початок розділу Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві	хитрощі майстру електроніка фізика технології винаходи	таємниці космосу таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу
Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання)

ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2161168

ЕФЕКТИВНА УТИЛІЗАЦІЯ ПАЛИВ І ВІДХОДІВ, ЩО МІСТЯТЬ ХЛОР І / АБО вологи

Ім'я винахідника: Дікінсон Норман Л. (US); Клоскі Майкл К. (US); Мюррей Роберт Г. (US)
Ім'я патентовласника: ЕНЕРТЕК Реформа, ІНК. (US)
Адреса для листування: 191186, Санкт-Петербург, а / с 230, "АРС-ПАТЕНТ", Рибакову В.М.
Дата початку дії патенту: 1996.06.05

Спосіб призначений для екологічно ефективної утилізації енергетичних ресурсів і відходів різних виробництв. Спосіб забезпечує поліпшення структури палива, підвищення його енергетичної щільності та зниження рівня домішок стосовно низькосортних вугіллях і / або Углеродосодержащий відходів типу твердих побутових відходів, палива, виготовленого з відходів, або стічних вод, шляхом формування з низькосортного палива, вуглецевих відходів або їх суміші водних суспензій з в'язкістю, що дозволяє проводити їх подальшу обробку. Така вихідна суспензія нагрівається під тиском (118), зазвичай у присутності лугу (109) до температури, при якій відбуваються суттєві перетворення на фізичному і молекулярному рівнях, які характеризуються отщеплением значної частини знаходився в низькосортних вугіллях або вуглецевих відходах в зв'язаному стані кисню у вигляді двоокису вуглецю (147). У зазначених умовах тверді частинки вихідної суспензії (103), в основному, втрачають свою волокнисту і гідрофільну структуру і розпадаються на більш дрібні карбонізованого частки, що призводить до утворення суспензії карбонізованого речовини з різко поліпшеної реологією, т. Е. Що дозволяє забезпечити значно вищі концентрації твердої фази (і отже, більш високу енергетичну щільність) при прийнятною в'язкості. Винахід забезпечує енергетичну безпеку і чистоту повітря.

ПЕРЕЛІК ФІГУР КРЕСЛЕНЬ

Фіг. 1 представляє схему процесу варіанту здійснення винаходу, в якому низькосортне вугілля і / або углеродосодержащие відходи у вигляді розведеної суспензії нагріваються шляхом непрямого теплообміну під тиском і перетворюються в паливну суспензію карбонізованого речовини з високою енергетичною щільністю і низьким вмістом хлору.

Фіг. 2 представляє схему процесу варіанту здійснення винаходу, в якому низькосортне вугілля і / або углеродосодержащие відходи у вигляді розведеної суспензії піддаються тиску і попередньою поетапного прямому нагріванню зі ступінчастим вибуховим виділенням пара з суспензії карбонізованого речовини і з перетворенням її в суспендованих паливо на базі карбонізованого речовини з високою енергетичною щільністю і низьким вмістом хлору.

Фіг. 3 представляє схему процесу варіанту здійснення винаходу, в якому низькосортне вугілля і / або углеродосодержащие відходи у вигляді в'язкої суспензії піддаються тиску, нагріваються, подаються в реактор з двома механічними шнеками, що забезпечують протитечія текучого середовища і твердих вуглецевих речовин, і перетворюються в паливну суспензію карбонізованого речовини з високою енергетичною щільністю і низьким вмістом хлору.

Фіг. 4 - це схематичне зображення перетину по лінії 4-4 на фіг. 3.

Відомості, що підтверджують можливість здійснення винаходу

Варіант, який ілюструється фіг. 1, відноситься до здійснення винаходу стосовно низькосортних вугіллях і / або Углеродосодержащий відходів, що містять негорючі речовини важча за воду і / або один або кілька аніонів, наприклад хлор, що володіють корозійними властивостями і / або забруднюючих атмосферу, і / або один або кілька ка ТВО нов , що утворюють шлак при температурах спалювання і / або забруднюючих атмосферу. Як приклад розглядаються тверді побутові відходи (ТПВ), які можуть бути модифіковані шляхом відповідного пресепарірованія, а й отримані з існуючого поховання відходів.

Углеродосодержащие відходи подаються в установку за допомогою конвеєра 101. Подпиточной вода, відпрацьована вода і / або суспензія (типу необроблених стічних вод) подаються, якщо це потрібно, по каналу 102. Углеродосодержащие відходи подрібнюються і перемішуються з рециркуляционной або подпиточной водою в секції 103 приготування суспензії вихідного палива, в якості якої може бути використано обладнання, описане в патенті США N 4624417, що відноситься до "мокрому вилучення ресурсів". У секції 103 відбувається висаджування важких уламків і сміття, а вуглерод матеріали диспергують, так що від них можуть бути відокремлені метали, скло та інші неорганічні включення важча за воду. Відокремлені таким чином матеріали виводяться з установки по трубопроводу або трубопроводах 104. Секція 103 може бути і обладнана для відділення інгредієнтів з щільністю менше, ніж у води, які виводяться з іншого трубопроводу (НЕ зображений).

Суспензія, що складається головним чином з вуглецевих відходів, подається в основний концентратор 105 (в якості якого може бути застосоване будь-яке придатне пристрій зневоднення), який видаляє з неї більшу частину води з утворенням прокачується Углеродосодержащий суспензії. Відокремлена вода повертається в секцію 103 за допомогою основного рециркуляционного насоса 106 по каналу 107. Устаткування в секції 103 може і працювати з низькосортних вугіллям і / або іншими Углеродосодержащий відходами, описаними в розділі "Рівень техніки", або в суміші з твердими побутовими відходами, або окремо, в паузах між обробкою ТПВ.

До стала в'язкою Углеродосодержащий суспензії, що покидає секцію (або секції) приготування суспензії вихідного палива по каналу 108, може бути доданий лужний розчин (або суспензія), що надходить по каналу 109. Луг додається в кількості, яка щонайменше становить хімічний еквівалент кислотообразующим анионам в Углеродосодержащий суспензії. Луги є відмінними агентами, що сприяють отщеплению і нейтралізації кислотообразующих аніонів. Однак в деяких випадках пріоритетним завданням може стати видалення ка ТВО нов, в тому числі утворюють шлаки і потенційно токсичних металів. У подібних випадках по каналу 109, замість лугу, можуть додаватися солюбілізірующіе агенти, ефективні по відношенню до вказаних елементів, що включають, зокрема, певні кислоти або хелатні добавки.

Стосовно до деяких легко гідролізіруемим відходів добавка лугу до проведення карбонізації суспензії призводить до збільшення кількості розчинних органічних продуктів за рахунок твердого карбонізованого речовини, так що в таких ситуаціях часто представляється кращим зменшити або скасувати добавку лугу по каналу 109 і нейтралізувати кислотні продукти в одній або декількох точках після або під час карбонізації суспензії.

Пристрій 110 теплопереносу, наприклад, насос, забезпечує тиск, достатній для прокачування Углеродосодержащий суспензії через змішувач 11 газу і суспензії, в якому суспензія контактує з сумішшю пара і газу карбонізації, що надходить по каналу 112 і / або з іншими нагрітими текучими речовинами (не показані) . Газопарові суміш передає тепло безпосередньо суспензії, підвищуючи її температуру. Нагріта суспензія і Несконденсировавшиеся газ спільно надходять в згладжує ресивер 113, де відбувається відділення газу і залишкового пара, які виводяться з каналу 114. відводяться газ, в основному двоокис вуглецю, представляє деяку теплову цінність і може бути поданий в піч, котел або якесь інший пристрій (НЕ зображено) для утилізації його тепла. Ресивер 113 може бути забезпечений нагрівальними засобами і теплоізольований для збереження відчутною теплоти, в ньому і можуть бути один або декілька змішувачів і / або канал рециркуляції до насоса 110 (не показаний) для підтримки однорідності властивостей суспензії.

Паралельно з секцією 103 або замість неї може бути одна або кілька секцій приготування іншого типу (НЕ зображені), пристосовані для викопних палив або вуглецевих відходів, які підлягають карбонізації в суспензії окремо або спільно з матеріалами, поданими конвеєром 101. Наприклад, низькосортне вугілля, високосортних вугілля, інше викопне паливо і / або вироблена і / або утілізуемая вугільна дрібниця можуть бути піддані стадії підготовки і / або подрібнення з збагаченням, як це зазвичай робиться для отримання відповідної вихідної суспензії. Тверде ТВО, що отримується звичайним сухим методом вилучення з відходів, досить просто подрібнити і диспергировать в воді підживлення або рециркуляционной воді. Деревні відходи можна подрібнити, піддати магнітному сепарування для відділення заліза і перетворити в пульпу. Інші копалини палива і / або відходи, такі як мул стічних вод, можуть зажадати тільки підбору змісту води. У той час як високосортні вугілля, особливо містять хлор або речовини, що формують шлаки, можуть оброблятися аналогічним чином, іноді вигідніше пропустити суспензії на базі подібних вугілля повз обладнання для карбонізації суспензії і змішувати їх з твердим карбонізованого речовиною і / або суспензією на його основі. Коли це потрібно, Углеродосодержащий суспензія може бути очищена від дрібних частинок за допомогою гідроклона або гідроклонов, пристосованих для цієї мети. Якщо необхідно провести суттєве розбавлення додаткової Углеродосодержащий суспензії з метою відокремлення неорганічних речовин, то очищена суспензія може пройти пристрій 105 зневоднення або пристрій аналогічного призначення.

