способ получения углеводородного топлива, технического водорода и углеродных материалов из биомассы

Формула изобретения

Способ получения углеводородного топлива, технического водорода и углеродных материалов из гранулированной биомассы, в котором исходную биомассу подают в сушильный аппарат, из него подсушенную биомассу подают в предкарбонизатор, где нагревают твердый материал до 250-400°С, из него в карбонизатор, где нагревают твердый материал до 600-700°С, из карбонизатора в активатор, угольный остаток из последнего с тепературой 850-900°С направляют в реактор науглероживания угольного остатка с внешним обогревом для получения пироуглерода и водорода, а газы из карбонизатора подают последовательно в систему пылеулавливания и конденсатор высокомолекулярных углеводородов, из последнего газы, содержащие неконденсирующиеся топливные компоненты, подают в топки предкарбонизатора и/или активатора и внешним потребителям, а часть или все жидкие высокомолекулярные углеводороды из конденсатора направляют в испаритель, отличающийся тем, что часть твердого материала из карбонизатора и/или активатора возможно выводят из системы и поставляют внешним потребителям, а в реактор науглероживания подают часть или весь пористый материал из активатора и образующиеся в испарителе пары жидких высокомолекулярных углеводородов, причем обогрев реактора науглероживания осуществляют за счет сгорания части неконденсирующихся газов в топке системы обогрева, из которой продукты сгорания подают в смеситель сушилки, причем пары жидких высокомолекулярных углеводородов направляют в реактор науглероживания с избыточным давлением, а отходящий из реактора науглероживания технический водород выводят из системы по автономному тракту с регулируемым аэродинамическим сопротивлением, при этом часть газов из сушилки и активатора направляют на рецикл, а из предкарбонизатора все или часть газов подают в топку системы обогрева реактора науглероживания и/или на рецикл, причем процессы термообработки в сушилке, предкарбонизаторе, карбонизаторе и активаторе осуществляют в аппаратах локально псевдоожиженного слоя с наклонными беспровальными решетками, а процесс науглероживания ведут в гравитационно движущемся плотном или псевдоожиженном слое.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, в частности водородной энергетике и производству углеродных материалов, и может быть использовано для получения энергетического углеводородного топлива, технического водорода и широкого класса углеродных материалов из биомассы.

Известен способ переработки органических веществ путем нагрева их в газовой среде или в вакууме, при этом переработку выполняют постадийно вблизи границы существования выделяемого вещества в конденсированном состоянии путем высокоскоростного нагрева со скоростью 10³-10⁵ град/с, которая для каждой стадии различна, причем количество стадий равно количеству выводимых из процесса продуктов или увеличивается при существовании температурных интервалов, в которых не протекает химических реакций, при этом на одной из стадий при температуре 200-375°С из системы удаляют влагу, температура последней стадии равна 550-750°С, а газообразные фракции, получаемые на каждой стадии процесса переработки, выводят из системы и направляют для дальнейшей конденсации, переработки или сжигают, твердые продукты, оставшиеся после последней стадии, также направляют на переработку или сжигают (патент РФ № 2201951, классы 7 С10В 49/00, С10В 53/02, С10В 57/02).

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ, в котором осуществляется совместная комплексная переработка природного газа и биомассы, в частности, древесины с получением водорода и углеродных материалов. При этом способ совместной термической переработки древесных отходов и природного газа с получением чистых углеродных материалов и водорода заключается в том, что измельченные древесные отходы загружают в вертикальную высокотемпературную печь и направляют навстречу природному газу, подаваемому снизу. В высокотемпературной нижней зоне печи осуществляют термическое разложение природного газа и пиролиз древесины. Газообразные продукты пиролиза проходят снизу вверх навстречу движущемуся слою древесных отходов. За счет высокой температуры газообразных продуктов реакции термического разложения при движении в противотоке с измельченной древесиной происходит термическая обработка древесины. В высокотемпературную зону древесина поступает уже в виде древесного угля, в пористой структуре которого происходит термическое разложение природного газа. Откладываясь в порах исходной углеродной матрицы, углерод термического разложения природного газа образует монолитный углеродный композит в виде пироуглерода (В.М.Зайченко. Комплексная переработка природного газа с получением водорода для энергетики и углеродных материалов широкого промышленного применения. / Труды Международного симпозиума по водородной энергетике 1-2 ноября 2005 г. / М. - Издательство МЭИ, 2005. - С.95-98, прототип).

