Комплекс для переработки твердых органических отходов
Владельцы патента RU 2741004:
Шарифова Сабина Этигадовна (RU)
Кузнецов Леонид Григорьевич (RU)
Бураков Александр Васильевич (RU)
Перминов Александр Сергеевич (RU)
Кузнецов Юрий Леонидович (RU)
Изобретение раскрывает комплекс для переработки твердых органических отходов деревообрабатывающей промышленности посредством их паровой плазменной газификации с получением синтез-газа, включающий блок предварительной подготовки и подачи сырья, блок плазменной обработки, блок теплообменного оборудования, блоки генерации тепловой и электрической энергии, блок управления, характеризующийся тем, что блок предварительной подготовки и подачи сырья содержит устройства для предварительной осушки, измельчения и дозированной подачи сырья с размером частиц 10-20 мм, блок плазменной обработки содержит плазменный реактор газификации сырья, в котором имеется электрохимический источник высокотемпературной плазмы и реакционная зона для проведения химической реакции образования синтез-газа при температуре 1600-2000°С, блок теплообменного оборудования содержит колонну, обеспечивающую охлаждение синтез-газа за счет контактного теплообмена с теплоносителем, и систему теплообменников рекуперации тепла для осуществления возможности осушки сырья в блоке предварительной подготовки и подачи сырья, блок подготовки синтез-газа содержит сепаратор для отделения конденсированного шлака, смолы, растворов оксидов щелочных металлов и части кислотных газов от образованного синтез-газа, а также узел фильтров, обеспечивающих очистку и осушку синтез-газа, блок генерации тепловой энергии включает работающие на синтез-газе газовые котлы, блок генерации электроэнергии включает работающие на синтез-газе поршневые и/или турбинные электрогенераторы, а блок управления выполнен с возможностью автоматизированного управления алгоритмами запуска, вывода на режим, регулирования, выключения комплекса, а также противопожарного и экологического мониторинга. Технический результат заключается в минимизации вредных выбросов в окружающую среду. 1 ил.
Изобретение относится к области комплексной переработки твердого топлива на основе биоресурсов и может быть использовано в энергетике и химической промышленности.
В частности, предложенное техническое решение может быть использовано в качестве комплекса для получения синтетического газа (синтез-газа) при утилизации углеродсодержащих твердых органических отходов лесозаготовительной и деревообрабатывающей промышленности.
Кора деревьев, а именно отходы окорки - это частицы коры, луба, древесины, периферийной части ствола различной формы и размеров, образующиеся в результате окорки лесоматериалов, которая не имеет нормируемых параметров качества и промышленной области применения даже в виде топлива (ГОСТ Р 56070-2014 Отходы древесные. Технические условия).
По степени опасности можно отнести древесную кору к классу опасности IV, отходы коры - код 3 05 100 01 21 4, либо окорки древесины практически неопасные - код 3 05 111 11 20 5 в соответствии с Федеральным классификационным каталогом отходов (ФККО 2017, утвержден Приказом Росприроднадзора от 22.05.2017 N 242.).
Дробленую кору можно отнести к дробленому биотопливу в соответствии с ГОСТ 33104-2014.
В состав древесной коры входят следующие основные компоненты: целлюлоза - от 3,4 до 23,2%; Лигнин - от 1,3 до 43,6%; Пентозаны - от 1,1 до 20,2%; Гексозаны - от 6,0 до 16,3%; Суберин - от 0,0 до 38,7%. Элементный химический состав (укрупненно): Углерод - 48,0%; Кислород - 45,4%; Водород - 6,4%; (Б.Н. Уголев. Древесиноведение с основами лесного товароведения. Изд. 2-е перераб. и доп. М.: Лесная промышленность. - 1986 г.).
При этом в состав коры также могут входить хлорсодержащие соединения, которые в процессе низкотемпературного сжигания могут приводить к образованию диоксинов (Коновалов В.Н., Зарубина Л.В. Влияние хлорсодержащих удобрений на метаболизм ели и сосны в северотаежных фитоценозах. Лесн. журн. №201, 2017 г Изв. высш. учеб. заведений).
