Спосіб одержання рідких синтетичних речовин з вуглецевмісних твердих відходів

Заявляється винахід, який стосується галузі те хнологій виробництва рідких синтетичних речовин із синтезгазу, що отримують з вуглецьвмісних твердих відходів (низькоякісного вугілля, тор фу, біомаси тощо) та може бути застосований у промисловості при виробництві синтетичного рідкого палива, синтетичних розчинників тощо. Відомими є способи [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7] отримання синтетичних речовин, наприклад, рідкого палива різного фракційного складу С nН2n+2 або СnH2n шляхом попередньої газифікації вугілля в наземних газогенераторах з отриманням оксиду вуглецю СО та водню Н 2 для подальшого каталітичного синтезу рідких вуглеводнів за процесом Фішера-Тропша. Відомі способи внаслідок жорстких вимог до каталізатора, а також високих енерговитрат процесу для виробництва синтетичних речовин не є ефективними. Найближчим за технічною суттю до способу, що заявляється, є відомий спосіб [8], який обрано за прототип, що полягає в газифікації твердого палива (вугілля) при підвищеній температурі та тиску з подальшим отриманням рідкого палива із синтез-газу, в основному моторних палив. Відомий спосіб [8] має наступні ознаки, спільні з ознаками пропонованого технічного рішення, а саме: - в газифікаторі проводять газифікацію подрібненої вуглецьвмісної сировини водяною парою; - виробництво у парогенераторі водяної пари; - отримання оксиду вуглецю та водню (синтез-газу) в результаті процесу газифікації; - очистка синтез-газу від золи в золоуловлювачі; - охолодження синтез-газу потоком води для стабілізації його складу; - наступний синтез вуглеводнів у реакторі синтезу; - регенерація каталізатора; - розділення продуктів синтезу на рідку та газову фази шляхом їх о холодження водою. Недоліками відомого способу є низька ефективність через періодичність процесу подачі і регенерації каталізатора та висока енергоємність процесу отримання синтетичних речовин з вуглецьвмісних твердих відходів. Даний спосіб потребує різних температурних умов на різних стадіях процесу, а саме, температура газифікації, а отже і температура синтез-газу і золи на виході з газогенератора перевищує 900°С, у синтезаторі необхідно підтримувати температуру близько 350°С, і далі при розділенні продуктів синтезу - 60°С. Таким чином, при проведенні відомого процесу виникає необхідність охолодження потоків речовин в широких температурних межах, в той же час є потреба в отриманні високоенергетичної пари, як реагенту для газифікації. Тобто, відомий процес є енерговитратним, вартісним і, отже, - малоефективним. В основу винаходу поставлено задачу підвищити ефективність процесу отримання рідких синтетичних речовин з вуглецьвмісних твердих відходів за рахунок неперервного використання каталізатора і зменшення енерговитрат процесу шляхом регулювання теплообміну потоком води. Поставлена задача вирішується тим, що у відомому та найбільш близькому за технічною суттю до пропонованого способі [8], при якому в газифікаторі проводять газифікацію подрібненої вуглецьвмісної сировини водяною парою, яку виробляють у парогенераторі, з отриманням оксиду вуглецю та водню, очистку синтез-газу від золи, яку направляють в золоуловлювач, і його охолодження потоком води в камері охолодження з наступним синтезом вуглеводнів у реакторі синтезу - синтезаторі, в який подають каталізатор, а також розділення продуктів синтезу на газову та рідку фази в теплообміннику-розділювачі шляхом їх охолодження водою, згідно з винаходом, відпрацьований у реакторі синтезу каталізатор неперервно подають в газифікатор на термічну регенерацію, а потік води - на охолодження продуктів та на підготовку високоенергетичної водяної пари з температурою Тп=1100°С, який пропускають спочатку через теплообмінник-розділювач, а потім послідовно - через синтезатор, золоуловлювач та газифікатор, при цьому витратами води регулюють процес теплообміну таким чином, що після теплообмінника-розділювача, синтезатора, золоуловлювача та газифікатора водяний потік поступово нагрівають до температури Тр=60°С, Тс=220°С, Тз=325°С, Тг=600°С відповідно, після чого воду подають у парогенератор. Причинно-наслідковий зв'язок між ознаками, що відрізняють та характеризують винахід, і те хнічним результатом, який буде досягнуто, полягає в тому, що: - відпрацьований у синтезаторі каталізатор неперервно подають на регенерацію в газифікатор на термічну