Спосіб переробки органічних відходів у моторне паливо

Спосіб переробки органічних відходів у моторні палива належить до галузі утилізації цих відходів шля хом їхньої газифікації в синтез-газ із подальшим каталітичним перетворенням отриманого синтез-газу в рідкі синтетичні моторні палива та/або цінні хімічні продукти. Відомий спосіб переробки органічних відходів, що включає їхню обробку агентом, що газифікує, - киснем (повітрям), водяною парою та/або діоксидом вуглецю. Далі отриману газову суміш піддають розщепленню за температури 950-1050°С протягом 1с, в результаті чого отримують продукти деструкції, які вводять у воду за температури 200-800°С для поділу на синтез-газ і низькомолекулярні сполуки. Синтез-газ обробляють за наявності каталізатора / отримують рідкі вуглеводні або спирти, газоподібні вуглеводні та СО2 [RU 2014346]. Найбільш близьким до цього винаходу та його прототипом є спосіб переробки органічних відходів, що полягає в обробці їх агентом, що газифікує (киснем, водяною парою та/або діоксидом вуглецю), за наявності горючого газу [RU 2217199]. Як горючий газ використовують природний газ за об'ємного відношення кисень/природний газ, рівного 0,01-0,5. Отриманий після газифікації синтез-газ компримують і піддають глибокому очищенню від механічних домішок, сполук сірки і азоту та від важких металів. Потім компримований очищений синтез-газ або синтез-газ разом із рідкими органічними відходами подають до реактору синтезу вуглеводнів, де за наявності біфункціонального каталізатора, що містить оксиди цинку та хрому або цинку, хрому та міді, або заліза, або кобальту та р утенію, у комбінації з кислотним компонентом - цеолітом типу ZSM5, Beta, модернітом або силікоалюмофосфатом, піддають перетворенню в рідкі моторні палива або в рідкі моторні палива та компоненти бази мастил. Газифікацію відходів здійснюють плазмотермічним способом, а як органічні відходи використовують осади міських стічних вод, частково зневоднені до залишкової вологості не більше 50% ваг, при чому газифікацію осадів здійснюють за масового відношення кисню до природного газу, рівного 1:10. У прикладі 2 прототипу осади міських стічних вод зневоднюють до залишкової вологості 55% ваг, нагрівають до температури 500-800°С і разом із природним газом і киснем за масового співвідношення біо/природний газ/О2=8:1:0,01 подають на газифікацію у плазмовий реактор (плазмотрон), де за температури 1100-1300°С відбувається 99-відсоткове розкладання органічних сполук до СО, СО2 та Н2. Отриману газову суміш (синтез-газ) охолоджують шляхом рекуперації тепла, компримують та очищують від механічних домішок, сполук сірки, азоту та важких металів. Очищений від домішок синтез-газ під тиском 80ат спрямовують до реактору синтезу вуглеводнів, де за температури 360-420°С і за наявності біфункціонального каталізатора, що містить оксиди цинку та хрому в комбінації з кислотним компонентом - цеолітом типу ZSM-5, відбувається перетворення водню та оксидів вуглецю. Отримані продукти охолоджують і розділяють у сепараторі на газ, воду та вуглеводневу фракцію. Отримане моторне паливо є бензином з октановим числом 92, його вихід становить 140г з 1нм 3 синтез-газу при конверсії оксидів вуглецю більше 90%. Газоподібні побічні продукти, одержувані на стадії синтезу вуглеводнів, направляють у паливну мережу підприємства. Описаний спосіб має низку недоліків, а саме: - для підтримання енергетичного процесу газифікації органічних відходів необхідно використовувати додатковий енергоносій - природний газ або біогаз, при чому масове відношення органічних відходів до природного газу при переробці осадів міських стічних вод становить 1/10, що вимагає додаткових витрат і погіршує економічні показники процесу; - якщо в якості перероблюваних