Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
RAPID PYROLYSIS METHOD AND INSTALLATION FOR THE IMPLEMENTATION THEREOF
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/074468
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention can be used in the chemical industry. The rapid pyrolysis installation includes a unit for supplying feedstock, a vibrating fluidised-bed dryer (3), a centrifugal cyclone separator (6), a hopper (7), screw feeders (8) and a rapid pyrolysis reactor (9), positioned in the above sequence. The rapid pyrolysis reactor (9) is connected to gas burners (10), to a solids trap (11) and to tubular heat exchangers (12). With the aid of radial fans (18), a drying agent, obtained during the combustion of natural gas in the gas burners, is supplied via the heat exchangers to the vibrating fluidised-bed dryer (3) in order to dry out the solid organo-containing feedstock and waste. The pyrolysis gas obtained from the dried-out feedstock in the rapid pyrolysis reactor, is supplied, via the heat exchangers (12), to a fractionating column (13) in order to separate out liquid fractions of different density, and to a tubular condenser in order to separate out synthesis gas. The proposed invention makes it possible to increase the output of pyrolysis gas whilst minimising heat energy costs, as well as to obtain liquid fractions of different density.

Inventors:
KOTELNIKOV VLADIMIR ALEKSANDROVICH (RU)
KUKHALASHVILI KHATUNA SANISAROVNA (UA)
GUMENYUK OLEKSANDR MYKOLAIOVYCH (UA)
Application Number:
PCT/UA2018/000032
Publication Date:
April 18, 2019
Filing Date:
April 02, 2018
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
KOTELNIKOV VLADIMIR ALEKSANDROVICH (RU)
KUKHALASHVILI KHATUNA SANISAROVNA (UA)
GUMENYUK OLEKSANDR MYKOLAIOVYCH (UA)
International Classes:
F23G5/02; B09B3/00; F23G5/027; F23G5/04
Foreign References:
RU2451880C22012-05-27
RU2121516C11998-11-10
RU137086U12014-01-27
RU2223301C12004-02-10
US20120137939A12012-06-07
US4568362A1986-02-04
Attorney, Agent or Firm:
LISNA, Tetyana Leonidivna (UA)
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ быстрого пиролиза, включающий переработку в реакторе твердого органосодержащего сырья и отходов в газообразное и жидкое топливо с последующим направлением полученных газообразных фракций на переработку, отличающийся тем, что сначала установку быстрого пиролиза с помощью газораспределительной системы на базе газовых горелок, системы теплообменников и радиальных вентиляторов выводят на рабочий режим, высокотемпературную воздушную смесь, образовавшуюся в результате сгорания природного газа в газовых горелках, впитывают радиальные вентиляторы и через теплообменники направляют в вибрационную сушилку кипящего слоя, после установления стабильного режима работы в реакторе и в вибрационной сушилке кипящего слоя включают устройство пневмоимпульсной подачи сырья в вибрационную сушилку кипящего слоя, которую выводят на вибрационный режим, высушенный продукт с помощью системы - реакторного центробежного циклона, бункера реакторного центробежного циклона и винтовых питателей направляют в реактор быстрого пиролиза, где подвергают термической деструкции, в процессе быстрого пиролиза вещества в реакторе быстрого пиролиза образуются пиролизный газ и твердое вещество - высокоуглеродистый материал, который выводят из реактора быстрого пиролиза в сборник твердой фракции для дальнейшего использования, а пиролизный газ через теплообменники направляют в ректификационной колонны с вихревыми тарелками и конденсатором с водяным охлаждением, пиролизный газ, проходя ректификационную колонну, подвергается процессу конденсации, и на выходе конденсатора образуется синтез-газ, который выводят из установки быстрого пиролиза в сборник газовой фракции для сбора и хранения и дальнейшего использования в различных энергетических системах в качестве источника генерации тепловой и электрической энергии.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в рабочем режиме температура внутренних стенок реактора быстрого пиролиза составляет 730°С, температура в вибрационной сушилке кипящего слоя составляет 130°С.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для более эффективного процесса сушки исходного материала в сушилке кипящего слоя применят вибраторы, при этом амплитуда принудительной вибрации решеток составляет от 0,5 - 3,0 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что сушильный агент имеет температуру до