Недостатками этого способа является то, что физико-химические превращения биомассы и углеродсодержащего газа осуществляются в одном аппарате с невозможностью диверсификации получения конечных целевых продуктов, а также то, что в качестве источника углерода и водорода для получения пироуглерода и водорода рассматривается дорогостоящий невозобновляемый источник (природный газ), состоящий в основном из метана, для термической диссоциации которого требуется большая внешняя энергия.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу диверсификации получения конечных целевых продуктов, например древесного и/или активного углей, пироуглерода, газообразного и/или жидкого углеводородного топлив, а также технического водорода, при отказе в использовании невозобновляемых источников углеводородного сырья или его сокращении.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что в способе получения углеводородного топлива, технического водорода и углеродных материалов из гранулированной биомассы исходную биомассу подают в сушильный аппарат, из него подсушенную биомассу подают в предкарбонизатор, где нагревают твердый материал до 250-400°С, из него в карбонизатор, где нагревают твердый материал до 600-700°С, из карбонизатора в активатор, угольный остаток из последнего с температурой 850-900°С направляют в реактор науглероживания угольного остатка с внешним обогревом для получения пироуглерода и водорода, а газы из карбонизатора подают последовательно в систему пылеулавливания и конденсатор высокомолекулярных углеводородов, из последнего газы, содержащие неконденсирующиеся топливные компоненты, подают в топки предкарбонизатора и/или активатора и внешним потребителям, а часть или все жидкие высокомолекулярные углеводороды из конденсатора направляют в испаритель, при этом часть твердого материала из карбонизатора и/или активатора возможно выводят из системы и поставляют внешним потребителям, а в реактор науглероживания подают часть или весь пористый материал из активатора и образующиеся в испарителе пары жидких высокомолекулярных углеводородов, причем обогрев реактора науглероживания осуществляют за счет сгорания части неконденсирующихся газов в топке системы обогрева, из которой продукты сгорания подают в смеситель сушилки, причем пары жидких высокомолекулярных углеводородов направляют в реактор науглероживания с избыточным давлением, а отходящий из реактора науглероживания технический водород выводят из системы по автономному тракту с регулируемым аэродинамическим сопротивлением, при этом часть газов из сушилки и активатора направляют на рецикл, а из предкарбонизатора все или часть газов подают в топку системы обогрева реактора науглероживания и/или на рецикл, причем процессы термообработки в сушилке, предкарбонизаторе, карбонизаторе и активаторе осуществляют в аппаратах локально псевдоожиженного слоя с наклонными беспровальными решетками, а процесс науглероживания ведут в гравитационно движущемся плотном или псевдоожиженном слое.

Сущность предлагаемого способа иллюстрируется чертежом.

Гранулированную биомассу подают из расходного бункера 1 в сушилку 2, из нее в расходный бункер 3 предкарбонизатора 4, твердый материал из предкарбонизатора в карбонизатор 5, угольный остаток из последнего в активатор 6, из активатора в реактор науглероживания 7. На выходе из карбонизатора 5 и активатора 6 выполнены выпускные парубки со шлюзовыми затворами для возможного выпуска в необходимом количестве древесного (в случае древесной исходной биомассы) и/или активного углей. Газы из карбонизатора 5 подаются через систему пылеочистки в конденсатор 8 жидких высокомолекулярных углеводородов, все жидкие высокомолекулярные углеводороды или их часть подают в испаритель 9, а из него пары жидких высокомолекулярных углеводородов направляют в реактор науглероживания 7 с некоторым избыточным давлением. В реакторе 7 осуществляют разложение паров жидких высокомолекулярных углеводородов на углерод и водород и науглероживание пористой структуры активного угля. Неконденсирующиеся газы из конденсатора направляют в топки 10,11 и 12 соответственно предкарбонизатора, активатора и системы обогрева реактора науглероживания. Продукты сгорания из системы обогрева реактора науглероживания подают в смеситель, куда подают также газы рецикла из сушилки для получения сушильного агента необходимых параметров. Аналогично осуществляют рецикл газов предкарбонизатора и активатора.

