Патент на изобретение №2201951

(54) СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к переработке органических веществ, например полимеров и полимерных композиций, в частности к технике переработки древесины, продуктов растениеводства, органосодержащих полезных ископаемых, а также промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие, и может найти применение в химической, лесо- и нефтеперерабатывающей отраслях, в теплоэнергетике и других отраслях промышленности. Технический результат достигается тем, что в способе переработки органических веществ путем нагрева их в газовой среде или в вакууме переработку выполняют постадийно вблизи границы существования выделяемого вещества в конденсированном состоянии путем высокоскоростного нагрева со скоростью 10³-10⁵ град/с, которая для каждой стадии различна, причем количество стадий равно количеству выводимых из процесса продуктов или увеличивается при существовании температурных интервалов, в которых не протекает химических реакций, при этом на одной из стадий при температуре 200-375^oС из системы удаляют влагу, температура последней стадии равна 550-750^oС, а газообразные фракции, получаемые на каждой стадии процесса переработки, выводят из системы и направляют для дальнейшей конденсации, переработки или сжигают, твердые продукты, оставшиеся после последней стадии, также направляют на переработку или сжигают. Технический результат – возможность выведения отдельных компонентов на отдельных стадиях, повышение эффективности процесса, обеспечение термической переработки органических веществ широкого диапазона, удешевление процесса на 30-40% с исключением энергетических потерь. 5 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области переработки органических веществ, в том числе полимеров и полимерных композиций, в частности к технике переработки древесины, продуктов растениеводства, органосодержащих полезных ископаемых, а также промышленных и бытовых отходов, содержащих органические составляющие, и может найти применение в химической, лесо- и нефтеперерабатывающей отраслях, в теплоэнергетике и других отраслях промышленности.

Изобретение может использоваться при уничтожении тех же полимерных композиций, вредных для окружающей среды и композиций, переработка которых запрещена законом, например отходов санитарных и медицинских учреждений.

Известен способ переработки мелкодисперсных влагосодержащих органических веществ, заключающийся в обработке их в вакууме в вертикальном слое, в герметичной колонне, охваченной нагревателем (а.с. 1306267, 1995). Недостатком этого способа являются ограниченные производительности, большие расходы тепла.

Известен способ переработки отходов, позволяющий обрабатывать органические материалы с послойной загрузкой обрабатываемого и инертного материалов (а.с. 1475281, 1995). Недостатком данного способа является то, что нагрев инертной массы требует дополнительных энергетических затрат и значительные трудности при разделении этих материалов.

Известен способ переработки отходов, содержащих органические вещества, путем отжига их в капсулах под слоем аморфного графита (а.с. СССР 1791672, 1993). Недостатком является то, что требуется дополнительное устройство для получения аморфного графита, способ является громоздким.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ термической переработки органических веществ, заключающийся в том, что термическую переработку осуществляют за счет нагрева веществ до температуры разложения при одновременном и непрерывном уплотнении, а защитную среду создают за счет газов, образующихся при разложении материалов с недостатком окислителя (патент РФ 2119124, МКИ⁷ F 23 G 5/027, 1998).

Недостатком этого способа являются:
– необходимость высокоинтенсивного подвода энергии, что ограничивает количество перерабатываемого продукта;
– необходимость удаления после пиролиза влаги при получении газообразного и жидкого топлива;
– сложность разделения компонентов, полученных по известному способу, при использовании их самостоятельно;
– известный способ является энергоемким, недостаточно производительным;
– процесс идет при температурах разложения.

Задачей предлагаемого изобретения является проведение процесса переработки органических веществ постадийно вблизи границ существования отдельных компонентов в конденсированной фазе, выделяемых из системы, повышение эффективности процесса, обеспечение термической переработки органических веществ широкого диапазона с минимальными энергозатратами, а также исключить энергетические потери, удешевить процесс на 30-40% и возможность получения отдельных продуктов пиролиза.

В результате использования предлагаемого изобретения радикально изменяется тепловой режим переработки, появляется возможность выведения отдельных компонентов на отдельных стадиях, и как следствие предлагаемая технология является энергосберегающей.

Также техническим результатом является система высокоскоростного нагрева до температур границы существования отдельных компонентов исходной композиции в конденсированной фазе, которая (температура) характеризуется энергией межмолекулярных связей и которую можно определять предварительно. При приближении параметров вещества к параметрам границы существования протекает энтропийный взрыв веществ, что обеспечивает высокую скорость и экономичность проведения каждой стадии, а следовательно, высокую скорость и экономичность проведения процесса в установках, осуществляющих переработку органических веществ по заданному режиму.

Наряду с использованием получаемых в процессе газов, возможно использование инертных газов или газов, способствующих химической модификации в процессах, протекающих после пиролиза в газовой и твердой фазах.