Для здійснення стадії карбонізації або спільної карбонізації ця додатково приготована Углеродосодержащий суспензія може вводитися прямо в канал 115 або в канал між секцією 103 і пристроєм 110 (не показано). Ця суспензія може бути подана і в ресивер 113 по каналу 116 або по каналу 117 до приймальні лінії завантажувального пристрою 118 високого тиску. Завантажувальний пристрій 118 може відноситися до класу насосів, екструдерів, шнеків або інших відомих пристроїв для створення тиску; при цьому можливе застосування одного або декількох подібних пристроїв, встановлених послідовно або паралельно. У приймальні лінії завантажувального пристрою 118 може бути встановлений змішувач (НЕ зображений). Крім того, практично сухі або напівсухі низькосортне вугілля, углеродосодержащие відходи, високосортні вугілля і / або інші викопні палива можуть додаватися прямо в ресивер 113 через додатковий канал (НЕ зображений). Завантажувальний пристрій 118 відбирає Углеродосодержащий суспензію з ресивера 113 (і в деяких випадках з каналу 117) і забезпечує тиск, достатній для того, щоб переміщати її через подальше обладнання для додатка тиску і підтримувати суспензію в рідкому стані при нагріванні.

Углеродосодержащий суспензія протікає з пристрою 118 до холодної стороні низькотемпературного теплообмінника 119, в якому вона нагрівається непрямим шляхом за допомогою суспензії карбонізованого речовини з каналу 125 до температури, що наближається до температури цієї речовини. З теплообмінника 119 нагріта Углеродосодержащий суспензія надходить до холодної частини високотемпературного теплообмінника 120, в якому вона нагрівається непрямим шляхом за допомогою суспензії карбонізованого речовини з каналу 123. Кожен з теплообмінників 119 і 120 може складатися з одного або з декількох теплообмінних модулів, встановлених послідовно або паралельно. Пристрій, який відокремлює частину води з нагрітих твердих вуглецевих речовин (НЕ зображено), може бути встановлено і між теплообмінниками 119 і 120. У такому випадку відокремлена вода переважно направляється до відповідного теплообміннику (НЕ зображений) для відбору від неї тепла, тоді як частково зневоднена суспензія надходить до теплообмінника 120.

Гаряча Углеродосодержащий суспензія тече від теплообмінника 120 до нагрівача 121, який введений в якості доповнення або альтернативи теплообміну в теплообмінниках 119 і 120. Крім того, нагрівач 121 служить для компенсації тепловтрат і незворотності прямого теплообміну шляхом забезпечення теплового балансу, необхідного, щоб підвищити температуру суспензії до значення, відповідного для реакцій карбонізації. Тепло в нагрівачі 121 передається непрямим шляхом, із застосуванням пара (в тому числі пара, змішуваного з газом, що виділяється при мокрому окисленні розчинної органічної компонента при очищенні, як це буде описано з посиланням на фіг. 2), спеціального рідкого теплоносія, трубчастої печі, електрорезістівних елементів, спіралі, що нагрівається гарячим димовим газом або вихлопними газами турбіни і / або іншого відповідного джерела тепла. В якості альтернативи, тепло може підводитися в нагрівачі 121 безпосередньо до суспензії, шляхом ін'єкції пара під високим тиском (наприклад пара, що виділяється при мокрому окисленні в процесі очищення - см. Фіг. 2), гарячого димового газу від пальника і / або невеликих кількостей повітря або кисневмісних газу.

У деяких конкретних варіантах прокачування від нагрівача 121 до входу гарячої частини теплообмінника 120 може займати час, достатній для завершення реакції карбонізації. Якщо конкретна Углеродосодержащий суспензія вимагає більшої тривалості перебування при підвищеній температурі, ніж це забезпечується часом прокачування, для збільшення часу реакції може бути введений реактор 122. Як доповнення або альтернативи підведення енергії до суспензії в нагрівачі 121 реактор 122 може бути забезпечений сорочкою для непрямого нагрівання за допомогою гарячої текучого середовища, яка в якості альтернативи може бути інжектованих безпосередньо в реактор разом з гарячою суспензією для передачі їй додаткової теплової енергії. На додаток може бути передбачений канал 147 для відводу з реактора газу карбонізації в міру його утворення, з тим, щоб змістити рівновагу реакцій карбонізації суспензії в бік збільшення виходу карбонізованого речовини. Газ, що виводиться на каналі 147, є гарячим і має значний вміст пари. В інтересах економії більшу частину міститься в ньому відчутного і латентного тепла зазвичай вдається витягти, наприклад за допомогою теплообмінників (НЕ зображені) або шляхом забезпечення прямого контакту з суспензією, наприклад в змішувачі 111.

Як доповнення та / або альтернативи до додавання лугу по каналу 109 луг може через з'єднувач 124 вводитися в канал, що виходить з реакторної секції 122, або в канал, що входить в реактор 122 (цей варіант не зображений). Розбавлена ​​суспензія карбонізованого речовини, в'язкість якої істотно зменшена, і газ, виділений при реакції карбонізації (склад якого може бути модифікований за рахунок ін'єкції теплоносія), далі течуть по каналу 123 до гарячої стороні високотемпературного теплообмінника 120, в якому вони передають тепло непрямим шляхом Углеродосодержащий суспензії , яка була частково нагріта в теплообміннику 119. охолоджена в результаті теплообміну в теплообміннику 120 суспензія карбонізованого речовини і газ карбонізації надходять по каналу 125 до гарячої частини низькотемпературного теплообмінника 119. Далі охолоджена суспензія карбонізованого речовини може бути додатково охолоджена при непрямому теплообміні і / або прямому контакті з водою, повітрям або інший охолоджуючої текучим середовищем (цей процес може бути альтернативою охолодження суспензії в теплообмінниках 119, 120). В якості альтернативи і / або доповнення до введення лугу по каналу 109 і / або каналу 124, вона може бути і інжектувати в канал 125 через з'єднувач 126.

Охолоджена в теплообміннику 119 до необхідної температури суспензія, разом з газом карбонізації, подається по каналу 127 до редуктора 128 тиску. Пристрій 128 одночасно може служити для зменшення розмірів частинок в суспензії, з використанням для цього кінетичної енергії, що виділяється при збільшенні об'єму суспензії. Зменшення тиску призводить до збільшення обсягу газу карбонізації та збільшує виділення насиченої пари в результаті випаровування води з суспензії в міру просування суміші до сепаратора 129 газу і суспензії. У сепараторі 129 відбувається відділення газу і пари, які надходять, як це було описано вище, по каналу 112 до змішувача 111.

Розбавлена ​​суспензія карбонізованого речовини, пройшовши сепаратор 129, тече по каналу 130 до пристрою 131 концентрації карбонізованого речовини. Концентратор 131 зображений у вигляді центрифуги, але їм може бути і випарник, фільтр або будь-яке інше підходяще пристрій, який відокремлює від суспензії воду, що відводиться по каналу 132 від вологого карбонізованого речовини, яке виводиться в трубопровід 133. концентратор 131 може бути пристосований для промивання вологого карбонізованого речовини перед його виведенням чистої і / або рециркуляционной водою з каналу 134, яка зустрічається з опадами від промивання в каналі 132.

Рециркуляционная вода разом з опадами від промивання накопичується в рециркуляційно барабані 135, з якого вона прокачується за допомогою додаткового водяного насоса 136 по каналу 137 в секцію 103 приготування суспензії. Однак зазвичай перед цим потрібно видалити розчинні продукти очищення, щоб запобігти накопичення надлишкових розчинних і суспендованих з'єднань. Ці продукти очищення можуть бути перед їх скиданням піддані обробці, добре відомої в технології обробки води або описаної в патенті США N 4898107. Як альтернатива продукти очищення можуть бути виділені з гарячою суспензії в каналі 123, як це буде описано з посиланням на фіг. 2, і піддані мокрому окисленню з метою отримання пари високого тиску, що подає тепло до нагрівача 121 прямим або непрямим шляхом і видаляє солі, присутні у вигляді розсолу. Згідно ще одному варіанту, рециркуляційна вода в каналі 137 може бути оброблена звичайними методами обробки скидний води для того, щоб видалити або зменшити вміст розчинених і суспендованих матеріалів перед її повторним використанням в секції 103.