200°С.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что контроль температур в реакторе быстрого пиролиза и вибрационной сушилке кипящего слоя осуществляют с помощью многоканального цифрового измерителя, термопар типа ТХА.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что агент сушки с помощью системы центробежных циклонов выводят из установки быстрого пиролиза для дальнейшего использования.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что выносные частицы из центробежных циклонов поступают в бункеры, и в дальнейшем их направляют в систему подачи.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что отвод избытка тепловой энергии обеспечивают отключением работы газовых горелок.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление температурным режимом конденсатора проводят холодной водой, при этом образовавшуюся горячую воду утилизируют или используют для производственных нужд.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкую фракцию - синтетическую нефть, образовавшуюся в ректификационной колонне, выводят из установки быстрого пиролиза в сборник жидкой фракции для сбора и хранения и дальнейшего использования ее в химических процессах.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что газовые горелки имеют регулируемую мощность 40-110 кВт;

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что электрическая мощность радиального вентилятора составляет 4,0 кВт, а регулирование продуктивной мощностью радиального вентилятора проводят частотной модуляцией.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что винтовые питатели имеют управления частотной модуляцией.

14. Установка быстрого пиролиза, включающий блок подачи исходного сырья, реактор, блок нагрева, конденсатор, сборник жидкой фракции, отличающаяся тем, что в установку включены вибрационная сушилка кипящего слоя, два теплообменника, радиальные вентиляторы, ректификационная колонна, а также центробежные циклоны, бункеры, винтовые питатели, сборник твердой фракции, сборник газовой фракции, как блок подачи исходного сырья использован приемный бункер с ворошителем и подвижным днищем с дробилкой и сепаратором, соединенным с устройством пневмоимпульсной подачи сырья, соединенным с вибрационной сушилкой кипящего слоя, соединенной с двумя центробежными циклонами, соединенными с бункерами центробежных циклонов, сушилка кипящего слоя соединена с реакторным центробежным циклоном, соединенным с бункером реакторного центробежного циклона, соединенным с винтовыми питателями со шлюзовым герметичным затвором, соединенными с реактором быстрого пиролиза, который соединен с газовыми горелками, сборником твердой фракции, двумя теплообменниками, что соединены с ректификационной колонной, которая, в свою очередь, соединена с винтовой тарелкой, со сборником жидкой фракции, с водяным трубчатым конденсатором, соединенным со сборником газовой фракции, а теплообменники также соединены с двумя радиальными вентиляторами, соединенными с вибрационной сушилкой кипящего слоя.

15. Установка по п.14, отличающаяся тем, что внутрь реактора быстрого пиролиза введен вращательный «конус-зонтик», управляемый внешним двигателем с частотной модуляцией.

16. Установка по п.14, отличающаяся тем, что теплообменники выполнены трубчатыми.

17. Установка по п.14, отличающаяся тем, что радиальный вентилятор покрыт теплоизоляционным материалом.

18. Установка по п.14, отличающаяся тем, что выполнение радиального вентилятора - взрьгоозащищенное, взрывобезопасное.

19. Установка по п.14, отличающаяся тем, что сборник твердой фракции состоит из управляемого затвора, изготовленного из жаропрочной, стали, герметичного секторного шлюза - дозатора, изготовленного из жаропрочной, стали и съемной технологической емкости на 170 л, оснащенной аварийным клапаном сброса давления.

20. Установка по п.14, отличающаяся тем, что сборник жидкой фракции представляет собой стеклянную емкость на 20 л.

21. Установка по п.14, отличающаяся тем, что сборник представляет собой систему газового компрессора и газгольдера емкостью на 6- Юм3.

Description:
СПОСОБ БЫСТРОГО ПИРОЛИЗА И УСТАНОВКА

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области переработки твердых органических веществ, в частности, к технике переработки древесины, продуктов растениеводства, органосодержащего ископаемого топлива, а также промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие, в частности, к способам и установкам быстрого пиролиза, и может найти применение в энергетике, коммунальном хозяйстве, химической, лесо- и нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности.