відходів використовуються міське сміття або осади міських стічних вод, то їх переробка в суміші з горючими матеріалами, обраними з таких груп: мазут, відпрацьовані мастила, важкі нафтові залишки, вугільний шлам, можлива лише із використанням природного газу або біогазу як енергоносія, а це не рентабельно; - процес газифікації органічних відходів міського сміття та осадів міських стічних вод здійснюється в плазмовому реакторі за температур 1100-1300°С, а в таких умовах істотно збільшується вміст небажаних домішок, у тому числі оксидів азоту та сірки, у синтез-газі, що вимагає додаткової стадії очищення; - процес газифікації органічних відходів міського сміття і осадів міських стічних вод здійснюється за високих температур - 1100-1300°С, що вимагає значних енергетичних витрат і підвищує вимоги до матеріалів реактора газифікації, а це підвищує вартість уста ткування. Переробка синтез-газу, отриманого при газифікації органічних відходів (міського сміття або осадів міських стічних вод) на стадії синтезу вуглеводнів здійснюється з використанням біфункціонального каталізатора, що містить оксиди міді, цинку та хрому в комбінації з цеолітом типу ZSM-5 , або оксиди кобальту та р утенію в комбінації із цеолітом ZSM-5, або оксиди заліза в комбінації з кислотним компонентом цеолітом типу ZSM-5. Використання в усі х каталізаторах в якості носія кислотного компонента цеоліту типу ZSM-5 має такі недоліки: - відносно висока вартість цеоліту типу ZSM-5; - короткий термін служби каталізатора на основі носія цеоліту ZSM-5; - низький коефіцієнт теплопровідності каталізатора на основі носія цеоліту ZSM-5, характерний для всіх оксидів елементів, що входять до складу цеолітів. Через це процес відбувається зі значним виділенням тепла - 11-12МДж на кілограм одержуваних рідких вуглеводнів. Таке тепловиділення вимагає більш складного устаткування і особливо систем відводу виділеного тепла, що важко здійснити за низької теплопровідності каталізатора та носія [Radchenko Μ.Ν., Kagan D.N. Krechetova G.Α., Syntetic Liquid Hydrocarbon Motor Fuel From Natural Gas M. IVTAN 1993, p.223]. Наявність в отриманому синтез-газі значної кількості хімічних домішок, що містять сполуки азоту та сірки, які є небажаними компонентами для наступної стадії каталітичного синтезу рідких вуглеводнів із синтез-газу, вимагає додаткової стадії очищення синтез-газу від зазначених сполук. Усі перераховані недоліки прототипу не дозволяють переробляти органічну складову міського сміття і осадів міських стічних вод із відносно високою економічною ефективністю. Завданням запропонованого винаходу є створення способу переробки органічних відходів у палива з підвищеною якістю одержуваного синтез-газу, підвищеною ефективністю синтезу рідких вуглеводнів і оптимізованою експлуатацією каталізатора при спрощеному уста ткуванні для реалізації способу. Поставлена мета досягається шляхом створення способу переробки органічних відходів у моторні палива, що включає стадію обробки відходів агентом, що газифікує, який містить кисень, водяну пару та/або діоксид вуглецю, у результаті чого одержують синтез-газ, що потім компримують, піддають глибокому очищенню від механічних домішок і сполук сірки, азоту та важких металів. Далі очищений синтез-газ або синтез-газ із рідкими органічними відходами подають у реактор синтезу вугле воднів і в присутності поліфункціонального каталізатора піддають перетворенню на рідкі моторні палива і компоненти бази мастил. Характерним є те, що перша стадія газифікації здійснюється за об'ємного відношення органічні відходи/активувальний газ у проміжку від 5 до 30 і температурі 600-1000°С під впливом модульованих високочастотних полів у частотному діапазоні від 1МГц до 50МГц із частотою модуляції в діапазоні від 