Спецификой эффективной переработки твердых органических отходов является необходимость обеспечения следующих условий:
а) необходимо обеспечить такие температурные условия (от 1200°С до 2000°С), в которых органическая составляющая отходов конвертируется полностью в синтез-газ (преимущественно монооксид углерода, СО и водород, Н2), энергию которого в дальнейшем необходимо утилизировать в газовых турбинах (при большой производительности оборудования) или в виде тепловой энергии (котлы-утилизаторы). Необходимо гарантировать, что в высокотемпературном реакторе полностью разрушаются токсичные составляющие, такие как диоксины, фураны и их производные;
б) технологический режим завода по переработки отходов должен гарантировать отсутствие синтеза или ресинтеза вышеперечисленных токсичных составляющих; для этого необходимо использовать так называемую закалку - быстрое понижение температуры продуктов переработки на выходе из реактора до такого уровня, в котором названные продукты уже заново не синтезируются;
в) газовые и жидкие продукты технологии переработки отходов содержат различные составляющие, которые необходимо разделять химическими или физическими методами и утилизировать;
г) технология должна обеспечивать отсутствие жидких сбросов в природную гидросеть;
д) газовый выхлоп должен соответствовать местным и международным экологическим требованиям (Туманов Ю.Н., Электротехнологии нового поколения в производстве неорганических материалов: экология, энергосбережение, качество. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. - 816 с., с. 742-743).
Известен способ газификации биомассы с использованием водяного пара, в котором используется высокотемпературный перегретый водяной пар в качестве окислителя и энергоносителя с преобразованием биомассы в неочищенный синтетический газ в газификаторе, резким охлаждением неочищенного синтетического газа в распылительной башне и получением в результате чистого синтетического газа, включающий: а) измельчение биомассы, подачу биомассы в газификатор с одновременным распылением высокотемпературного перегретого водяного пара в газификаторе, регулирование газификатора в интервале рабочей температуры 1200-1600°С, полное контактирование биомассы с высокотемпературным перегретым водяным паром с осушкой, отделением летучих веществ, пиролизом, газификацией и получением неочищенного синтетического газа и золы; b) подачу неочищенного синтетического газа в распылительную башню, резкое охлаждение неочищенного синтетического газа распыленной водой с охлаждением неочищенного синтетического газа до температуры 650-800°С, конденсирование шлака и смолы, растворение оксидов щелочных металлов и части кислотных газов и получение первичного синтетического газа; и с) охлаждение, удаление пыли, раскисление и осушку с превращением первичного синтетического газа в чистый синтетический газ (патент РФ №2528848, МПК C10J 3/14, публ. 2014 г).
К недостаткам известного способа относится его сложность и избыточный состав оборудования, связанные с большим компонентным составом твердых бытовых отходов и, в частности, наличие неорганических элементов, что вызывает необходимость очистки продуктов от оксидов щелочных металлов. При этом низкая температура рабочей температуры 1200-1600°С не гарантирует исключения образования негативных компонентов, таких как диоксины, фураны и их производные.
Известен полигенерирующий энерготехнологический комплекс, содержащий аллотермический газогенератор, в котором водяной пар выступает одновременно в качестве теплоносителя и газифицирующего агента, в газификаторе используется перегретый до 1200-1400°С водяной пар, имеется возможность получения синтез-газа с соотношением Н2:СО, близким к оптимальному (2:1) для производства синтетического жидкого топлива, в качестве газифицируемого вещества может использоваться не только биомасса, но и уголь, и угольные отходы, получение электрической энергии осуществляется в паровой турбине, водяной пар для которой получается в установке Фишера-Тропша при производстве синтетического жидкого топлива, при этом в полигенерирующем энерготехнологическом комплексе имеются установка брикетирования исходного сырья, паровоздушный двухзонный газогенератор, аппарат пиролиза, в котором происходит термохимическое преобразование исходного топлива с образованием пиролизного газа и коксового остатка, блок подготовки коксового остатка исходного углеродсодержащего материала, паровой газогенератор, в котором газифицируемым сырьем выступает коксовый остаток исходного материала, состоящий из углерода и золы, конденсатор-сепаратор, блок очистки синтез-газа, блок получения холода, паровая турбина, используемая в качестве источника получения водяного пара, который в дальнейшем используется для получения перегретого пара с температурой 1200-1400°С, газопоршневая электрическая станция (патент РФ №2591075, МПК F22B 33/18, публ. 2016 г).