регенерацію, що забезпечує неперервність процесу синтезу вуглеводнів і здешевлює регенерацію каталізатора за рахунок використання тепла процесу газифікації; - водяну пару, як реагент газифікації, догрівають до температури 1100°С, що згідно з термодинамічними розрахунками забезпечує оптимальні параметри протікання хімічних реакцій отримання синтез-газу; - витратами води регулюють процес теплообміну таким чином, що після теплообмінника-розділювача, синтезатора, золоуловлювача та газифікатора водяний потік поступово нагрівають до температури Тр=60°С, Тс=220°С, Тз=325°С, Тг=600°С відповідно, після чого воду подають у парогенератор, що забезпечує економію енергії на отримання високоенергетичної водяної пари. У теплообміннику-розділювачі вода нагрівається до температури Тр=60°С, що обумовлено температурою переходу у рідку фазу синтезованих вуглеводнів. Нагрів води до температури Тс=220°С в синтезаторі обумовлений необхідністю відбору теплоти екзотермічної реакції синтезу вуглеводнів. Температуру Тз=325°С потік води отримує за рахунок охолодження синтез-газу після газифікатора. Нагрів води до температури Тг=600°С проходить у газифікаторі при охолодженні суміші золи і синтез-газу. В джерелах патентної і науково-технічної інформації не виявлено вищенаведені нові ознаки способу, що заявляється, отже, можна стверджувати, що новий спосіб отримання рідких синтетичних речовин з вуглецьвмісних твердих відходів, відповідає критерію "новизна". Крім того, наведені вище ознаки нового способу, що відрізняють його від способу-прототипу і надають йому нових властивостей, а також послідовність їх здійснення є суттєвими для реалізації способу та достатніми для досягнення технічного результату, який забезпечує винахід, отже відповідають критерію "суттєві відзнаки". Техніко-економічними перевагами пропонованого способу є підвищення ефективності процесу за рахунок неперервної регенерації каталізатора, а також зниження енергоємності процесу за рахунок регулювання потоками води в технологічному процесі, тобто використання води одночасно як теплоносія і реагенту в процесі газифікації для отримання синтез-газу. Отже, пропонований спосіб є економічно та екологічно доцільним оскільки направлений на енерго- та ресурсозбереження, а також дозволяє ввести в обіг відходи вуглецьвмісної сировини. На фіг. показана принципова блок-схема технологічного процесу отримання синтетичних рідких речовин з вуглецьвмісної сировини, де: 1 - парогенератор; 2 - газифікатор, в якому підтримують необхідні температуру та тиск для отримання синтез-газу потрібного складу; 3 - золоуловлювач (з камерою охолодження та вузлом очистки синтез-газу, які на фіг. не показані); 4 - компресор для стискування синтез-газу до тиску синтезу вуглеводнів; 5 реактор синтезу - синтезатор вуглеводнів, в якому підтримують необхідні термобаричні параметри; теплообмінник-розділювач 6 синтезованих рідких фракцій і газів; технологічні лінії 7, 8 для неперервної подачі відпрацьованого каталізатора у газифікатор 2 для регенерації та подачі регенерованого каталізатора у синтезатор 5 відповідно. Спосіб реалізують наступним чином. Наприклад, вуглецьвмісна сировина - сапропелеве вугілля є високозольним і малокалорійним, його використання в енергетичних цілях шляхом безпосереднього спалювання або отримання енергетичного газу чи для виробництва коксу не є перспективними. Однак, сапропелеве вугілля придатне для отримання синтетичних вуглеводнів. На першій стадії сапропелеве вугілля помелене до фракції 0,25мм направляють у газифікатор 2 (фіг.), куди одночасно подають високоенергетичну водяну пару з температурою 1100°C, отриману в парогенераторі 1. В газифікаторі 2 при тиску ОДМПа утворюється синтез-газ СО+Н 2. На другій (послідовній) стадії синтез-газ подають спочатку у золоуловлювач 3 для очистки від золи та інших шкідливих газових домішок і охолодження перед компресуванням. Інтенсивне охолодження (гартування) очищеного синтез-газу водяним потоком до температури нижче 325°С здійснюють з метою збереження та стабілізації його складу при понижених температурах для подальшого синтезу вуглеводнів. При цій температурі забезпечують максимальне утворення рідких синтетичних речовин (від олефінів, які використовують в якості розчинників, і до тяжких фракцій - синтетичного дизпалива). Далі охолоджений синтез-газ направляють на стискування в компресорі 4, а потім - в реактор синтезу 5, де підтримують термобаричні умови