Известен способ переработки твердых органосодержащих веществ и отходов в газообразное и жидкое топливо путем нагревания их с заданной скоростью нагрева, с последующим направлением полученных газообразных фракций для дальнейшей переработки конденсацией. Органосодержащие вещества и отходы измельчают до размеров частиц 0,05-5,00 мм, а высокоскоростной нагрев осуществляют без доступа воздуха со скоростью нагрева 10-10 "6 град/с при температуре 751-1000°С в течение 10- 10-5с, очистку полученного газообразного топлива осуществляют путем пропуска через жидкую фракцию предварительно сконденсированного топлива, при этом органосодержащее вещество и отходы прессуют между вращающимися валами при температуре валов 751-1000°С в течение 10-10-5с, а скорость подачи органосодержащих веществ и отходов устанавливают в пределах V=(0,02-0,2)D, где V - скорость подачи, м/с, D - диаметр валов, см, при скорости вращения валов 1-100 об/мин.

Устройство для осуществления указанного способа включает блок измельчения, блок подачи органосодержащих веществ и отходов в реактор, блок нагрева валов камеры реактора с помощью узла нагрева, выполненного в виде электрического индуктора, блок подпрессовки вращающихся валов, блок очистки, приемник-конденсатор жидкой фракции сконденсированного газообразного топлива, блок использования газообразного топлива, устройство конденсации жидкой фракции, соединенный с устройством очистки. Скорость вращения валов регулируется оборотами электродвигателя [RU N° 2281312 С2, С10В 49/00, С10В 53/00, C08J 11/12, F23G 5/027, 2006].

В указанном способе недостаточна активная площадь реакций быстрого пиролиза, что приводит к уменьшению объемов выхода пиролизного газа, а также массы высокоуглеродистой твердого вещества. Отсутствие отдельного блока сушки исходного сырья повышает расходы тепловой энергии на сушку вещества (эндотермический процесс), а также не может воспрепятствовать нежелательному процессу Фишера-Тропша.

Отсутствие ректификационной колонны с вихревыми тарелками не позволяет получать жидкие фракции различной плотности, а также осушать и очищать газовую фракцию, образовавшуюся в процессе пиролиза в реакторе.

При отсутствии теплообменников и вентиляторов невозможно образование агента сушки и получение дополнительной тепловой энергии на сушку исходного вещества.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа быстрого пиролиза для увеличения объема выхода пиролизного газа, минимизации затрат тепловой энергии и снижение себестоимости исходных продуктов быстрого пиролиза, а также получения жидких фракций различной плотности.

Вторая задача, поставленная в основу изобретения, - это создание установки быстрого пиролиза для осуществления способа, который способствовал бы благодаря введению новых элементов конструкции увеличению объема выхода пиролизного газа, минимизации затрат тепловой энергии и снижению себестоимости исходных продуктов быстрого пиролиза.

Поставленную задачу решают тем, что в способе быстрого пиролиза, включающем переработку в реакторе твердого органосодержащего сырья и отходов в газообразное и жидкое топливо с последующим направлением полученных газообразных фракций на переработку, согласно изобретению, сначала установку быстрого пиролиза с помощью газораспределительной системы на базе газовых горелок, системы теплообменников и радиальных вентиляторов выводят на рабочий режим, высокотемпературную воздушную смесь, образовавшуюся в результате сгорания природного газа в газовых запальниках, впитывают радиальные вентиляторы и через теплообменники направляют в вибрационную сушилку кипящего слоя, после установления стабильного режима работы в реакторе и в вибрационной сушилке кипящего слоя включают устройство пневмо-импульсной подачи сырья в вибрационную сушилку кипящего слоя, которую выводят на вибрационный режим, высушенный продукт с помощью системы - реакторного центробежного циклона, бункера реакторного центробежного циклона и винтовых питателей направляют в реактор быстрого пиролиза, где подвергают термической деструкции, в процессе быстрого пиролиза вещества в реакторе быстрого пиролиза образуются пиролизный газ и твердое вещество - высокоуглеродистый материал, который выводят из реактора быстрого пиролиза в сборник твердой фракции для дальнейшего использования, а пиролизный газ через теплообменники направляют в ректификационную колонну с вихревыми тарелками и конденсатором с водяным охлаждением, пиролизный газ, проходя ректификационную колонну, подвергается процессу конденсации, и на выходе конденсатора образуется синтез-газ, который выводят из установки быстрого пиролиза в сборник газовой фракции для сбора и хранения для дальнейшего использования в различных энергетических системах в качестве источника генерации тепловой и электрической энергии.