Установка брикетирования исходного сырья используется в комплексе для укрупнения порции исходного сырья, что негативно сказывается как на полноте осушки брикетов при непрерывной подаче в реактор, так и на полноте и сгорания их. Целесообразным является измельчение, а не укрупнение порции исходного сырья. При этом низкая температура рабочей температуры 1200-1400°С не гарантирует исключения образования негативных компонентов, таких как диоксины, фураны и их производные.
Известен способ переработки органических отходов, включающий стадию газификации путем обработки органических отходов газифицирующим агентом с получением синтез-газа и твердых неорганических продуктов, стадию очистки и компримирования синтез-газа, стадию синтеза жидких углеводородов каталитической переработкой синтез-газа в двух реакционных зонах, при этом в первой реакционной зоне расположен катализатор, оксидная часть которого и кислотный компонент находятся в смешанной или раздельной комбинации, а во второй реакционной зоне расположен кислотный катализатор, содержащий цеолит со структурой ZSM-5 или ZSM-11, стадию сепарации жидких углеводородов до моторного топлива, стадию утилизации сепарированных продуктов, при этом каталитическую переработку синтез-газа проводят в первой реакционной зоне при температуре 160-420°С и давлении 2-100 атм, а во второй реакционной зоне при температуре 300-500°С и давлении 2-100 атм, в которой в качестве органических отходов используют отходы лесозаготовок и деревообрабатывающих предприятий, стадию газификации отходов ведут в прямоточном режиме путем пиролиза, окисления и восстановления с получением генераторного газа, в качестве газифицирующего агента используют пиролизные газы, образующиеся в результате кондуктивного нагрева органических отходов генераторным газом, а также газы сдувок после сепарации продуктов реакций, окисление осуществляют воздухом, обогащенным кислородом, в восстановительную зону дополнительно вводят древесный уголь с температурой 500-550°С, содержащий селективный катализатор, твердые органические отходы после газификации сепарируют на золу и рециркулирующий селективный катализатор, а физическое тепло отходящего генераторного газа рекуперируют для предварительной сушки отходов лесозаготовок до влагосодержания 25-30% (патент РФ №2489475, МПК C10J 3/16, публ. 2013 г).
К недостаткам известного способа переработки органических отходов является его сложность и необходимость применения дорогостоящих катализаторов для синтеза жидких углеводородов путем переработки синтез-газа в двух реакционных зонах, активация и регенерация этих катализаторов, в то время как газообразный синтез-газ можно использовать в виде топлива, а получение жидкого топлива товарного качества из синтез-газа технически и экономически нецелесообразно.
Задачей настоящего изобретения является расширение арсенала технических средств, используемых для утилизации отходов деревообрабатывающей промышленности с минимизацией вредных выбросов в окружающую среду.
Техническим результатом является создание автоматизированного комплекса, содержащего высокотемпературный плазменный реактор, использующий в качестве плазмообразующего газа водяной пар, с температурой в зоне реакции порядка 1600-2000°С, благодаря чему в газообразных продуктах на выходе из реактора полностью отсутствуют вредные примеси на основе оксидов азота (NOX), характерные при сжигании углеводородного топлива.
Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем.
Комплекс для переработки твердых органических отходов посредством их паровой плазменной газификации с получением синтез-газа включает блок предварительной подготовки и подачи сырья, блок плазменной обработки, блок теплообменного оборудования, блоки генерации тепловой и электрической энергии, блок управления, при этом блок предварительной подготовки и подачи сырья содержит устройства для предварительной осушки, измельчения и дозированной подачи сырья с размером частиц 10-20 мм, блок плазменной обработки содержит плазменный реактор газификации сырья, в котором имеется электрохимический источник высокотемпературной плазмы и реакционная зона для проведения химической реакции образования синтез-газа при температуре 1600-2000°С, блок теплообменного оборудования содержит колонну, обеспечивающую охлаждение синтез-газа за счет контактного теплообмена с теплоносителем, и систему теплообменников рекуперации тепла для осуществления возможности осушки сырья в блоке предварительной подготовки и подачи сырья, блок подготовки синтез-газа содержит сепаратор для отделения конденсированного шлака, смолы, растворов оксидов щелочных металлов и части кислотных газов от образованного синтез-газа, а также узел фильтров, обеспечивающих очистку и осушку синтез-газа, блок генерации тепловой энергии включает работающие на синтез-газе газовые котлы, блок генерации электроэнергии включает работающие на синтез-газе поршневые и/или турбинные электрогенераторы, а блок управления выполнен с возможностью автоматизированного управления алгоритмами запуска, вывода на режим, регулирования, выключения комплекса, а также противопожарного и экологического мониторинга.