синтезу, наприклад, температура 350°С, тиск 2,5МПа. В присутності залізовмісного каталізатора при заданих температурі і тиску в реакторі синтезу 5 синтез-газ перетворюється у вуглеводні. Оскільки в процесі синтезу виділяється тепло, то дляуникнення перегріву каталізаторів надлишкове тепло реакції потоком води відводять із зони синтезу. Отримані продукти синтезу сепарують в теплообмінникурозділювачі 5 на рідкі продукти, які направляють на подальшу переробку, та на газ. Підвищує ефективність процесу отримання рідких синтетичних речовин з вуглецьвмісних твердих відходів неперервне використання каталізатора і зменшення енерговитрат процесу шля хом регулювання теплообміном з потоком води. Для цього відпрацьований у синтезаторі 5 каталізатор по технологічній лінії 7 неперервно подають на регенерацію в газифікатор 2 на термічну регенерацію. Після регенерації каталізатор по технологічній лінії 8 подають знову у синтезатор 5. Запропонований спосіб регенерації каталізатора забезпечує неперервність процесу синтезу вуглеводнів і здешевлює регенерацію каталізатора за рахунок використання тепла процесу газифікації. При отриманні рідких синтетичних речовин за пропонованим способом виникає потреба у високоенергетичній парі, як реагенту для газифікації. Для цього одночасно з процесом у теплообмінник-розділювач 6 подають холодну воду, де вона, охолоджуючи синтезовані вуглеводні, нагрівається до температури Тр=60°С. Дана температура обумовлена температурою переходу у рідку фазу синтезованих вуглеводнів. Після теплообмінника-розділювача 6 потік води направляють в синтезатор 5 для відбору тепла екзотермічної реакції синтезу вуглеводнів. На цьому етапі потік води нагрівають до температури Тс=220°С і подають на золоуловлювач з камерою охолодження 3. В золоуловлювачі 3 вода за рахунок відбору тепла від синтез-газу підігрівається до температури Тз=325°С. Дана температура обумовлена масовим балансом процесу та залежить від температури синтезу вуглеводнів у синтезаторі 5. Після золоуловлювача 3 потік води подають по зовнішній стінці газифікатора 2, де він нагрівається до температури Тг=600°С. Нагріту до даної температури воду направляють у парогенератор 1 на догрів води, як реагенту процесу газифікації, до температури 1100°С, що згідно з термодинамічними розрахунками забезпечує оптимальні параметри протікання хімічних реакцій отримання синтез-газу на першій стадії. Отже, витратами води процес теплообміну регулюють таким чином, що після теплообмінника-розділювача 6, синтезатора 5, золоуловлювача з камерою охолодження З водяний потік поступово нагрівають до температур Тр=60°С, Тс=220°С, Tз :=325°C, Тг=600°С відповідно, після чого воду подають у парогенератор, що забезпечує економію енергії на отримання високоенергетичної водяної пари. При цьому вихід рідких вуглеводнів, фракційний склад, а також співвідношення між цільовою рідкою і газовою фазами синтезу залежить, в першу чергу, від якості вихідної вуглецьвмісної сировини, реагенту газифікації та термобаричних умов процесу. Таким чином, спосіб отримання рідких синтетичних речовин з вуглець місткої сировини забезпечує виконання поставленої технічної задачі. Джерела інформації: 1. Рапопорт И.Б. Искусственное жидкое топливо. Ч. II.: Синтез моторных топлив из окиси углерода и водорода. М.; Л.: Гос. на учн.-тех. изд-во нефт. и горно-топливн. лит.-ры. 1950., С.121-152. 2. Заявка ФРГ №OS 3439487, МКИ 4 C10J 3/04, С01В 3/02. Энергоэфективный способ получения синтез-газа с высоким содержанием метана. Опубл. 1986.06.26. 3. Заявка Великобритании №2163449, МКИ 4 C10J 3/00, С01В 3/32. Способ получения газовых смесей, содержащих водород и оксид углерода. Опубл. 1986. 02. 26. 4. Патент США №4559061, МКИ 4 C10J 3/48, 3/84. Устройство для генерирования синтез-газа с регулированием соотношения водяной пар : сухой газ. Оп убл. 1985.12.17. 5. Деклараційний патент України №67203А, МКИ 7 C10G 1/00, C10L 1/00. Спосіб отримання рідкого палива. Опубл. 15.06.2004., Бюл. №6. 6. Шелдон Р.А. Химические продукты на основе синтез-газа: Пер. с англ. / Под ред. С.М. Локтева. М.:Химия, 1987., С.23-24. 7. Б.Н. Кузнецов. Моторные топлива из альтернативного нефти сырья. // Соровский образовательный журнал "Химия", том 6, №4, 2000. - С.51-56. 8. Патент Німеччини №484.337, 1925р. - прототип. 9. Деклараційний патент України №67177А МПК 7 F23B 1/36, С10G 1/00. Газогенератор синтез-газу // Оп убл. 15.06.2004р., Бюл. Пром. власн. - №6.