Вологе карбонізованого речовина, падаюче по трубопроводу 133, змішується в змішувачі 139 з чистою і / або рециркуляционной водою з каналу 134 в регульованої пропорції для отримання суспензії необхідної в'язкості. Отриманий паливний продукт тече по каналу 140 до калібрувального пристрою 141, в якому відбувається видалення частинок з розмірами, що перевищують необхідні, після чого він подається (в разі необхідності за допомогою води) по каналу 142 до пристрою 143 для зменшення розмірів частинок, з якого суспензія з частинками зменшеного розміру повертається за допомогою насоса 144 рециркуляції суспензії до пристрою 141. Завдяки наявності цього контуру зменшення розмірів частинок максимальний розмір часток в суспензії приводиться у відповідність із заданим діапазоном розмірів, після чого суспензія виводиться по трубопроводу 145 в резервуар 146 зберігання готового продукту, де він накопичується для майбутнього використання або продажу. Резервуар 146 переважно забезпечений змішувачем (змішувачами) або системою рециркуляції для підтримки однорідності продукту. За бажанням, високосортних вугілля і / або інше викопне паливо (в сухому, напіврідкому вигляді або у вигляді суспензії з достатньою енергетичною щільністю), а й рідкі палива, такі як, наприклад, дизельне паливо, можуть змішуватися з готовою суспензією карбонізованого речовини, що міститься в резервуарі 146, минаючи контур карбонізації.

Готова суспензія зберігається в резервуарі 146 або для використання в місці її приготування, або для транспортування по трубопроводу, в цистернах, водним або іншим шляхом 150 в місце використання 152 типу теплової електростанції або установки по обробці твердої фази суспензії.

У деяких випадках описаний контур зменшення розмірів частинок може бути об'єднаний в єдиний пристрій, яке запобігає проходженню занадто великих часток і зменшує їх розміри до допустимих значень. Іноді ж виявляється виправданим подрібнення частинок з розмірами, що лежать в певних інтервалах, для забезпечення оптимального розподілу часток за розмірами, що дозволяє досягти максимальної концентрації твердої фази, тобто максимальної енергетичної щільності при заданої в'язкості.

Хоча значне скорочення змісту неорганічних домішок досягається вже при поділі по щільності, що здійснюється в секції 103, різке зменшення розмірів частинок в результаті карбонізації суспензії і / або подальшого механічного подрібнення може в деяких випадках привести до вивільнення додаткового неорганічного матеріалу, який може бути виділений (завдяки його щільності, іншим фізичним та / або хімічними властивостями) в будь-якій точці за реактором 122 і переважно перед сепаратором 131 за допомогою гідроклона, флотаційного або будь-якого іншого відповідного пристрою.

Якщо суспензія карбонізованого речовини виявляється вільної від великих часток, здатних забити обладнання, встановлене по ходу потоку, контур 141-144 можна не застосовувати. Якщо вихідна сировина не містить істотної кількості екстрагуються аніонів або ка ТВО нов, суспензія може бути просто доведена до потрібної в'язкості в пристрої 131, замість того, щоб піддаватися повного сепарування з повторним утворенням суспензії в чистій воді. Як варіант, контур 141-144 зменшення розмірів частинок може бути поміщений перед концентратором 131.

приклад 1
Відповідно до варіанту здійснення винаходу, проілюстрованим фіг. 1, ущільнене ТВО, виготовлене сухим методом вилучення ресурсів, було подрібнене до розмірів частинок 0,3 см, змішане з гідроксидом натрію і переведено в водну суспензію концентрацією 7,2% за вагою при в'язкості 300 сантипуаз. Теплота згоряння суспензії на базі вихідного палива (ТВО) становила 310 ккал / кг суспензії при вмісті кисню 36,2% при перерахунку на суху вагу.

Після підвищення тиску у вихідній суспензії ТВО вона подавалася в безперервно діючу пілотну установку продуктивністю 285 кг / год, в якій використовувалися відцентровий і мембранний насос. Попередній нагрів суспензії здійснювався за допомогою трьох електричних нагрівачів з рідким теплоносієм, причому тиск і температура суспензії підтримувалися і в реакторі. Після виведення суспензії карбонізованого речовини з реактора її тиск і температура знижувалися за допомогою вибухового випаровування до досягнення атмосферного тиску. Утворені при вибуховому випаровуванні пар і газ додатково охолоджувалися в конденсаторі з водяним охолодженням, причому Неконденсовані газ спалювався, а конденсат закачувався в резервуар зберігання. Суспензія після зняття тиску зневоднюється в фільтр-пресі; зменшення розмірів частинок проводилося за допомогою млина.

Продукт, який отримують в пілотній установці при описаних умовах, будучи розбавлений водою до загального змісту твердої фази 51,8% за вагою, мав позірну в'язкість 500 сантипуаз, теплоту згоряння 3670 ккал / кг суспензії і вміст кисню 13,9% при перерахунку на суху вагу . Одночасно описані умови забезпечували рівень екстракції хлору, що перевищує 94%, який був додатково підвищено промиванням в фільтр-пресі. На додаток, в готовому продукті, за даними аналізу, було істотно знижений вміст азоту, сірки, титану, кальцію, натрію, калію і слідів таких металів, як ртуть, сурма, миш'як, кадмій, свинець, кобальт, мідь, марганець і цинк.

Спираючись на ці результати випробувань, було проведено комп'ютерне моделювання установки продуктивністю 500 т / день, що відповідає варіанту по фіг. 1 і використовує в якості сировини ТПВ. Із застосуванням стандартних методів була і знайдена оцінка вартості введення в дію такої установки. Розрахункові сумарні капітальні витрати для установки, інтегрованої з обладнанням для мокрого вилучення ресурсів, склали 36,9 мільйонів доларів США при рівні резервування 15%. Експлуатаційні витрати (включаючи обслуговування) в першому році були оцінені в 11,4 мільйона доларів, включаючи фінансування капітальних витрат, обслуговування кредиту та амортизацію. Це відповідає 69 дол. / Т ТПВ, без обліку виручки від продажу відновлених реціркуліруемих матеріалів і готової паливної суспензії. Беручи, що продажна ціна палива складає 7,73 дол. / Мільйон ккал, чисті експлуатаційні витрати знижуються до 36 дол. / Т ТПВ.

Фіг. 2 ілюструє інший варіант здійснення винаходу стосовно до обробки низькосортного вугілля і / або вуглецевих відходів. У ньому використовуються деякі елементи і операції, описані з посиланням на фіг. 1, зокрема, підготовчі операції, що включають додавання лугу або солюбілізірующіх агентів, видалення неорганічних речовин, підбір змісту води, зменшення розмірів частинок і / або змішування вуглецевих відходів, низькосортного вугілля, інших викопних палив і їх сумішей.

Далі, як показано на фіг. 2, підготовлена в'язка суспензія подається в установку по каналу 201. Углеродосодержащий суспензія надходить до змішувача 202 газу і суспензії, в якому вона контактує з парогазової сумішшю, що підводиться по каналу 203 і / або іншими нагрітими текучими середовищами. Парогазова суміш віддає тепло безпосередньо суспензії, підвищуючи її температуру. Підігріта суспензія тече до першого пристрою 204 підвищення тиску рідини. Пристрій 204 підвищує тиск в суспензії до рівня, істотно меншого тиску парогазової суміші в каналі 205, так що обидва потоку можуть бути об'єднані в другому змішувачі 206. Будь-які Неконденсовані гази і конденсується пара розбавляють і підвищують температуру суспензії, яка надходить до другого пристрою 207 підвищення тиску . Пристрій 207 підвищує тиск в суспензії до рівня, істотно меншого тиску парогазової суміші в каналі 208, так що обидва потоку можуть бути об'єднані в третьому змішувачі 209. Будь-які Неконденсовані гази і конденсується пара ще більш розбавляють і підвищують температуру суспензії, яка надходить до третього пристрою 210 підвищення тиску. Пристрій 210 ​​і підвищує тиск в суспензії до рівня, істотно меншого тиску парогазової суміші в каналі 211, так що обидва потоку можуть бути об'єднані в четвертому змішувачі 212. Будь-які Неконденсовані гази і конденсується пара ще більш розбавляють і підвищують температуру суспензії, яка надходить до четвертого пристрою 213 підвищення тиску. Пристрій 213 аналогічним чином підвищує тиск в суспензії до рівня, істотно меншого тиску парогазової суміші в каналі 214, так що обидва потоку можуть бути об'єднані в п'ятому змішувачі 215. Будь-які Неконденсовані гази і конденсується пар в змішувачі 215 ще більш розбавляють і підвищують температуру суспензії до значення , необхідного для реакцій карбонізації суспензії.

Гаряча Углеродосодержащий суспензія направляється від змішувача 215 до нагрівача 216, який служить доповненням або альтернативою прямому нагріванню в пристроях 202-215. У нагрівачі 216 необхідну тепло передається непрямим чином, наприклад з використанням пара від зовнішнього джерела, відповідній рідині-теплоносія, трубчастої печі, електрорезістівних елементів, спіралі, що нагрівається гарячим димовим газом або вихлопних газом турбіни і / або іншого відповідного джерела тепла. В якості альтернативи, тепло може підводитися в нагрівачі 216 безпосередньо до суспензії, шляхом ін'єкції пара під високим тиском від зовнішнього джерела, гарячого димового газу від пальника і / або невеликих кількостей повітря або кисневмісних газу.

