотемпературного тепла, то есть для нагревания более холодной, находящейся выше по потоку суспензии. После выхода из теплообменника (при 1750-2250 н.л./ч, 24-25 МПа (240-250 бар) и 250-300°С) жидкость направляют в сепаратор газовой и жидкой фаз, чтобы газообразный продукт мог улетучиться и его можно было собрать. Часть оставшейся воды выпускают из устройства, а часть оставшейся воды (750-1250 н.л./ч) смешивают с находящейся выше по потоку суспензией.
Способ и устройство по данному изобретению позволяют обработать поток сырья с относительно высоким содержанием органических компонентов и/или твердых веществ, обеспечивают эффективное извлечение тепла и/или облегчают последующее перекачивание и теплообмен путем снижения вязкости суспензии и/или улучшения смешивания.
Данное изобретение не ограничено вышеописанными воплощениями, которые можно изменить различными путями, не выходя за пределы объема формулы изобретения.
1. Способ обработки суспензии, содержащей органические компоненты, например биомассу, имеющей содержание воды по меньшей мере 50 %, включающий следующие стадии:
повышение давления и температуры суспензии для перевода воды в суспензии в сверхкритическое состояние,
преобразование посредством сверхкритической водной газификации по меньшей мере части органических компонентов в суспензии, и
отделение газообразных продуктов от преобразованной суспензии,
отличающийся
смешиванием текучей среды с суспензией перед преобразованием по меньшей мере части органических компонентов в суспензии.
2. Способ по п.1, включающий смешивание текучей среды из преобразованной суспензии с находящейся выше по потоку суспензией.
3. Способ по п.1 или 2, включающий смешивание текучей среды с суспензией до того, как жидкость в суспензии переводят в сверхкритическое состояние, предпочтительно до того, как давление жидкости в суспензии повышают выше критического давления и/или нагревают эту жидкость до температуры выше критической температуры.
4. Способ по любому из предшествующих пп.1-3, включающий отделение газообразных продуктов и/или твердых веществ от текучей среды в преобразованной суспензии и смешивание полученной таким образом текучей среды с находящейся выше по потоку суспензией.
5. Способ по любому из предшествующих пп.1-4, включающий осуществление теплообмена между преобразованной суспензией и суспензией до преобразования, предпочтительно после того, как последнюю смешали с текучей средой из преобразованной суспензии.
6. Способ по п.5, включающий осуществление теплообмена между преобразованной суспензией и находящейся выше по потоку суспензией для нагревания последней до температуры выше критической температуры.
7. Способ по любому из предшествующих пп.1-6, включающий уменьшение процентного содержания воды в суспензии, предпочтительно путем обезвоживания суспензии и/или добавления вещества, содержащего меньшее количество воды, предпочтительно по меньшей мере перед смешиванием суспензии с текучей средой из преобразованного потока.
8. Способ по любому из предшествующих пп.1-7, включающий добавление топлива к суспензии перед преобразованием по меньшей мере части органических компонентов в суспензии.
9. Устройство (1) для обработки суспензии, содержащей органические компоненты, например биомассу, имеющей содержание воды по меньшей мере 50 %, включающее насос (6) и нагреватель или теплообменник (7) для перевода находящейся в суспензии жидкости в сверхкритическое состояние, реактор (8) для преобразования посредством сверхкритической водной газификации по меньшей мере части органических компонентов в суспензии и сепаратор (12) для удаления газообразных продуктов из преобразованной суспензии, отличающееся тем, что выше по потоку от реактора (8) расположен смеситель (5) для добавления текучей среды к суспензии.
10. Устройство (1) по п.9, в котором расположенный ниже по потоку конец реактора соединен со смесителем.
11. Устройство (1) по п.9 или п.10, в котором смеситель (5) расположен выше по потоку относительно по меньшей мере одного из насоса (6) и нагревателя или теплообменника (7) для перевода жидкости в суспензии в сверхкритическое состояние.
12. Устройство (1) по любому из пп.9-11, включающее сепаратор (12) для удаления газообразных продуктов и/или сепаратор (9) для удаления твердых веществ из текучей среды в преобразованной суспензии.
13. Устройство (1) по любому из пп.9-12, включающее теплообменник (7) для переноса тепла от преобразованной суспензии к непреобразованной суспензии, расположенный выше по потоку от реактора (8) и предпочтительно ниже по потоку от смесителя (5).
14. Устройство (1) по любому из пп.9-13, включающее сепаратор (2) твердой и жидкой фаз для обезвоживания исходной суспензии, расположенный предпочтительно выше по потоку от смесителя (5).
15. Устройство (1) по любому из пп.9-14, или в соответствии с ограничительной частью п.9, в котором насос (6) для повышения давления жидкости в суспензии до сверхкритического значения представляет собой гидравлический насос, включающий контур (27, 28) для охлаждающей среды, причем контур (27, 28) отделяет рабочую текучую среду от суспензии.