В рабочем режиме температура внутренних стенок реактора быстрого пиролиза составляет 730°С, температура в вибрационной сушилке кипящего слоя составляет 130°С.

Для более эффективного процесса сушки исходного материала в сушилке кипящего слоя применят вибраторы, при этом амплитуда принудительной вибрации решеток составляет от 0,5-3,0 мм.

Сушильный агент имеет температуру до 200°С.

Контроль температур в реакторе быстрого пиролиза и вибрационной сушилке кипящего слоя осуществляют с помощью многоканального цифрового измерителя, термопар типа ТХА.

Агент сушки с помощью системы центробежных циклонов выводят из установки быстрого пиролиза для дальнейшего использования.

Выносные частицы из центробежных циклонов поступают в бункеры, и в дальнейшем их направляют в систему подачи.

Отвод избытка тепловой энергии обеспечивают отключением работы газовых горелок.

Управление температурным режимом конденсатора проводят холодной водой, при этом образовавшуюся горячую воду утилизируют или используют для производственных нужд.

Жидкую фракцию - синтетическую нефть, образовавшуюся в ректификационной колонне, выводят из установки быстрого пиролиза в сборник жидкой фракции для сбора и хранения и дальнейшего использования ее в химических процессах.

Газовые горелки имеют регулируемую мощность 40-110 кВт;

Электрическая мощность радиального вентилятора составляет 4,0кВт, а регулирование продуктивной мощностью радиального вентилятора проводят частотной модуляцией.

Винтовые питатели имеют управления частотной модуляцией.

Вторую поставленную задачу решают тем, что в установку быстрого пиролиза, включающую блок подачи исходного сырья, реактор, блок нагрева, конденсатор, _

4

сборник жидкой фракции, согласно изобретению, введены вибрационная сушилка кипящего слоя, два теплообменника, радиальные вентиляторы, ректификационная колонна, а также центробежные циклоны, бункеры, винтовые питатели, сборник твердой фракции, сборник газовой фракции, как блок подачи исходного сырья использован приемный бункер с ворошителем и подвижным днищем с дробилкой и сепаратором, соединенным с устройством пневмо-импульсной подачи сырья, который соединен с вибрационной сушилкой кипящего слоя, соединенной с двумя центробежными циклонами, соединенными с бункерами отцентрованных циклонов, сушилка кипящего слоя соединена с реакторным центробежным циклоном, соединенным с бункером реакторного центробежного циклона, соединенным с винтовыми питателями со шлюзовым герметичным затвором, соединенными с реактором быстрого пиролиза, соединеным с газовыми горелками, сборником твердой фракции, двумя теплообменниками, что соединены с ректификационной колонной, которая, в свою очередь, соединена с винтовой тарелкой, со сборником жидкой фракции, с водяным трубчатым конденсатором, соединенным со сборником газовой фракции, а теплообменники также соединены с двумя радиальными вентиляторами, соединенными с вибрационной сушилкой кипящего слоя.

Внутрь реактора быстрого пиролиза введен вращательный «конус-зонтик», управляемый внешним двигателем с частотной модуляцией.

Теплообменники выполнены трубчатыми.

Радиальный вентилятор покрыт теплоизоляционным материалом.

Выполнение радиального вентилятора взрывозащищенное, взрывобезопасное.

Сборник твердой фракции состоит из управляемого затвора, изготовленного из жаропрочной, стали, герметичного секторного шлюза - дозатора, изготовленного из жаропрочной, стали и съемной технологической емкости на 170 л, оснащенной аварийным клапаном сброса давления.

Сборник жидкой фракции представляет собой стеклянную посуду на 20 л.

Сборник представляет собой систему газового компрессора и газгольдера емкостью на 6-10 м 3 .

Заявляемые изобретения имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом.

Полезная активная площадь реакций быстрого пиролиза в 10 раз превышает площадь прототипа, что приводит к кратному увеличению объемов выхода пиролизного газа, а также массы высокоуглеродистого твердого вещества. Вся внутренняя _

5 поверхность реактора быстрого пиролиза является активной для процесса абляции от стенок реактора до исходного сухого вещества, что, в свою очередь, позволяет резко увеличить (кратно) количество реакций в режиме «взрывного вскипания» в единицу времени. «Разбрызгивание» сухого исходного вещества по стенкам реактора быстрого пиролиза осуществляют с помощью вращательного «конуса-зонтика», введенного внутрь реактора и управляемого внешним двигателем с частотной модуляцией.