На представленном чертеже показан предложенный комплекс для переработки твердых органических отходов.
Технологическая схема комплекса для переработки твердых органических отходов содержит следующее основное оборудование: блок предварительной подготовки и подачи сырья 1, блок плазменной обработки сырья 2, блок теплообменного оборудования 3, блок подготовки синтез-газа 4, блок генерации тепловой энергии 5, блок генерации электрической энергии 6 и блок управления 7. Блоки, входящие в комплекс, содержат функциональное оборудование, размещены на промышленной площадке и соединены коммуникациями.
Блок 1 содержит устройства для предварительной осушки, измельчения и дозированной подачи сырья с размером частиц 10-20 мм. Блок плазменной обработки сырья 2 содержит плазменный реактор газификации сырья, в котором имеется электрохимический источник высокотемпературной плазмы. Блок теплообменного оборудования 3 включает колонну, обеспечивающую охлаждение синтез-газа за счет контактного теплообмена с теплоносителем, и систему теплообменников рекуперации тепла, связанную с блоком предварительной подготовки и подачи сырья 1. Блок подготовки синтез-газа 4 включает сепаратор для отделения конденсированного шлака, смолы, растворов оксидов щелочных металлов и части кислотных газов от образованного синтез-газа, а также узел фильтров, обеспечивающих очистку и осушку синтез-газа. Блок генерации тепловой энергии 5 содержит работающие на синтез-газе газовые котлы, а блок генерации электрической энергии 6 содержит работающие на синтез-газе поршневые и/или турбинные электрогенераторы. Блок управления 7 содержит средства автоматизированного управления, а также противопожарного и экологического мониторинга комплекса.
Блок 1 соединен с блоком 2 для обеспечения подачи сырья, с блоком 3 для получения из системы теплообменников рекуперации тепла блока 3 пара для осуществления осушки сырья в блоке предварительной подготовки и подачи сырья. К блоку 1 подается электрическая энергия от блока 6. С блоком 1 также электрически связан блок 7 для обеспечения управления дозированной подачей сырья, контроля количества, температуры и влажности коры.
Блок 2 соединен с блоками 1, 3, 5, 6 и 7 для обеспечения приема из блока 1 подготовленного сырья, поддержания температуры реакционной зоны плазменного реактора газификации сырья в диапазоне 1400-2000°С, регулирования подачи плазмообразующей среды (пара) от блока 5, изменение электрической мощности, подаваемой от блока 6 на электрохимический источник высокотемпературной плазмы, а также подачи готового синтез-газа в блок 3.
Блок 3 соединен с блоками 1, 2, 4, 6 и 7 для обеспечения подачи от системы теплообменников рекуперации тепла пара в блок 1, приема из блока 2 высокотемпературного синтез-газа, подачи охлажденного синтез-газа в блок 4, приема электроэнергии от блока 6 для питания системы циркуляции теплоносителя, регулирования блоком 7 объема подачи воды в блок и качества охлаждения синтез-газа.
Блок 4 соединен с блоками 3, 5, 6 и 7 для обеспечения приема из блока 3 неочищенного синтез-газа в блок 4, приема электроэнергии от блока 6 для питания системы очистки теплоносителя, регулирования блоком 7 качества очистки синтез-газа, подачи синтез-газа в качестве топливного газа в блок 5 для получения тепловой энергии, и в блок 6 для получения электрической энергии.
Блок 5 соединен с блоками 2, 4, 6 и 7 для обеспечения подачи в блок 2 подготовленного пара из блока 5, приема топливного синтез-газа из блока 4, приема электроэнергии от блока 6 для питания системы очистки теплоносителя, регулирования блоком 7 процесса получения тепловой энергии.
Блок 6 соединен с блоком 4 для обеспечения приема топливного синтез-газа и с потребителями электроэнергии - блоками 1, 2, 3, 4, 5 и 7.