Хоча пристрої 204, 207, 210 і 213 для підвищення тиску були описані і показані на фіг. 2 як дискретні пристрої, два або більше з них можуть являти собою окремі блоки єдиного пристрою і / або отримувати живлення від єдиного джерела. Крім того, до складу установки можуть входити як більш, так і менш чотирьох подібних пристроїв, в якості яких можуть застосовуватися насоси, екструдери, шнеки та інші відомі пристрої або їх комбінації.

Неконденсовані гази можуть відділятися і виводитися з основного потоку відразу ж за змішувачами 202, 206, 209, 212 і / або 215. Виведені Неконденсовані гази можуть бути подані до печі, котла і / або інших пристроїв для утилізації будь-якого міститься в них залишкової тепла. Крім того, між пристроями для підвищення тиску в нагрітій суспензії може бути проведено її зневоднення до в'язкості, що дозволяє вести подальшу обробку суспензії. Дистанційна волога після цього направляється до пристрою утилізації укладеного в ній тепла, і / або вона повторно направляється в секцію підготовки (НЕ зображена).

Залежно від виконання установки, прокачування між нагрівачем 216 і сепаратором 220 газу і суспензії може займати час, достатній для завершення реакції карбонізації. Якщо конкретна Углеродосодержащий суспензія вимагає більшої тривалості перебування при підвищеній температурі, чим забезпечується часом прокачування, для збільшення часу реакції може бути введений реактор 217. Реактор 217 може бути забезпечений засобами для відділення газу карбонізації в міру його утворення, з виведенням його по неізображенному каналу. Як доповнення або альтернативи підведення енергії до суспензії в нагрівачі 121 реактор 122 може бути забезпечений сорочкою для непрямого нагрівання за допомогою гарячої текучого середовища, яка в якості альтернативи може бути інжектованих безпосередньо в реактор разом з гарячою суспензією для передачі їй додаткової теплової енергії. Як доповнення або альтернативи нагревателю 216 реактор 217 може бути забезпечений сорочкою для непрямого нагрівання за допомогою гарячої текучого середовища, яка в якості альтернативи може бути інжектованих безпосередньо в реактор разом з гарячою суспензією для передачі їй додаткової теплової енергії.

Стосовно до деяких легко гідролізіруемим відходів добавка лугу до проведення карбонізації суспензії призводить до збільшення кількості розчинних органічних продуктів за рахунок твердого карбонізованого речовини, так що в таких ситуаціях часто представляється кращим зменшити або скасувати добавку лугу в секції приготування суспензії вихідного палива і нейтралізувати кислотні продукти в одній або декількох точках після або під час карбонізації суспензії. Коли продукти карбонізації суспензії залишають реактор 217 по каналу 218, в цей канал з додаткового каналу 219 може бути інжектованих розчин або суспензія лугу; луг може бути і введена в канал, що входить в реактор 217 (цей варіант не зображений).

Канал 218 веде до сепаратора 220 газу і рідини, виконаному, наприклад, у вигляді водяного затвора. У сепараторі 220 відбувається відділення газів, що утворилися в процесі карбонізації суспензії, а й газів, введених в потік (і / або утворилися при мокрому окисленні розчинних органічних продуктів, як це буде описано далі), і їх виведення з каналу 221. Газ в каналі 221 є гарячим і має значний вміст пари. В інтересах економії більшу частину міститься в ньому відчутного і латентного тепла зазвичай вдається витягти, наприклад, за допомогою теплообмінників (НЕ зображені) або шляхом забезпечення прямого контакту з суспензією, наприклад в каналі 201. Пар, конденсованих з цього потоку, є потенційно цінним джерелом відносно чистої води.

Суспензія карбонізованого речовини після сепаратора 220 тече по каналу 220 до першого ступеня 223 сепаратора для розділення рідкої і твердої фаз, верхній вихід якого пов'язаний з другим ступенем 224 сепаратора для розділення рідкої і твердої фаз. Як сепараторів 223 і 224 можуть використовуватися, наприклад, гідроклони, показані на фіг. 2. Природно, що кількість ступенів і організація потоку між ними можуть модифікуватися в міру необхідності. Бажано, щоб в максимально можливій мірі тверде карбонізованого речовина разом з реціркуліруемая водою (яка може містити розчинені гази) виводилася через нижній вихід сепараторів 223 і 224, які налаштовуються таким чином, що через верхній вихід виводиться частина надходить з сепаратора 220 рідини, що представляє собою продукт промивання від розчинних органічних і неорганічних сполук.

Є і наступна причина для виведення цього продукту через верхній вихід сепараторів, заснованих на різниці щільності. Незважаючи на увагу, яку приділяють умовам максимізації виходу твердого карбонізованого речовини і обмеження (наскільки це можливо) освіти газу (двоокису вуглецю), коксування суспензії - це форма піролізу, який може призводити до утворення в невеликих кількостях рідких вуглеводнів і / або смол. Крім того, деякі особливо стійкі полімери можуть не розкластися і зберегтися (але перейшовши під дією температури в рідку форму). Ці нерозчинні матеріали з відносно високою температурою плавлення в міру охолодження продукту можуть привести до забивання наступних ступенів обладнання. Однак, маючи меншу щільність, ніж вода, вони розташовуються в зоні продуктів промивання і тому надходять разом з водою і розчиненими органічними речовинами на руйнування методом мокрого окислення з виробленням в процесі окислення корисного тепла.

Тиск в потоці, що виводиться через верхній вихід сепаратора 224, підвищується за допомогою насоса 225, який подає цей потік в змішувач 226, де він змішується зі стисненим газом, що містить кисень, який надходить по каналу 227 і в тій мірі, в якій це можливо, окисляє органічні речовини в потоці до двоокису вуглецю і води. Для того щоб забезпечити достатній час для досягнення бажаного рівня окислення, передбачена спеціальна секція у вигляді реактора 228. Окислення вивільняє достатню кількість тепла для того, щоб підвищити температуру суміші до рівня, відповідного перетворення частини міститься в ній води в пар.

Суміш гарячої пари, газів і води, в якій містяться неорганічні речовини у вигляді розчину або суспензії (розсолу), надходить по каналу 229 в сепаратор 230 пара і розсолу. У сепараторі 230 відбувається відділення пара і газів, які виводяться через пристрій 231 керування тиском і канал 214 і подаються в змішувач 215 для нагріву попередньо підігрітою суспензії, як це вже було описано. Розсіл, що виділяється в сепараторі 230, виводиться з процесу через редуктор 232 тиску. Він і містить значну кількість тепла, яке слід утилізувати в потрібному теплообмінному обладнанні.

Якщо окислювачем, що подається по каналу 227, є повітря, парова фаза на виході сепаратора 230 матиме значний вміст азоту, який буде супроводжувати повністю нагріту суспензію при проходженні через реактор 217 до сепаратора 220. Парціальний тиск цього азоту, складене з парціальними тисками газів, що виділяються при окисленні і карбонізації суспензії, робить необхідним підтримувати тиск на ділянці між пристроєм 213 і сепараторами 220 і 230 значно більшим, ніж тиск насиченої водяної пари. Крім того, втрати тепла, пов'язані з утворенням насиченого пара, будуть в цьому випадку вище, ніж при застосуванні промислового кисню. Вибір окислювача зазвичай визначається місцевими економічними умовами, зокрема, ціною на придбаний кисень.

Потік з нижнього виходу гідроклонов 223 і 224 по каналу 233 надходить до редуктора 234. Падіння тиску на виході редуктора 234 призводить до вибухового випаровування частини води з суспензії (можливо разом з розчиненими газами) при русі суміші до першого ступеня 235 сепаратора для розділення карбонізованого речовини і суспензії. У сепараторі 235 пар відокремлюється від суспензії і тече по каналу 211 до змішувача 212, як це було описано. Суспензія, частково охолоджена і стала більш концентрованою в результаті випаровування частини містилася в ній води, надходить з нижньої частини сепаратора 235 до другого редуктора 236.

Падіння тиску на виході редуктора 236 призводить до вибухового випаровування ще однієї частини води з суспензії (можливо разом з розчиненими газами) при русі суміші до другого ступеня 237 сепаратора для розділення карбонізованого речовини і суспензії. У сепараторі 237 пар відокремлюється від суспензії і тече по каналу 208 до змішувача 209, як це було описано. Суспензія, частково охолоджена і стала більш концентрованою в результаті випаровування частини містилася в ній води, надходить з нижньої частини сепаратора 237 до третього редуктора 238.