0,5КГц до 100КГц. Друга стадія газифікації проводиться під впливом щонайменше двох одноелектродних високочастотних розрядів, що безперервно генеруються в середній і верхній частинах реактора. Отриманий після газифікації синтез-газ піддають очищенню за наявності неоднорідних змінних електромагнітних полів і нерівновагої плазми та піддають перетворенню в рідкі моторні палива за допомогою поліфункціонального каталізатора, що містить оксиди заліза, цинку, молібдену в комбінації з носієм -алюмінієм, його оксидами і фосфатом алюмінію. Вуглеводні гази, отримані в процесі синтезу моторних палив із синтез-газу, можуть піддаватися олігомеризації до одержання рідких вуглеводнів; це здійснюється за наявності молібден-місткого каталізатора. Перевагою способу переробки органічних відходів у палива є підвищена якість одержуваного синтез-газу, підвищена ефективність синтезу рідких вуглеводнів і оптимізована експлуатація каталізатора, що спрощує устаткування, необхідне для реалізації способу. Спосіб здійснюється з використанням відомих типових установок. Спосіб включає стадія високочастотної газифікації за допомогою обробки відходів модульованими високочастотними полями та стадія плазмохімічної газифікації за допомогою впливу на відходи сильнонерівноважною плазмою одноелектродних високочастотних розрядів, які безпосередньо генеруються в паровому середовищі. У такий спосіб одержують газову суміш синтез-газу і твердих неорганічних продуктів, а згодом синтез-газ піддають каталітичній переробці в газоподібні і рідкі вуглеводні. При цьому агент, що газифікує, містить кисень, водяну пару або діоксид вуглецю. Отриманий синтез-газ піддають очищенню від механічних домішок , компримують і піддають високочастотному плазмохімічному очищенню від вмісту азоту, сірки та важких металів шляхом впливу модульованими високочастотними електромагнітними полями та плазмою одноелектродних високочастотних розрядів, що генеруються у різних ділянках апарата очищення. Далі очищений синтез-газ подають до реактору синтезу вуглеводнів і піддають перетворенню на рідкі моторні палива або на рідкі моторні палива і компоненти бази мастил за допомогою поліфункціонального каталізатора, що містить оксиди заліза, цинку та молібдену в комбінації з носієм - алюмінієм, його оксидами та фосфатом алюмінію. При цьому в якості перероблюваного матеріалу використовують органічну складову міського сміття або осади міських стічних вод. Процес здійснюється за масового відношення активний газ/відходи в межах 10/4. Далі синтез-газ під тиском 30-50ат (3-5МПа) спрямовують у реактор синтезу вуглеводнів, де за температури 220-340°С і за наявності поліфункціонального каталізатора відбувається перетворення водню і оксидів вуглецю в рідкі моторні палива та/або бази мастил. Газоподібні побічні продукти, одержувані на стадії синтезу вуглеводнів, спрямовують у реактор каталітичної олігомеризації для одержання високооктанового домішку. Суттєвими ознаками винаходу є: - газифікація органічних відходів із використанням як агенту суміші кисню, водяної пари та/або діоксида вуглецю на першій стадії здійснюється під впливом модульованих високочастотних полів у частотному діапазоні від 1МГц до 50МГц із частотою модуляції в діапазоні від 0,5КГц до 100КГц; - наступний процес газифікації органічних відходів здійснюється під дією високочастотних полів і плазмою одноелектродних високочастотних розрядів, що безперервно генеруються у різних ділянках реактора; - перетворення синтез-газу в синтетичні моторні палива проводять у присутності поліфункціонального каталізатора, що містить оксиди заліза, цинку, молібдену в комбінації з носієм - алюмінієм, його оксидами та фосфа том алюмінію. Вибір умов газифікації відходів визначається емпірично виходячи з максимального