Введение в установку быстрого пиролиза вибрационной сушилки кипящего слоя, предназначенной для сушки исходного вещества до относительной влажности, менее 2%, позволяет минимизировать расходы тепловой энергии на сушку вещества (эндотермический процесс), а также блокирует процесс Фишера-Тропша, который является нежелательным в процессе быстрого пиролиза. Радиальные вентиляторы, обеспечивающие кипящий слой, засасывают горячую газовоздушную смесь и смешивают с холодным воздухом, тем самым образуя агент сушки, который подают в сушилку под вибрационные решетки. Температурный режим сушки исходных веществ составляет 120-150°С. Таким образом, сушку осуществляют за счет «бесплатной» тепловой энергии, что позволяет (в конечном итоге) снизить себестоимость исходных продуктов быстрого пиролиза в 2 раза. Отдельная стадия сушки при вышеприведенных температурах исключает образование процесса бертенирования. Преимуществом вибрационной сушилки кипящего слоя (с псевдоожиженным слоем) является возможность регулирования в широких пределах продолжительности пребывания в ней сырья, интенсивность тепло- и массообмена, возможность организовать непрерывный процесс при простом аппаратурном оформлении. Производительность вибрационной сушилки кипящего слоя, по сухому веществу, составляет не менее 250 кг в час.

В установке быстрого пиролиза применяют комбинированные газовые горелки, которые на начальном этапе работают, используя природный газ (или пропан-бутановая смесь), а при постоянном процессе быстрого пиролиза используют часть газа, образовавшегося в процессе быстрого пиролиза.

Включение в установку быстрого пиролиза ректификационной колонны с вихревыми тарелками позволяет получать жидкие фракции различной плотности, а также осушать и очищать газовую фракцию, образовавшуюся в процессе быстрого пиролиза в реакторе быстрого пиролиза. Использование вихревого способа ректификации позволяет получать жидкие фракции в интервале 0,65-0,85 кг/м 3 .

Включение в установку быстрого пиролиза для обеспечения тепловых процессов сушки теплообменников (трубчатых) и радиальных вентиляторов способствует образованию агенту сушки. Кроме того, по внутренним трубкам теплообменников протекает пиролизный газ из реактора быстрого пиролиза с температурой до 600°С, и система вентилятор-теплообменник получает дополнительную тепловую энергию на сушку исходного вещества.

Установка быстрого пиролиза может масштабироваться, изготавливаться как в стационарном исполнении, так и в мобильном (контейнерном) мощностью от 100 кВт до 20 МВт.

Изобретение поясняется иллюстрациями.

На Фиг.1 изображена схема установки быстрого пиролиза (УБП);

на Фиг.2 показан график перепада давления в слое зернистого материала в вибрационной сушилке кипящего слоя в зависимости от скорости газового (жидкостного) потока, проходящего через слой.

Установка быстрого пиролиза содержит приемный бункер 1 с ворошителем и подвижным днищем с дробилкой и сепаратором. Приемный бункер 1 соединен с устройством 2 пневмоимпульсной подачи сырья, которая соединена с вибрационной сушилкой 3 кипящего слоя, соединенной с двумя центробежными циклонами 4, соединенными с бункерами 5 центробежных циклонов. Сушилка 3 кипящего слоя соединена с реакторным центробежным циклоном 6, соединенным с бункером 7 реакторного центробежного циклона, соединенным с винтовым питателем 8 со шлюзовым герметичным затвором, соединенным с реактором 9 быстрого пиролиза. Внутрь реактора 9 быстрого пиролиза введен вращательный «конус-зонтик», управляемый внешним двигателем с частотной модуляцией. Реактор 9 быстрого пиролиза сопряжен с газовыми горелками 10, сборником 11 твердой фракции, двумя теплообменниками (трубчатыми) 12, соединенными с ректификационной колонной 13, которая, в свою очередь, соединена с винтовой тарелкой 14 со сборником 15 жидкой фракции с водяным трубчатым конденсатором 16, соединенным со сборником 17 газовой фракции. Теплообменники 12 также соединены с двумя радиальными вентиляторами 18, которые соединены с вибрационной сушилкой 3 кипящего слоя.