Падіння тиску на виході редуктора 238 призводить до вибухового випаровування ще однієї частини води з суспензії (можливо разом з розчиненими газами) при русі суміші до третього ступеня 239 сепаратора для розділення карбонізованого речовини і суспензії. У сепараторі 239 пар відокремлюється від суспензії і тече по каналу 205 до змішувача 206, як це було описано. Охолоджена суспензія, температура якої тепер лише незначно перевищує її температуру кипіння при атмосферному тиску і концентрація якої збільшилася за рахунок випаровування частини містилася в ній води, надходить від нижнього виходу сепаратора 239 в акумулятор 240, з якого додатково виводиться лише незначна частина пара, в результаті чого суспензія охолоджується до температури кипіння при атмосферному тиску. Пара з акумулятора 240 може бути поданий по каналу 203 для змішування з надходить по каналу 210 вихідної суспензією (суспензією вихідного палива) в змішувачі 203, як це було описано. Як показано на фіг. 2, сепаратори 235, 237 і 239 можуть бути виконані у вигляді водяних затворів, нижні виходи яких можуть бути забезпечені спеціальною ємністю (НЕ зображена) для підтримки необхідного рівня суспензії і запобігання виходу пара в цьому напрямку.

Хоча в пристроях 223, 224, 235, 237, 239 і 240 з суспензії карбонізованого речовини було видалено значну кількість вологи і розчинених сполук, може виявитися необхідним додаткове концентрування суспензії до необхідної в'язкості. В такому випадку розбавлена ​​суспензія подається від сепаратора 240 по каналу 241 до пристрою 242 концентрації карбонізованого речовини. Концентратор 242 зображений у вигляді центрифуги, але їм може бути і випарник, фільтр або будь-яке інше підходяще пристрій, який відокремлює від суспензії воду, що відводиться по каналу 243 від вологого карбонізованого речовини, яке виводиться в трубопровід 244. концентратор 242 може бути пристосований для промивання вологого карбонізованого речовини перед його виведенням чистої і / або відновлений водою з каналу 245, яка зустрічається з опадами від промивання в каналі 243.

Реціркуліровать вода разом з опадами від промивання накопичується в рециркуляційно барабані 246, з якого вона прокачується за допомогою додаткового водяного насоса 247 по каналу 248 в секцію приготування суспензії вихідного палива або обробки реціркуліруемая води (не зображені). Може виявитися необхідним, на додаток до розсолу, удаляемому через редуктор 232, видалити розчинні продукти очищення, наприклад через пристрій 249 керування витратою, щоб запобігти накопичення надлишкових розчинних і суспендованих з'єднань. Ці продукти очищення можуть бути перед їх скиданням піддані обробці, добре відомої в технології обробки води або описаної в патенті США N 4898107. Реціркуліровать вода з каналу 248 може бути оброблена звичайними методами обробки скидний води для того, щоб видалити або зменшити вміст розчинених і суспендованих матеріалів перед її повторним використанням в секції приготування суспензії (трохи зображена).

Вологе карбонізованого речовина, падаюче по трубопроводу 244, змішується в змішувачі 250 з чистою і / або відновлений водою з каналу 245 в регульованої пропорції для отримання суспензії необхідної в'язкості. Розширення обсягу та високі швидкості, що виникають в результаті дії пристроїв 233, 235 і 237, призводять до значної фрагментації частинок. Проте, може виявитися необхідним забезпечити подальше зменшення розмірів частинок. В такому випадку паливний продукт подається по каналу 251 до калібрувального пристрою 252, в якому відбувається видалення частинок з розмірами, що перевищують необхідні, після чого він тече (в разі необхідності за допомогою води) по каналу 253 до пристрою 254 для зменшення розмірів частинок, з якого суспензія з частинками зменшеного розміру повертається за допомогою насоса 255 рециркуляції суспензії до пристрою 252. Завдяки наявності цього контуру зменшення розмірів частинок максимальний розмір часток в суспензії приводиться у відповідність із заданим діапазоном розмірів, після чого суспензія виводиться по трубопроводу 256 в резервуар 257 зберігання готового продукту, де він накопичується для майбутнього використання або продажу. Резервуар 257 переважно забезпечений змішувачем (змішувачами) або системою рециркуляції для підтримки однорідності продукту. За бажанням, високосортних вугілля і / або інше викопне паливо (в сухому, напіврідкому вигляді або у вигляді суспензії з достатньою енергетичною щільністю), а й рідкі палива, такі як, наприклад, дизельне паливо, можуть змішуватися з готовою суспензією карбонізованого речовини, що міститься в резервуарі 257, минаючи контур карбонізації.

Зображені на фіг. 2 пристрої 252-255 для зменшення розмірів частинок в деяких випадках можуть бути об'єднані в єдиний пристрій, яке запобігає проходженню занадто великих часток і зменшує їх розміри до допустимих значень. Іноді ж виявляється виправданим подрібнення частинок з розмірами, що лежать в певних інтервалах, для забезпечення оптимального розподілу часток за розмірами, що дозволяє досягти максимальної концентрації твердої фази, тобто максимальної енергетичної щільності при заданої в'язкості.

Хоча значне скорочення змісту неорганічних домішок досягається вже при поділі по щільності, що здійснюється в секції приготування суспензії (НЕ зображена), різке зменшення розмірів частинок в результаті карбонізації суспензії і / або подальшого механічного подрібнення може в деяких випадках привести до вивільнення додаткового неорганічного матеріалу, який може бути виділений (завдяки його щільності, іншим фізичним та / або хімічними властивостями) в будь-якій точці за реактором 217 і переважно перед сепаратором 242 за допомогою гідроклона, флотаційного або будь-якого іншого відповідного пристрою.

Якщо суспензія карбонізованого речовини виявляється вільної від великих часток, здатних забити обладнання, встановлене по ходу потоку, контур 252-255 зменшення розмірів частинок можна не застосовувати. Якщо вихідна сировина не містить істотної кількості екстрагуються аніонів або ка ТВО нов, суспензія може бути просто доведена до потрібної в'язкості в пристрої 242, замість того, щоб піддаватися повного сепарування з повторним утворенням суспензії в чистій воді. Як варіант, контур 252-255 зменшення розмірів частинок може бути поміщений перед концентратором 242.

Для спрощення розуміння на фіг. 2 показані три ступені зниження тиску в суспензії карбонізованого речовини. Чим більше ступенів, на які розбивається загальне зниження тиску, тим ближче система наближається до ідеального (реверсивному) теплообміну і тим менше тепла потрібно від стадії окислення в реакторі 228 і / або від нагрівача 216. Кількість тепла, що виділяється при окисленні, залежить від отримання водорозчинних органічних сполук, характеристик вихідної сировини, температури і тривалості карбонізації та вибору точки додавання лугу. У загальному випадку метою є максимізація виробництва твердого карбонізованого речовини, що відповідає мінімізації виробництва розчинної органіки. Чим менше вихід розчинної органіки, тим більша кількість ступенів вибухового випаровування потрібно для досягнення внутрішнього теплового балансу системи (без допомоги нагрівача 216). У багатьох випадках ця кількість може бути більше трьох. Тепло, що виділяється в результаті окислення, можна і регулювати зміною тиску. Підвищення тиску призводить до збільшення обсягу води, що скидається як розсіл (тобто до зменшення води, перетворюється в пар). Хоча в ідеальному випадку у вигляді розсолу скидається мінімальна кількість води, достатня для забезпечення її вільного виведення з системи, може виявитися необхідним скидати більше води, щоб підтримати теплової та / або водний баланс. Ще одна можливість регулювання полягає в варіюванні ступеня промивання, тобто частки потоку, що виводиться через верхній вихід гідроклона до насоса 225. Менші рівні промивання відповідають більш високих концентрацій органічних речовин і солей, і навпаки.

Углеродосодержащий суспензія (суспензія палива) в каналі 210 була визначена як в'язка. Оскільки в'язкість - це функція концентрації, вона може служити мірою обсягу води, яку потрібно нагріти до температури карбонізації та знову охолодити, або, іншими словами, мірою кількості тепла, яке потрібно передати. У варіанті з фіг. 1, в якому основна частина теплопередачі відбувається в теплообмінниках, в'язкість є важливим фактором, що визначає темпи теплопередачі і, отже, необхідну площу поверхні теплообміну. Кількість і вартість забезпечення такої поверхні швидко зростають з ростом в'язкості. Необхідно збалансувати протидіючі чинники: чим вище в'язкість, тим менше навантаження, але нижче темпи теплопередачі (і, можливо, більш виражена тенденція до забивання каналів). Таким чином, в'язкість, в основному, вибирається з економічних міркувань.

Варіант, представлений на фіг. 2, забезпечує цикл введення / виведення, нагріву / охолодження без застосування теплообмінників, уникаючи таким чином обмеження по в'язкості, яка властива варіанту по фіг. 1. У варіанті по фіг. 2 стає можливим підвищити концентрацію суспензії, що надходить на стадію карбонізації, до консистенції пасти. Важливо відзначити, що під час нагрівання в'язкість неодноразово знижується за рахунок підвищення температури і розведення, а й в результаті самих реакцій карбонізації. Завдяки цьому найбільш економічний рівень в'язкості (концентрації) часто (хоча й не завжди) виявляється більш високим. При цьому потрібно враховувати, що співвідношення між тривалістю нагрівання і охолоджування саме по собі не впливає на витрати, коли ці процеси здійснюються простий прокачуванням води і пара, а ефективність гідроклонов вище при відносно низькій в'язкості.