перетворення органічних складових твердих побутових відходів. Іншим важливим фактором для визначення оптимальних умов газифікації є одержання синтез-газу, склад якого, а саме співвідношення Н2/СО, є найбільш сприятливим для подальшого синтезу вуглеводнів. При цьому умови газифікації, що сприяють максимальному перетворенню органічних складових твердих побутових відходів, можуть не відповідати умовам, за яких виходить синтез-газ оптимального складу. Наприклад, підвищення температури газифікації збільшує глибину перетворення органічних відходів, однак за температур понад 1000°С відбувається збільшення утворення побічних продуктів, зокрема оксидів азоту, які є небажаними домішками в кінцевому продукті - синтез-газі. Збільшення вмісту кисню в парогазовій суміші, використовуваної для газифікації, призводить до збільшення вмісту діоксиду вуглецю в одержуваному синтез-газі з одночасним зниженням вмісту водню. Додавання діоксиду вуглецю збільшує вміст монооксиду вуглецю в одержуваному синтез-газі. У процесі газифікації органічних складових твердих побутови х відходів при використанні в якості газифікувального агента суміші кисню, вуглекислого газу та водяної пари утвориться синтез-газ із низьким вмістом водню (15-50об.%) і високим вмістом монооксиду вуглецю (30-50об.%). Такий склад синтез-газу не є оптимальним для одержання з нього вуглеводнів за реакцією Фішера-Тропша (оптимальне співвідношення водень/монооксид вуглецю - 2:2,5). У прототипі з метою збільшення вмісту водню в отриманому синтез-газі додатково здійснюють підведення енергії в реактор газифікації і додають природний газ. Використання водяної пари замість кисню вимагає додаткового підведення тепла в реакторі газифікації. У прототипі це досягається за рахунок введення в реактор енергетичних додатків: природного газу, мазуту, вугілля, тирси. Для підведення додаткової енергії до реактору, пропонується використовувати плазмотермічний спосіб газифікації за температур 1200-1300°С. При цьому ступінь перетворення органічних відходів досягає 96-99%. Однак здійснення процесу газифікації за таких високих температур завжди супроводжується утворенням значної кількості побічних продуктів у синтез-газі, що знижує ступінь перетворення органічних відходів. Крім того, умови газифікації істотно залежать від складу органічної частини твердих побутови х відходів. Склад органічної частини, у свою чергу, залежить від особливостей транспортування, сортування і складування відходів. Вищевикладене показує, що вибір оптимальних умов газифікації проводиться емпірично для різних типів побутових відходів і різних режимів процесу газифікації. Приклад 1 Органічні відходи зневоднюють до залишкової вологості 50-60%. нагрівають до температури 500-600°С і подають на стадію газифікації, де обробляють сумішшю водяної пари, кисню й діоксиду вуглецю за співвідношення: відходи/Н 2О/СО 2/О 2=20/2/0,5/0,5. Процес газифікації проводять за температури 800°С у дві стадії: перша відбувається під дією модульованих високочастотних полів з несучою частотою 1,76МГц і частотою модуляції 0,5КГц, а друга - під дією двох одноелектродних високочастотних розрядів, що безперервно генеруються в середній і верхній частинах реактора. При цьому органічна складова побутових відходів на 90 % розкладається до СО, СО2 і Н 2. Отриманий після газифікації синтез-газ піддають очищенню в присутності неоднорідних змінних електромагнітних полів і нерівновагої плазми, потім охолоджують, очищають від механічних домішок, компримують і спрямовують у реактор синтезу вуглеводнів за температури 300°С та тиску 30ат. Синтез рідких вуглеводнів протікає за наявності поліфункціонального каталізатора, що містить оксиди заліза, цинку й бору в комбінації з носієм - алюмінієм і його оксидами. Сумарний