Радиальные вентиляторы 18, предназначенные для обеспечения сушилки 3 кипящего слоя сушильным агентом, имеют температуру до 200°С. Рабочий диапазон производительной мощности радиального вентилятора 18 должен начинаться с 4000 м 3 в час. Радиальный вентилятор покрыт теплоизоляционным материалом. Температура на поверхности внешнего покрытия не должна превышать 45 °С. Регулирование продуктивной мощностью радиального вентилятора проводят частотной модуляцией. Питание - электросеть 380/220В, 50Гц. Электрическая мощность радиального вентилятора составляет 4,0 кВт. Исполнение - взрывозащищенное, взрывобезопасное.

Центробежный циклон 4 предназначен для разделения сухого вещества и сушильного агента с целью устранения попадания сушильного агента в реактор 13 быстрого пиролиза. Центробежный циклон 4 покрыт теплоизоляционным материалом, при этом температура на поверхности внешнего покрытия не должна превышать 45°С.

Сборник 1 1 твердой фракции предназначен для сбора и временного накопления высокоуглеродистого материала, поступающего из реактора 9 быстрого пиролиза с температурой 500-650°С, в результате чего любое столкновение воздуха (даже в небольших количествах) с высокоуглеродистым материалом приводит к взрывному возгорания последнего. Для исключения подобного явления необходимо изолировать высокоуглеродистый материал от наружного воздуха до момента, когда его температуры достигнет 100°С.

Сборник 11 твердой фракции состоит из:

- управляемого затвора, изготовленного из жаропрочной, стали и регулируемого с помощью частотной модуляции (вариатор скорости);

- герметичного секторного шлюза - дозатора, изготовленного из жаропрочной, стали и регулируемого частотной модуляцией;

- съемной технологической емкости на 170 л, оснащенной аварийным клапаном сброса давления.

Газораспределительная система предназначена для подвода тепловой энергии в реактор 9 быстрого пиролиза с целью обеспечения процесса быстрого пиролиза и состоит из:

- автоматических газовых горелок 10 с регулируемой мощностью 40-110 кВт;

- устройства согласования промышленного газопровода с газовыми горелками. Сборник 15 жидкой фракции предназначен для сбора и временного хранения фракций синтетической нефти, поступающих из ректификационной колонны 13, и представляет собой стеклянную емкость на 20 л.

Сборник 17 газовой фракции предназначен для сбора, накопления и хранения синтез-газа и представляет собой систему газового компрессора и газгольдера емкостью на 6-10 м 3 .

Устройство подачи материала в реактор 9 состоит из:

- 2-х винтовых питателей 8 с управлением частотной модуляцией;

- 2-х управляемых затворов (изготовленных из жаропрочной стали), регулируемых с помощью частотной модуляции (вариатор скорости); - 2-х герметичных секторных шлюзов-дозаторов (изготовленных из жаропрочной стали), регулируемых частотной модуляцией.

Способ быстрого пиролиза осуществляют следующим образом.

Сначала установку быстрого пиролиза (УБП) с помощью газораспределительной системы на базе автоматических газовых горелок 10 (топливо - природный газ), системы теплообменников 12 и радиальных вентиляторов 18 выводят на рабочий режим: температура внутренних стенок реактора 9 быстрого пиролиза составляет 730°С; температура в вибрационной сушилке 3 кипящего слоя - 130°С. При этом вибраторы вибрационной сушилки 3 кипящего слоя и система подачи сырья находятся в режиме выключено (все время вывода УБП на рабочий режим). Высокотемпературная воздушная смесь, образовавшаяся в результате сгорания природного газа в газовых горелках 10, всасывается радиальными вентиляторами 18 через теплообменники 12 и направляется в вибрационную сушилку 3 кипящего слоя, будучи тепловым агентом сушилки. Контроль температур в реакторе 9 и вибрационной сушилке 3 кипящего слоя осуществляют с помощью многоканального цифрового измерителя, с помощью термопар типа ТХА (не показаны). После установления стабильного режима работы в реакторе 13 и в вибрационной сушилке 3 кипящего слоя включают устройство 2 пневмоимпульсной подачи сырья в вибрационную сушилку 3 кипящего слоя, которую выводят на вибрационный режим. Высушенный продукт с помощью системы - реакторного центробежного циклона 6, бункера 7 реакторного центробежного циклона и винтового питателя 8 направляют в реактор 13 быстрого пиролиза, где подвергают термической деструкции. Агент сушки с помощью системы циклонов 4 выводят из УБП и могут в дальнейшем использовать в различных целях. Выносные частицы из циклонов 4 поступают в бункеры 5 и в дальнейшем могут быть направлены в систему подачи.