приклад 2
Друге комп'ютерне моделювання ставилося до установки продуктивністю 500 т ТПВ в день (на вході), що відповідає варіанту по фіг. 2: при його проведенні використовувалися результати експериментальної перевірки пілотної установки, описані в прикладі 1. Із застосуванням стандартних методів була і знайдена оцінка вартості введення в дію такої установки. Розрахункові сумарні капітальні витрати для установки, інтегрованої з обладнанням для мокрого вилучення ресурсів, склали 29,5 мільйонів доларів США при рівні резервування 15%. Експлуатаційні витрати (включаючи обслуговування) в першому році були оцінені в 10,5 мільйона доларів, включаючи фінансування капітальних витрат, обслуговування кредиту та амортизацію. Це відповідає 63 дол. / Т ТПВ, без обліку виручки від продажу відновлених реціркуліруемих матеріалів і готової паливної суспензії. Беручи, що продажна ціна палива складає 7,73 дол. / Мільйон ккал, чисті експлуатаційні витрати знижуються до 42 дол. / Т ТПВ.

Фіг. 3 ілюструє ще один варіант винаходу, який мінімізує співвідношення між нагріванням і охолодженням і забезпечує пряму теплопередачу, без застосування теплопередающей поверхні. У ньому використовуються деякі елементи і операції, описані з посиланням на фіг. 1, зокрема, підготовчі операції, що включають додавання лугу або солюбілізірующіх агентів, видалення неорганічних речовин, підбір змісту води, зменшення розмірів частинок і / або змішування вуглецевих відходів, низькосортного вугілля, інших викопних палив і їх сумішей. Концепція варіанти по фіг. 3 полягає в просуванні твердих вуглецевих частинок проти градієнта тиску в рідині за допомогою механічних шнеків, так що теплота, що міститься в гарячої рідини, що знаходиться в прямому контакті з Углеродосодержащий твердими частинками, передається їм, забезпечуючи тим самим бажаний нагрів і, отже, реакції карбонізації суспензії.

Як показано на фіг. 3, підготовлена в'язка суспензія вихідного палива подається в установку по каналу 301 і її тиск підвищується до заданого робочого значення в пристрої 302 підвищення тиску. В якості такого пристрою може бути застосований насос, екструдер, шнек або інше відоме пристрій або комбінація цих пристроїв. За допомогою зарядного пристрою 302 знаходиться під тиском в'язка суспензія надходить в вертикальний циліндричний реактор 303, в якому встановлений вертикальний черв'ячний конвеєр, який використовує два обертових вертикальних шнека 304 і 305. Шнеки 304 і 305 обертаються в протилежних напрямках і виконані таким чином, щоб обмежити потік рідини між кожним шнеком і суміжній стінкою реактора. Шнеки 304 і 305 розташовані щодо один одного так, що край лопаті одного шнека майже стосується осі іншого. Шнеки обертаються синхронно, так що замкнені об'єми, що формуються між суміжними витками шнеків, переміщаються в напрямку верхнього кінця реактора 303, де тиск максимально. Як показано на фіг. 4, реактор 303 має форму здвоєного циліндра з мінімальним зазором між витками шнеків і його стінками.

Як пояснювалося раніше, для подачі Углеродосодержащий суспензії до реактору 303 по каналу 301, вона повинна бути досить розведеної, щоб тиск в ній можна було ефективно підвищити. Після підвищення тиску розведеної суспензії в пристрої 302 і подачі її в реактор 303 проводиться її згущення шляхом видалення більшої частини води, доданої для транспортування, через сітчастий фільтр 344. Клапан 308 управління тиском функціонує таким чином, щоб підтримувати значне диференціальне тиск на сітчастому фільтрі 344, так що видалення води здійснюється без зниження тиску в реакторі 303. Виведення доданої для транспортування води призводить до підвищення концентрації в суспензії твердих вуглецевих частинок, які переміщуються від низу до верху обертовими витками шнеків 304 і 305.

Пунктирна лінія 306 відповідає поперечним перерізом реактора 303, в якому протитечія текучого середовища зверху вниз, назустріч потоку концентрованої суспензії від низу до верху, відсутній або мінімальний. Висока концентрованість суспензії може бути досягнута тим, що в перерізі нижче зазначеної лінії крок шнекових витків зроблений прогресивно зменшується, так що суспензія в міру свого руху вгору під дією обертаються шнеків механічно стискається. Така щільно упакована суспензія фактично запобігає стік текучого середовища в цьому перерізі реактора 303. Вище поперечного перерізу 306 витки шнеків мають більший крок, так що механічний тиск на тверду Углеродосодержащий фазу рухається вгору суспензії послаблюється, що дозволяє підвищити вміст рідини в суспензії. Ця більш розбавлена ​​суспензія дозволяє сформувати потік текучого середовища, спрямований під дією градієнта тиску в ній зверху вниз, тобто проти напрямку руху твердих частинок. Оскільки цей потік текучого середовища не може бути нижче перетину 306, він повинен виводиться з реактора через сітчастий екран 345 і далі по каналу 309. Клапан керування 310 служить для забезпечення того, щоб при відведенні текучого середовища всередині реактора 303 забезпечувалося заданий тиск.

Тверді углеродосодержащие частки вище лінії 306 мають можливість захопити якусь кількість води; їх концентрація в суспензії знижується, так що гаряча вода набуває можливість стікати вниз. У міру просування твердих частинок вгору по реактору 303 під дією шнеків 304 і 305 вони контактують з гарячою водою, що тече вниз, нагріваються до необхідної температури карбонізації суспензії, і їх температура наближається до температури гарячої води. Обсяг реактора і швидкість обертання шнеків підбираються так, щоб забезпечити достатній час для завершення цього прямого теплопереносу. Незважаючи на увагу, яку приділяють умовам процесу, коксування суспензії - це форма піролізу, який може призводити до утворення в невеликих кількостях рідких вуглеводнів і / або смоли. Ці нерозчинні матеріали з відносно високою температурою плавлення в міру охолодження продукту можуть привести до забивання наступних ступенів обладнання і можуть призводити до потенційних додаткових витрат на обробку рециркуляционной води. Чтобы предотвратить их, направленный вниз поток горячей воды ниже линии 311 может быть ограничен за счет изменения шага шнеков 304 и 305, так что существенная доля горячей воды удаляется по каналу 312. Устройство 313 управления давлением регулирует скорость потока горячей воды в канале 312 и давление в реакторе 303 выше линии 311. Третий сетчатый фильтр 346, установленный между шнеками 304, 305 и реактором 303, предотвращает вывод из реактора твердых частиц вместе с горячей водой. Витки шнеков 304 и 305 скребут по поверхности фильтра 346, чтобы предотвратить накопление на ней твердых углеродосодержащих частиц. Часть воды, удаляемой из суспензии по каналу 312, может быть подвергнута очистке и/или обработке для того, чтобы удалить и/или разрушить образовавшиеся смолы и/или углеводороды с применением известных методов и/или мокрого окисления, как это было указано при описании фиг. 2. В случае необходимости выведенная горячая вода после ее обработки может быть снова введена в реактор 303 по каналу 343 в точке выше линии 311 с целью обеспечения требуемого нагрева, концентрации твердых частиц и потока воды сверху вниз.

Выше линии 311 твердые углеродосодержащие частицы имеют возможность захватить какое-то количество воды, так что их концентрация падает, и горячая вода имеет возможность стекать вниз. Чтобы скомпенсировать потери тепла и необратимость теплообмена, горячая вода, пар под высоким давлением или другие текучие среды вводятся в реактор 303 по каналу 314. Кроме того, реактор может быть снабжен рубашкой (не изображена) для непрямого нагрева посредством горячей текучей среды в качестве дополнения и/или альтернативы к подводу энергии по каналу 314.

Поведінка Углеродосодержащий суспензії всередині реактора з двома шнеками буде залежати як від розмірів реактора 303 і шнеків 304 і 305, так і від фізичних властивостей твердої і рідкої фаз суспензії. Якщо просвіт між стінками реактора і витками шнеків 304 і 305 практично відсутній і суспензія гранично концентрована, пристрій буде діяти як екструдер і весь матеріал буде транспортуватися в напрямку переміщення порожнин між витками. Якщо ж між шнеками і стінками реактора є великі зазори, а суспензія розбавлена, пристрій буде перемішувати суспензію в міру того, як вона тече зустрічно напрямку переміщення порожнин між витками. Між цими двома процесами існує область таких фізичних параметрів обладнання, які в поєднанні з певними характеристиками суспензії забезпечать бажаний процес зустрічного руху текучого середовища і твердих вуглецевих частинок. Таке зустрічний рух матиме місце, коли поєднання фізичних параметрів і характеристик суспензії забезпечить формування суцільної колони вологих углеродосодержащих частинок по висоті реактора, при наявності достатніх механічних обмежень для формування зворотного потоку твердих частинок. При цьому механічне зусилля, що діє на тверді частинки, має залишатися нижче "порога руйнування", коли це механічне зусилля (зазвичай становить менше 7 кг / см ^2, якщо вимірювати його як тиск в текучої середовищі) пропорційно обсягу видаляється води, а не пов'язане з ним експоненційної залежністю.