В основе осуществления предлагаемого способа лежит положение о том, что на границе существования вещества в конденсированной фазе соединение ведет себя независимо от других, что позволяет сделать процесс многостадийным. Количество стадий определяют требуемым количеством продуктов, выводимых из процесса.

В случае отсутствия химических реакций в определенном температурном интервале возможно использование нагрева системы с любой скоростью. Появляется возможность выделения отдельной стадии, что приводит к снижению интенсивности нагрева на других стадиях.

Обычно в известных способах при переработке или использовании веществ или композиций их сушат. Большое время сушки и как следствие невозможность использования получаемой влаги приводят к большим энергозатратам. Например, при сушке торфа на заводе процесс осушения длится 3-4 часа и для его сушки используется 2-3 т торфа, которые сжигаются при сушке.

В предлагаемом способе на одной из стадий выделяют влагу мгновенно, что дает возможность использовать ее для отопления или для других нужд, что существенно снижает энергозатраты для получения единицы теплоты и продукта переработки. Например, при применении торфа для отопления использование получаемой влаги снижает энергозатраты для получения единицы теплоты на 20-40%. Степень снижения энергозатарат характеризуется количеством влаги в исходном продукте. Для построения энергетически выгодного процесса количество влаги и ее колебания определяют заранее.

Процессы, протекающие на границе существования веществ в конденсированной фазе, используют в предлагаемом способе и применяют как в отдельном процессе, например при получении топлива при пиролизе древесины, так и как стадию (и стадии) в более сложных процессах, например при переработке бытового мусора (бытовых отходов).

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе переработки органических веществ путем нагрева их в газовой среде или в вакууме переработку выполняют постадийно вблизи границы существования выделяемого вещества в конденсированном состоянии, достижение которой осуществляется путем высокоскоростного нагрева со скоростью 10³-10⁵ град/с, которая для каждой стадии различна, а количество стадий определяется количеством выводимых из процесса продуктов или увеличивается при существовании температурных интервалов, в которых не протекает химических реакций, причем на одной из стадий при температуре 200-375^oС из системы удаляют влагу, а температура последней стадии равна 550-750^oС, а газообразные фракции, получаемые на каждой стадии процесса переработки, выводят из системы и направляют для дальнейшей конденсации, переработки или сжигают, твердые продукты, оставшиеся после последней стадии, также направляют на переработку или сжигают.

Для получения водяного пара нагрев осуществляют до температур 200-375^oС, а для получения водяного пара и горючих газов нагрев осуществляют в две стадии: до температуры нагрева 200-375^oС на первой стадии и до температуры 650-750^oС на второй в зависимости от вида органического вещества.

Невозгоняемый твердый остаток, оставшийся после последней стадии процесса, подвергают окислению кислородом воздуха в окислительной камере или направляют для дальнейшего использования.

Оставшийся на любой предыдущей стадии многостадийного процесса остаток вещества направляют на дальнейшую переработку или утилизацию.

В качестве перерабатываемого вещества можно использовать древесину, продукты растениеводства или их отходы, органосодержащие полезные ископаемые, промышленные или бытовые отходы, содержащие органические соединения.

В предлагаемом способе в отличие от общепринятых способов холодное вещество подвергают высокоскоростному нагреву в горячей системе до температуры, приближающейся к температуре границы существования вещества в конденсированной фазе.

В результате использования предлагаемого способа переработки органических веществ – технический результат – получаем топливо газообразное и жидкое или продукты дальнейшей переработки.

Достигается результат тем, что водяной пар, полученный на первой стадии, направляют через трубопровод в паровую машину и/или в теплообменник для производства теплоты и электроэнергии, а газообразное топливо, полученное на последующих стадиях, через другие трубопроводы направляют в тепловую машину и/или в теплообменник для получения энергии теплоты, жидкого топлива или других разных химических веществ для использования в промышленности, например из древесины при различных способах тепловой обработки получают до 1000 различных веществ (Никитин И.И. Химия древесины. 1966).

Если удаление влаги приводит к увеличению теплотворной способности оставшихся веществ, то пиролиз – к сохранению теплотворной способности полученных веществ.

В предлагаемом способе за счет высокоскоростного нагрева 10⁵ град/с (так, что не успевают осуществиться физико-химические процессы) подводят энергию с такой скоростью, что параметры (температура, давление и др.) заданного вещества успевают приблизиться к параметрам границы существования его в конденсированной фазе.

Мгновенно испаряя влагу (секунды и ниже), получаем новое вещество, сохраняя каркас цепи исходного вещества, т.е. в процессе удаляем влагу, в том числе и комплексно связанную.

Мгновенное испарение влаги позволяет направить ее без значительных потерь в энергии потребителю.