Передачу тепловой энергии внутрь реактора 13 абляционного типа (на начальном этапе) проводят с помощью конвективных теплообменников.

Процесс быстрого пиролиза основан на теории фазовых переходов. Физико- химически представляет собой разрыв межмолекулярных и внутримолекулярных связей по цепочкам углерод-углерод, углерод-водород и т.п. При этом реакции носят преимущественно экзотермический характер, поэтому процесс быстрого пиролиза сопровождается выделением тепловой энергии, за счет чего обеспечивается поддержание необходимого рабочего температурного режима всего процесса, что существенно отличает его от медленного традиционного пиролиза.

При быстром пиролизе (БП) скорость нагрева вещества велика. ШП характеризуется непрерывным производством и невысокой энергоемкостью. Теоретически основы БП описываются теорией фазовых переходов, а именно:

- все вещества могут находиться в твердом, жидком и газообразном состоянии;

- между этими состояниями существуют пределы;

- переход вещества из одного состояния в другое сопровождается или поглощением тепловой энергии, или выделением ее;

- существует предел существования самого вещества (спинодаль), при приближении к которому вещество находится в метастабильном (неопределенном) состоянии, со структурными изменениями как на молекулярном, так и на атомарном уровне;

- если воздействовать на вещество с высокой скоростью, высокой температурой (достаточной для приближения вещества к пределу существования), то происходит взрывное «закипание» (фазовый взрыв), сопровождаемое выделением большого количества тепловой энергии и изменением структуры вещества.

За время контакта (абляции) частица получает достаточное количество энергии для запуска радикально-цепной реакции термической деструкции по всему объему частицы с образованием продуктов, поступательная энергия которых обеспечивает взрывной характер распада всей частицы. Первичный физико-химический акт представляет собой гетерогенный процесс передачи тепловой энергии от нагретого металла на прилегающий к нему поверхностный слой клетчатки. Передача энергии может происходить по трем механизмам:

- в местах прямого контакта через фононы-фононные взаимодействия;

- диполь - дипольные взаимодействия;

- по всей площади контакта путем ИК-излучения.

Первый и третий механизмы будут приводить к повышению температуры в объеме и в приповерхностном слое частицы.

На фоне достаточно изотропного колебательного возбуждения молекулярной структуры частицы фононами и ИК-фотонами резонансный характер второго механизма обеспечит высокую константу скорости гомолитических реакций разрыва связей с образованием радикальных продуктов.

Зная температуру металла, можно оценить энергию инфракрасных фотонов: hv = kT = l ,38 10-16 900-1,3 10-13 эрг = 0,08 еВ.

А используя закон Стефана-Больцмана, можно оценить интенсивность стационарного потока ИК-энергии: J = aT4 = 5,7 10-8 107 10-4 6 1011 = 3,4 107 эрг / см 2 с.

Соответственно поток ИК-фотонов с энергией 0,08 еВ составляет:

N = J/hv = 3 1020 квантов / см 2 с ~ 5 10-4 1 / (моль см 2 с)

Глубину поверхностного слоя частицы, в котором поглотится 90% ИК-фотонов, можно оценить по формуле:

I/Io = exp (-ed [с]) ~ 0,1 , в которой ε - коэффициент экстинкции (~ 104 моль / л см [5]), [с] - концентрация молекулярных связей (~ 10-1 моль/л). Оценка дает d ~ 10-2 см.