Вертикальна колона, утворена зустрічно обертовими шнеками, функціонує таким чином, що рухаються вгору тверді частинки досягають бажаної температури карбонізації суспензії у верхнього кінця реактора 303. Наведений в обертання горизонтальний шнек 316 переміщує тверді углеродосодержащие частки, разом з певним обсягом води, від шнеків 304 і 305 в посудину 307 (який знаходиться практично під тим же тиском, що і реактор 303) і далі до його виходу 347. Обсяг судини 307 і швидкість обертання шнека 316 такі, що забезпечується достатній час для завершення бажаних реакцій карбонізації суспензії. Щоб компенсувати втрати тепла і / або як доповнення до подачі тепла в реактор 303 по каналу 314, гаряча вода і / або пар під високим тиском можуть бути інжектовані по каналу 318 в посудину 317. Крім того, посудину 317 може бути забезпечений сорочкою (НЕ зображена ) для непрямого нагрівання за допомогою гарячої текучого середовища. При певних значеннях температури, тиску і подачі матеріалу в процесі карбонізації суспензії може виявитися доцільним видаляти повністю або частково газ карбонізації та пар з посудини з горизонтальним шнеком по каналу 315.

Стосовно до деяких легко гідролізіруемим відходів добавка лугу до проведення карбонізації суспензії призводить до збільшення кількості розчинних органічних продуктів за рахунок твердого карбонізованого речовини, так що в таких ситуаціях часто представляється кращим зменшити або скасувати добавку лугу в секції приготування суспензії і нейтралізувати кислотні продукти в одній або декількох точках після або під час карбонізації суспензії.

З судини 317 суспензія карбонізованого речовини тече по каналу 319 до холодної частини непрямого теплообмінника 320, де вона охолоджується за допомогою води, повітря або інший холодної текучого середовища, що надходить з каналу 321, до температури середовища. Ця рідка середовище відповідно нагрівається до температури, близької температурі суспензії, і надходить по каналу 322 для подальшого нагріву з метою її використання в якості гарячої води, пари високого тиску і / або інший текучого середовища, інжектіруемого в посудину 317 по каналу 318 і / або в реактор 303 по каналу 314. Теплообмінник 320 може складатися з одного або декількох теплообмінних модулів, встановлених послідовно і / або паралельно.

Охолоджена до відповідної температури в теплообміннику 320, суспензія разом з газом карбонізації тече по каналу 323 до редуктора тиску 324, який знижує тиск в суміші. Пристрій 324 одночасно може служити для зменшення розмірів частинок в суспензії, використовуючи для цього кінетичну енергію, що виділяється при збільшенні об'єму суспензії. Зменшення тиску призводить до збільшення обсягу газу карбонізації та збільшує виділення насиченої пари в результаті випаровування води з суспензії в міру просування суміші до сепаратора 325 газу і суспензії, де відбувається відділення газу і пари, які виводяться з каналу 326. відводяться газ, в основному двоокис вуглецю , представляє деяку теплову цінність і може бути поданий в піч, котел або якесь інше пристрій для утилізації його тепла (НЕ зображено). Крім того, газ і залишковий пар можуть бути спрямовані в пристрій утилізації відчутного і латентного тепла.

Хоча по каналах 307, 310, 312 і 326 з суспензії карбонізованого речовини було видалено значну кількість вологи і розчинених сполук, може виявитися необхідним додаткове концентрування суспензії до необхідної в'язкості. В такому випадку розбавлена ​​суспензія подається від сепаратора 325 по каналу 327 до пристрою 328 концентрації карбонізованого речовини. Концентратор 328 зображений у вигляді центрифуги, але їм може бути і випарник, фільтр або будь-яке інше підходяще пристрій, який відокремлює від суспензії воду. Відокремлена вода скидається в канал 329, тоді як вологе карбонізованого речовина виводиться в трубопровід 330. Концентратор 328 може бути пристосований для промивання вологого карбонізованого речовини перед його виведенням чистої і / або рециркуляционной водою з каналу 331, яка зустрічається з опадами від промивання в каналі 329.

Дистанційна вода подається по каналу 248 в секції приготування суспензії або обробки реціркуліруемая води (не зображені). Може виявитися необхідним видалити розчинні продукти очищення, наприклад, через пристрій 333 керування витратою, щоб запобігти накопичення надлишкових розчинних і суспендованих з'єднань. Ці продукти очищення можуть бути перед їх скиданням піддані обробці, добре відомої в технології обробки води або описаної в патенті США N 4898107. Вологе карбонізованого речовина, падаюче по трубопроводу 330, змішується в змішувачі 334 з чистою і / або рециркуляционной водою з каналу 331 в регульованої пропорції для отримання суспензії необхідної в'язкості. Розширення обсягу та високі швидкості, що виникають в результаті дії редуктора 328, а й роздрібнення під дією шнеків 304, 305 і 316 призводять до значної фрагментації частинок. Проте, може виявитися необхідним забезпечити подальше зменшення розмірів частинок. В такому випадку паливний продукт подається по каналу 335 до калібрувального пристрою 336, в якому відбувається видалення частинок з розмірами, що перевищують необхідні, після чого він подається (в разі необхідності за допомогою води) по каналу 337 ​​до пристрою 338 для зменшення розмірів частинок, з якого суспензія з частинками зменшеного розміру повертається за допомогою насоса 339 рециркуляції суспензії до пристрою 336. Завдяки наявності цього контуру зменшення розмірів частинок максимальний розмір часток в суспензії приводиться у відповідність із заданим діапазоном розмірів, після чого суспензія виводиться по трубопроводу 340 в резервуар 341 зберігання готового продукту, де він накопичується для майбутнього використання або продажу. Резервуар 341 переважно забезпечений змішувачем (змішувачами) або системою рециркуляції для підтримки однорідності продукту. За бажанням, високосортних вугілля і / або інше викопне паливо (в сухому, напіврідкому вигляді або у вигляді суспензії з достатньою енергетичною щільністю), а й рідкі палива, такі як, наприклад, дизельне паливо, можуть змішуватися з готовою суспензією карбонізованого речовини, що міститься в резервуарі 341, минаючи контур карбонізації.

Пристрої 336-339 для зменшення розмірів частинок в деяких випадках можуть бути об'єднані в єдиний пристрій, яке запобігає проходженню занадто великих часток і зменшує їх розміри до допустимих значень. Іноді ж виявляється виправданим подрібнення частинок з розмірами, що лежать в певних інтервалах, для забезпечення оптимального розподілу часток за розмірами, що дозволяє досягти максимальної концентрації твердої фази, тобто максимальної енергетичної щільності при заданої в'язкості.

Хоча значне скорочення змісту неорганічних домішок досягається вже при поділі по щільності, що здійснюється в секції приготування суспензії (НЕ зображена), різке зменшення розмірів частинок в результаті карбонізації суспензії і / або подальшого механічного подрібнення може в деяких випадках привести до вивільнення додаткового неорганічного матеріалу, який може бути виділений (завдяки його щільності, іншим фізичним та / або хімічними властивостями) в будь-якій точці за посудиною 317 і переважно перед сепаратором 328 за допомогою гідроклона, флотаційного або будь-якого іншого відповідного пристрою.

Якщо суспензія карбонізованого речовини виявляється вільної від великих часток, здатних забити обладнання, встановлене по ходу потоку, контур 336-339 зменшення розмірів частинок можна не застосовувати. Якщо вихідна сировина не містить істотної кількості екстрагуються аніонів або ка ТВО нов, суспензія може бути просто доведена до потрібної в'язкості в пристрої 328, замість того, щоб піддаватися повного сепарування з повторним утворенням суспензії в чистій воді. Як варіант, контур 336-339 зменшення розмірів частинок може бути поміщений перед концентратором 328.

Перевага прямого теплообміну над непрямим в даному випадку полягає в скороченні витрат на обладнання в зв'язку з виключенням поверхонь теплопереносу і зниження теплової енергії, необхідної для роботи в стаціонарному режимі. Одна з переваг варіанти винаходу по фіг. 3 складається і в тому, що зміст твердої фази в секції теплообміну в реакторі 303 може підтримуватися на рівні оптимальної концентрації з точки зору ефективного транспортування при дуже малому вплив на теплову економічність.

Как показывает рассмотрение приведенных вариантов осуществления, общая тепловая эффективность сжигания топлива зависит от нескольких факторов, таких как содержание влаги в топливе, степень сгорания углерода, избыток воздуха, температура выводимого дымового газа и паразитные потери, связанные с подачей топлива, вентиляцией, удалением золы, потреблением энергии (включая падение давления) со стороны устройств контроля загрязнения воздуха ( КЗС ) и т. д. Природный газ был назван совершенным топливом, потому что он почти или полностью свободен от влаги, степень сгорания углерода практически равна 100% при номинальном избытке воздуха, температура выводимого дымового газа может быть минимальной при минимальных паразитных потерях, поскольку дымовые газы достаточно чистые (отсутствует зола, низкий уровень эмиссии NO _x и CO ). Беззольное дистиллятное топливо, вероятно, стоит на втором месте. Оно требует несколько повышенного избытка воздуха для полного сгорания и обычно приводит к несколько большим паразитным потерям, чем в случае природного газа в связи с необходимостью применять топливный насос. Для топлив из остаточных нефтепродуктов, практически свободных от влаги, степень сгорания высокая при умеренном избытке воздуха, но могут потребоваться сажеобдувочные устройства. Температура выводимых дымовых газов, как правило, должна быть выше кислотной точки росы, требуется оборудование для контроля над зольными выбросами, например пылеуловитель с тканевыми фильтрами, и, в зависимости от содержания серы, может понадобиться использование извести или применение скрубберов, что означает уровень потерь от низкого до умеренного.