Блок 7 соединен с блоками 1, 2, 3, 4, 5, 6 и обеспечивает возможность автоматизированного управления, а также сбор данных с диагностического оборудования для противопожарного и экологического мониторинга комплекса.
Комплекс для переработки твердых органических отходов работает следующим образом.
Твердые отходы лесозаготовки - древесная кора привозится на площадку транспортом и подается в блок предварительной подготовки и подачи сырья 1, где происходит ее сортировка, измельчение до размера частиц 10-20 мм, предварительный подогрев и осушка коры до влагосодержания не более 40 мас. % паром, подаваемым от расположенной в блоке 3 системы теплообменников рекуперации тепла, далее кора дозированно подается в блок 2 плазменной обработки, где происходит ее газификация в реакционной зоне плазменного реактора, содержащего электрохимический источник высокотемпературной плазмы, при температуре 1600-2000°С с получением синтез-газа. Благодаря высокой температуре органическая составляющая отходов конвертируется полностью в синтез-газ (преимущественно монооксид углерода, СО и водород, Н2), полностью разрушаются токсичные составляющие, такие как диоксины, фураны и их производные. Электроэнергия на электрохимический источник высокотемпературной плазмы поступает от блока 6, а плазмообразующий газ - водяной пар, подается от блока 5. Далее синтез-газ поступает в блок теплообменного оборудования 3, где происходит его охлаждение в колонне за счет контактного теплообмена с теплоносителем - водой, подаваемой в блок 3. Применяемый режим охлаждения - так называемая закалка - быстрое понижение температуры на выходе из реактора до уровня, при котором токсичные составляющие, такие как диоксины, фураны и их производные заново не синтезируются. Полученный охлажденный синтез-газ поступает в сепаратор блока 4, где от него отделяются шлаки, смолы, растворы оксидов щелочных металлов и части кислотных газов, и далее синтез-газ проходит очистку и осушку в узле фильтров блока 4. Подготовленный до требований топливного газа синтез-газ подается в качестве топлива в блок генерации тепловой энергии 5 в газовые паровые котлы, а также подается в блок генерации электрической энергии 6 в работающие на синтез-газе поршневые и/или турбинные электрогенераторы. Блок управления 7 обеспечивает дистанционное без присутствия персонала управление работой комплекса. Оснащение комплекса блоком управления 7 с диагностическим оборудованием позволяет автоматизировать управление процессом газификации, собирать всю информацию для противопожарного и экологического мониторинга, а также для последующего анализа с целью оптимизации режимов работы.
Предложенный комплекс позволяет обеспечить эффективную утилизацию отходов деревообрабатывающей промышленности с минимизацией вредных выбросов в окружающую среду.
Комплекс для переработки твердых органических отходов деревообрабатывающей промышленности посредством их паровой плазменной газификации с получением синтез-газа, включающий блок предварительной подготовки и подачи сырья, блок плазменной обработки, блок теплообменного оборудования, блоки генерации тепловой и электрической энергии, блок управления, отличающийся тем, что блок предварительной подготовки и подачи сырья содержит устройства для предварительной осушки, измельчения и дозированной подачи сырья с размером частиц 10-20 мм, блок плазменной обработки содержит плазменный реактор газификации сырья, в котором имеется электрохимический источник высокотемпературной плазмы и реакционная зона для проведения химической реакции образования синтез-газа при температуре 1600-2000°С, блок теплообменного оборудования содержит колонну, обеспечивающую охлаждение синтез-газа за счет контактного теплообмена с теплоносителем, и систему теплообменников рекуперации тепла для осуществления возможности осушки сырья в блоке предварительной подготовки и подачи сырья, блок подготовки синтез-газа содержит сепаратор для отделения конденсированного шлака, смолы, растворов оксидов щелочных металлов и части кислотных газов от образованного синтез-газа, а также узел фильтров, обеспечивающих очистку и осушку синтез-газа, блок генерации тепловой энергии включает работающие на синтез-газе газовые котлы, блок генерации электроэнергии включает работающие на синтез-газе поршневые и/или турбинные электрогенераторы, а блок управления выполнен с возможностью автоматизированного управления алгоритмами запуска, вывода на режим, регулирования, выключения комплекса, а также противопожарного и экологического мониторинга.