Отсюда следует, что в приповерхностном слое частицы толщиной d за время контакта около 0,1 с концентрацией ИК-фотонов может достичь величины ~ 5 моль/л, то есть на каждую связь придется по 60 ИК-квантов. Обычно по мере деструкции поглощенная ИК-энергия будет быстро релаксировать в поступательную энергию подвижных продуктов пиролиза. При этом приповерхностный слой будет просветляться в ИК-диапазоне и фронт радикальных реакций деструкции быстро распространится по всему объему частицы, и приведет к повышению ее температуры. Итогом процессов релаксации колебательной энергии в поступательную будет взрывной распад частицы на фрагменты различного химического состава. При таком «энтропийном взрыве» выделяется тепловая энергия, вызывающая повышение температуры в реакторе 9 быстрого пиролиза. Так как температура внутри реактора 9 быстрого пиролиза должна быть постоянной, необходимо предусматривать механизм отвода избытка тепловой энергии, что обеспечивается отключением работы газовых горелок 10, автоматика которых связана с термопарами реактора 9 быстрого пиролиза. В процессе быстрого пиролиза вещества в реакторе 9 быстрого пиролиза образуются: пиролизный газ и твердое вещество - высокоуглеродистый материал, который выводят из реактора 9 быстрого пиролиза в сборник 11 твердой фракции для дальнейшего использования в различных целях.

Пиролизный газ через теплообменники 12 поступает в ректификационную колонну 13 с вихревыми тарелками и конденсатором с водяным охлаждением. Управление температурным режимом конденсатора проводят холодной водой (водопроводной), при этом образовавшуюся горячую воду утилизируют или используют для производственных нужд. Пиролизный газ, проходя ректификационную колонну 13, подвергается процессу конденсации, и на выходе конденсатора образуется синтез-газ, который выводят из УШП в сборник 17 газовой фракции для сбора и хранения с целью дальнейшего использования в различных энергетических системах в качестве источника генерации тепловой и электрической энергий.

Образовавшуюся в ректификационной колонне 13 жидкую фракцию - синтетическую нефть выводят из УБП в сборник 15 жидкой фракции для сбора и хранения с целью дальнейшего использования ее в химических процессах.

Гидродинамическая сущность процесса псевдоожижения заключается в следующем. Если через слой зернистого материала, расположенного на поддерживающей перфорированной решетке вибрационной сушилки кипящего слоя, проходит поток псевдоожижающего агента, то состояние слоя оказывается различным в зависимости от скорости этого потока. При плавном увеличении скорости потока от 0 до некоторого первого критического значения происходит обычный процесс фильтрации, при котором твердые частицы неподвижные. На графике (Фиг.2) процесса псевдоожижения, названным кривой псевдоожижения и выражающим зависимость перепада статического давления в слое зернистого материала от скорости псевдоожигающего агента, процессу фильтрации соответствует восходящая ветвь OA. В случае малого размера частиц и невысоких скоростей фильтрации псевдосжигающего агента, режим его движения в слое ламинарный и ветвь OA прямолинейна. В слое крупных частиц при достаточно высоких скоростях псевдоожигающего агента, перепад давления может расти нелинейно с увеличением скорости (переходный и турбулентный режим). Переход от режима фильтрации в режиме псевдоожижения отвечает на кривой псевдоожижения критической скорости псевдоожижающего Wnc (точка А), названной скоростью начала пседоожижения. В момент начала псевдоожижения вес зернистого материала, приходящийся на единицу площади поперечного сечения аппарата, уравновешивается силой гидравлического сопротивления слоя -ДРся.

Начиная со скорости начала псевдоожижения и выше, перепад давления на слое сохраняет практически постоянное значение, и зависимость = f (W) выражается прямой АВ, параллельной оси абсцисс. Это объясняется тем, что с ростом скорости псевдоожигающего агента контакт между частицами уменьшается, и они получают большую возможность хаотического перемешивания во всех направлениях. При этом растет среднее расстояние (просвещения) между частицами, то есть увеличивается порозность слоя и, следовательно, его высота. Так как перепад давления в псевдоожиженном слое остается практически постоянным, высоту такого расширенного слоя можно определить по стандартным формулам.

С целью более эффективного процесса сушки исходного материала в сушилке 3 кипящего слоя необходимо применить вибраторы. Амплитуда принудительной вибрации решеток (по вертикали) составляет от 0,5-3,0 мм.