Угольные топлива существенно различаются по зольности, содержанию влаги, серы и азота. В общем случае их наиболее эффективное сгорание достигается с горелками для угольной пыли, которые обеспечивают высокую степень сгорания при умеренном избытке воздуха. Температура выводимых дымовых газов должна быть выше кислотной точки росы. Паразитные потери, включая потери, связанные с измельчителями и устройствами КЗВ , лежат в диапазоне от умеренных до высоких, в зависимости от уровня примесей. В дополнение, угольная пыль требует большего времени пребывания в процессе сжигания, чем природный газ и жидкое топливо. Когда угольное топливо сжигается в слое в механических топках, с применением вибрирующих или движущихся колосниковых решеток, для достижения высокой степени сгорания углерода необходим большой избыток воздуха, и паразитные потери соответственно выше, чем у горелок для угольной пыли.

ТБО , в случае его массового сжигания с использованием движущихся колосниковых решеток или псевдоожиженного слоя или в виде ТИО , обладает самой низкой эффективностью сгорания. Высокое и непостоянное содержание влаги в ТБО требует избытка воздуха на уровне 100-150% , чтобы обеспечить приемлемый уровень сгорания, при значительно более высоких потерях, связанных с измельчителями, конвейерами для твердой фазы, вентиляторами для подачи воздуха, тканевыми фильтрами, устройствами КЗВ для кислого газа, NO _x , следов токсичных металлов и диоксинами. В связи с более значительными объемами дымовых газов, что необходимо для достижения эффективного сгорания углерода и жесткими требованиями по газовым выбросам, паразитные потери возрастают до уровня, почти вдвое превышающего уровень для эквивалентных котлов на угольном топливе.

При использовании настоящего изобретения ТБО и другие низкосортные углеродосодержащие топлива и отходы преобразуются в однородное жидкое топливо, которое может сжигаться подобно жидкому топливу, за исключением того, что может потребоваться увеличение производительности средств по удалению золы (хотя ее уровень остается ниже уровня, типичного для угольной пыли и ТБО ). В дополнение, большинство токсичных металлов и хлор оказываются удаленными из готовой суспензии, что упрощает или даже делает необязательным применение систем контроля выбросов этих веществ. Реакционная способность настолько высока, что практически 100% сгорание углерода достигается при избытке воздуха не выше 15% . В отличие от существующей практики, не требуется никаких устройств КЗВ для кислого газа или NO _x . Единственным фактором, снижающим эффективность, является содержание влаги порядка 50% .

Чтобы оценить показатели, достигаемые при использовании настоящего изобретения, была проведена карбонизация суспензии применительно к образцам ТИО , бурого угля и смеси, содержащей 50% бурого угля ( БУ ) и 50% ТИО (по сухому весу) в лабораторной установке и в непрерывной пилотной установке, упомянутой в Примерах 1 и 2 . В таблице 1 приведены предельные содержания (в весовых % , при нулевой влажности), теплоты сгорания (в сухом виде и в суспензии) и реологические характеристики исходного топлива и конечного карбонизованного продукта ( КП ). Карбонизованный продукт из бурого угля и смеси БУ/ТИО был получен на лабораторной установке, а из ТИО - на пилотной.

Путем карбонизации суспензии было достигнуто снижение содержания кислорода для каждого углеродосодержащего топлива, тогда как в сухом состоянии теплота сгорания карбонизованного продукта была увеличена. Кислород выводился из твердых углеродосодержащих частиц в виде газа - двуокиси углерода. Применительно к ТИО содержание кислорода было понижено на 64% (в расчете на сухой вес), а теплота сгорания увеличилась на 72% (в расчете на сухой вес). Кроме того, за счет использования настоящего изобретения содержание твердой фазы в суспензии карбонизованного продукта было повышено до 51,8% по весу, т. е. более чем на 460% относительно суспензии исходного топлива. Теплота сгорания суспензии карбонизованного вещества составила 3670 ккал/кг суспензии. Содержание твердой фазы в смеси бурый уголь/ ТИО было выше, чем в суспензии из каждого компонента в отдельности, что обусловлено бимодальным распределением частиц смеси по размерам. В отдельных экспериментах по оценке эффективности размалывания влажного карбонизованного ТИО содержание твердой фазы в суспензии исходного продукта составляло 49,2% по весу, тогда как размалывание позволяло довести это содержание до 51,8% по весу при той же вязкости.

При обработке согласно настоящему изобретению концентрация хлора в карбонизованном ТИО в случае добавления гидроксида натрия ( NaOH ) была уменьшена на 85% по сравнению с исходным ТИО . При добавлении к исходной суспензии извести ( CaO ) содержание хлора было уменьшено на 91% . В отдельных экспериментах карбонизованный продукт промывался водой, не содержащей хлора, и содержание хлора было дополнительно понижено. Содержание хлора в карбонизованном продукте из смеси бурый уголь/ ТИО было ниже, чем при использовании только ТИО (в случае добавления в исходную суспензию CaO и NaOH ) благодаря тому, что содержащиеся в буром угле щелочи реагировали с хлором.

Чтобы подтвердить высокое качество топливной суспензии, полученной согласно настоящему изобретению, суспензия карбонизованного вещества, которая была получена в экспериментах на пилотной установке, упомянутой в примерах 1 и 2 , сжигалась в имитаторе котла для угольной пыли ( УП ) с производительностью 164000 ккал/час . Кроме того, суспензия, полученная из ТИО описанным способом, смешивалась с 7,5% дизельным топливом ( ДТ ) и сжигалась в том же имитаторе. Далее, суспензии, полученные из бурого угля, ТИО и смеси 50% бурого угля с 50% ТИО (по сухому весу), сжигались под давлением в экспериментальном реакторе с псевдоожиженным слоем ( РСПС ). Условия сжигания и содержание примесей в дымовом газе без применения каких-либо устройств КЗВ приведены в таблице 2 .

Эмиссия примесей при сжигании всех пяти топливных суспензий была исключительно низкой. Несмотря на то, что избыток воздуха составлял только 15,0-40,3% , выброс окиси углерода ( СО ) для топливных суспензий на базе ТИО был на 67-96% ниже уровня в соответствии с Новыми Стандартами Качества Выбросов для Муниципальных Мусоросжигателей ( НСКВ, США, 1994 г. ). Такой низкий уровень выбросов СО был достигнут благодаря высокой реактивности суспензии карбонизованного вещества (высокому содержанию летучей компоненты по сравнению с фиксированным углеродом), повышенной однородности, улучшенному смешиванию топлива с воздухом.

Поскольку при карбонизации суспензии экстрагируется значительная доля хлора, серы и анионов/ка ТИО нов токсичных металлов, выбросы HCL были существенно ниже требований, даже без применения селективных некаталитических или каталитических методов уменьшения выбросов. Хотя измеренное содержание SO ₂ в выбросах для суспензий из ТИО слегка превышало требования НСКВ , нужно учесть, что эти требования соответствуют доле допустимой концентрации для котлов, работающих на угле, согласно Дополнениям к Закону о Чистом Воздухе ( ДЗЧВ ). Для карбонизованной суспензии на базе смеси бурый уголь/ ТИО выбросы были на 72% ниже, чем для суспензии на базе бурого угля, причем в обоих случаях они соответствовали требованиям Фазы II ДЗЧВ . Без применения карбонизации суспензии выбросы SO ₂ от исходного бурого угля или смеси бурый уголь/ ТИО не отвечали бы этим требованиям. Далее, выбросы ртути ( Hg ) для топливных суспензий на базе карбонизованного ТИО были на 95% ниже уровня, предусмотренного НСКВ , благодаря выведению значительной части ртути во время операций извлечения ресурсов и карбонизации суспензии.

Версія для друку
Дата публикации 06.11.2006гг

НОВІ СТАТТІ ТА ПУБЛІКАЦІЇ
	Технологія виготовлення універсальних муфт для бесварочного, безрезьбовиє, бесфлянцевого з'єднання відрізків труб в трубопроводах високого тиску (мається відео)
	Технологія очищення нафти і нафтопродуктів
	Про можливість переміщення замкнутої механічної системи за рахунок внутрішніх сил
	Світіння рідини в тонких діелектричних каналох
	Взаємозв'язок між квантової і класичної механікою
	Міліметрові хвилі в медицині. Новий погляд. ММВ терапія
	магнітний двигун
	Джерело тепла на базі нососних агрегатів