Твердый продукт - пироуглерод - выводят из реактора 7 через шлюзовой или аэродинамический затвор, а технический водород - по автономному тракту с регулируемым аэродинамическим сопротивлением.

При переходе к тому или иному сочетанию конечных продуктов осуществляют минимальную переналадку оборудования: уменьшают или увеличивают высоту порогов, определяющих высоту слоя в аппаратах 5, 6, и тем самым времена пребывания твердого материала и парогазов в слое. Температуру материала регулируют расходом топливных газов, подающихся в топки аппаратов.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами, в которых в качестве биомассы подразумевается древесная биомасса, что не ограничивает использование других видов биомассы, в частности торфа.

Первый пример - получение пироуглерода, водорода и энергетического топлива

В нем организуется функционирование установки без получения промежуточных углеродных материалов - древесного и активного углей. Шлюзовые затворы выпускных патрубков карбонизатора и активатора закрыты, а весь активный уголь подается в реактор науглероживания. Все жидкие высокомолекулярные углеводороды или их часть из конденсатора подаются в испаритель насосом, создающим необходимое избыточное давление. В испарителе образуются перегретые пары углеводородов, которые направляются в реактор науглероживания, где они охлаждают нижние слои пироуглерода, а в верхних происходит их термическая диссоциация на поверхности пор пористой угольной матрицы активного угля. Углерод углеводородов осаждается в порах в виде пироуглерода, а водород вместе с некоторым малым количеством неразложившихся углеводородов поступает в межзерновое пространство и эвакуируется из установки по автономному тракту. Так как скорость образования пироуглерода пропорциональна давлению паров углеводородов в реакторе, то предпочтительно создавать в реакторе избыточное давление. При необходимости большой степени науглероживания угольной матрицы в реактор подают определенное количество природных углеводородов, например природного газа.

Для компенсации эндотермического эффекта диссоциации углеводородов реактор оборудован системой внешнего обогрева продуктами сгорания неконденсирующихся газов. Продукты сгорания из системы обогрева подаются в смеситель, куда подаются также газы рецикла из сушилки. В смесителе формируется сушильный агент необходимых параметров.

Второй пример - получение древесного и/или активного угля, энергетических топлив, пироуглерода и технического водорода

Шлюзовые затворы выпускных патрубков карбонизатора и активатора открыты для возможного вывода из системы части древесного и активного углей. Возможно сочетание вариантов, когда выпускной патрубок активатора закрыт, а карбонизатора открыт, или наоборот. Во всех вариантах определенное количество древесного угля поступает в активатор, а из него активный уголь поступает в реактор науглероживания. Активатор оборудован топкой для сжигания неконденсирующихся газов карбонизации, поступающих из конденсатора. Часть газов на выходе из активатора подается на рецикл через инжектор, а большая часть поступает под наклонную решетку карбонизатора для осуществления процесса карбонизации. Часть древесного и/или активного углей через выпускные патрубки подается внешним потребителям.

Во всех примерах газы из карбонизатора поступают в систему пылеочистки (например, в высокотемпературные рукавные фильтры), а из нее - в конденсатор высокомолекулярных углеводородов. Количества жидкого топлива и неконденсирующихся топливных газов определяются управлением параметрами карбонизатора.

Достоинством предлагаемого способа является гибкость по конечным целевым продуктам, отказ или сокращение использования природных невозобновляемых источников углеводородов, а также сокращение выбросов в атмосферу парникового углекислого газа при производстве технического водорода по сравнению с традиционными способами его производства.