вихід моторних палив становить 190г/нм 3 синтез-газу при конверсії оксидів вуглецю 98%. Приклад 2 Органічні відходи зневоднюють до залишкової вологості 50-60% і подають на стадію газифікації, де обробляють сумішшю водяної пари, кисню й діоксиду вуглецю у співвідношенні: відходи/Н 2О/СО2/О2=30/2/0,5/0,5. Процес газифікації проводять в умовах, аналогічних Прикладу 1. При цьому органічні складові побутових відходів на 80 % розкладаються до СО; СО2 та Н2 . Отриманий після газифікації синтез-газ піддають очищенню від механічних і хімічних домішок, компримують і направляють у реактор синтезу вуглеводнів за температури 300°С та тиску 30ат. Синтез рідких вуглеводнів відбувається за наявності поліфункціонального каталізатора, що містить оксиди заліза, цинку й молібдену в комбінації з носієм алюмінієм, його оксидами та фосфатами. Сумарний вихід моторних палив становить 190 г/нм 3 синтез-газу за конверсії оксидів вуглецю 98%. Приклад 3 Органічні відходи зневоднюють до залишкової вологості 60%, нагрівають до температури 800°С та подають на стадію газифікації, де обробляють сумішшю водяної пари, кисню й діоксиду вуглецю за співвідношення: відходи/Н 2О/СО2 /О2=20/2/0,5/0,5. Процес газифікації проводять у дві стадії: перша здійснюється під дією модульованих високочастотних полів з несучою частотою 30МГц і частотою модуляції 50КГц, а друга - під дією дво х одноелектродних високочастотних розрядів, що безперервно генеруються в середній і верхній частинах реактора. При цьому органічна складова побутови х відходів на 96% розкладається до СО; СО2 і Н2 . Отриманий після газифікації синтез-газ піддають очищенню в присутності неоднорідних змінних електромагнітних полів і нерівновагої плазми, потім охолоджують, очищають від механічних домішок, компримують і направляють у реактор синтезу вуглеводнів за температури 300°С та тиску 30ат. Синтез рідких вуглеводнів відбувається за наявності поліфункціонального каталізатора, що містить оксиди заліза, цинку і молібдену в комбінації з носієм - алюмінієм, його оксидами та фосфатами. Сумарний вихід моторних палив становить 190г/нм 3 синтез-газу за конверсії оксидів вуглецю 98%. Вуглеводні гази, одержувані в процесі синтезу моторних палив із синтез-газу, спрямовують на стадію олігомеризації, що протікає за температури 240°С і тиску 5ат. у присутності каталізатора, що містить молібден в комбінації з носієм - алюмінієм і його оксидами. Одержувана суміш рідких вуглеводнів (олігомерів) з октановим числом 90 використовується як високооктановий додаток до моторних палив. Приклад 4 Органічні відходи зневоднюють до залишкової вологості 60%, нагрівають до температури 800°С та подають на стадію газифікації, де обробляють сумішшю водяної пари, кисню й діоксиду вуглецю за співвідношення: відходи/Н 2О/СО2 /О2=20/2/0,5/0,5. Процес газифікації проводять у дві стадії: перша здійснюється під дією модульованих високочастотних полів з несучою частотою 50МГц і частотою модуляції 90КГц, а друга - під дією дво х одноелектродних високочастотних розрядів, що безперервно генеруються в середній і верхній частинах реактора. При цьому органічна складова побутови х відходів на 92% розкладається до СО, СО2 і Н2. Отриманий після газифікації синтез-газ піддають очищенню за наявності неоднорідних змінних електромагнітних полів і нерівновагої плазми, потім охолоджують, очищують від механічних домішок, компримують і спрямовують у реактор синтезу вугле воднів за температури 300°С і тиску 30ат. Синтез рідких вуглеводнів протікає за наявності поліфункціонального каталізатора, що містить оксиди заліза, цинку і молібдену та комбінації з носієм - алюмінієм, його оксидами і фосфатами. Сумарний вихід моторних палив становить 190г/нм 3 синтез-газу за конверсії оксидів вуглецю 98%.