В соответствии со способом переработки органического вещества для проведения процесса необходимо подать определенную мощность энергии. Чем больше стадий, тем меньше подаваемая мощность на каждую стадию, что особенно важно при переработке большого количества исходного продукта. Чем больше стадий процесса, тем больше можно перерабатывать исходного вещества при данном способе.

На каждой стадии появляется возможность отбирать нужные нам вещества, например пар. Как минимум при переработке полезных ископаемых для удаления воды (влаги) должно быть не менее двух стадий, но лучше если будет больше, что дает возможность получить большее количество веществ при использовании предлагаемого способа.

Поскольку потери энергии в окружающую среду пропорциональны теплоте и времени проведения процесса, то проводимый процесс, носящий преимущественно энтропийный характер и протекающий за малое время, может быть отнесен к энергонаправленным и внесен в реестр энергосберегающих технологий.

Максимальная температура, до которой осуществляется высокоскоростной нагрев каждой стадии, определяется температурой, при которой практически отсутствуют межмолекулярные взаимодействия выделяемого вещества.

Конкретный пример осуществления способа переработки органических веществ.

Пример 1.

Процесс проводят в две стадии. На начальном этапе система может быть вакуумирована или заполнена нужным газом. А при протекании процесса вакуумированная система заполняется газами пиролиза.

Мелкораздробленную древесину помещают на вращающиеся валки, имеющие температуру 320^o20^oС (скорость нагрева порядка 310³ град/с), при которой мгновенно происходит выделение влаги с образованием пара. Количество образующегося пара близко к количеству воды, содержащейся в древесине, которое определяют заранее. Пар отводят и направляют для использования. Оставшуюся твердую часть помещают на валки, имеющие температуру 680^o20^oС (скорость нагрева порядка 310⁴ град/с), где мгновенно происходит пиролиз древесины с образованием газа и твердого углеподобного остатка. Количество углеподобного остатка пропорционально содержанию лигнина в исходной древесине, которое определяют заранее. Полученный газ направляют для сжигания или конденсации с целью получения основного компонента жидкого топлива или для выделения требуемых продуктов. Неконденсирующийся газ направляют для сжигания или использования. Твердый углеподобный продукт после охлаждения используют по назначению.

Пример 2.

Процесс проводят в две стадии.

Мелкодисперсный уголь с разреза Березовский-1 (КАТЭК Канско-Ачинский теплоэнергетический комплекс) помещают на вращающиеся валки, имеющие температуру 250^o10^oС (скорость нагрева порядка 2,510⁴ град/с), при которой мгновенно происходит выделение влаги с образованием пара. Количество образующегося пара близко к количеству воды, содержащейся в угле, которое определяют заранее. Пар отводят и направляют для использования. Оставшуюся твердую часть помещают на валки, имеющие температуру 570^o20^oС (скорость нагрева порядка 310⁴ град/с), где мгновенно происходит пиролиз угля с образованием газа и твердого углеподобного остатка. Количество углеподобного остатка пропорционально содержанию неорганической фазы угля и количеству негазифицирующегося сшитого продукта в исходном угле, которое определяют заранее. Полученный газ направляют для сжигания или конденсации с целью получения основного компонента жидкого топлива или для выделения требуемых продуктов. Неконденсирующийся газ направляют для сжигания или использования. Твердый углеподобный продукт после охлаждения используют либо для выделения неорганических компонентов в виде солей или окислов, либо используют в промышленности, например для получения плиток.

Пример 3.

Переработку древесины проводят в одну стадию (при нецелесообразности выделения влаги).

Мелкораздробленную древесину помещают на вращающиеся валки, имеющие температуру 680^o20^oC (скорость нагрева порядка 10⁵ град/с), где мгновенно происходит пиролиз древесины с образованием газа и твердого углеподобного остатка. Количество углеподобного остатка пропорционально содержанию лигнина в исходной древесине и близкое к количеству, получаемому в примере 1. Полученный газ направляют для конденсации с целью получения основного компонента жидкого топлива или для выделения требуемых продуктов и отделения воды.

Неконденсирующийся газ направляют для сжигания или использования. Твердый углеподобный продукт после охлаждения используют по назначению.

Пример 4.

Способ переработки твердых бытовых отходов решает одну из основных задач фракционирования компонентов мусора.

В этом случае целесообразно проведение процесса в максимально возможных количествах стадий (процесс постадийный). Количество стадий определяют по составу мусора заранее.

Мелкораздробленный твердые бытовые отходы (ТБО) помещают на вращающиеся валки, имеющие температуру 90^o5^oC (скорость нагрева порядка 10³ град/с), при которой мгновенно происходит выделение легкокипящих жидкостей (имеющих температуру кипения ниже температуры кипения воды). Газ отводят и направляют для использования. Оставшуюся твердую часть помещают на валки, имеющие температуру 300^o20^oС (скорость нагрева порядка 210³ град/с), где мгновенно происходит образование водяного пара. Затем в зависимости от состава мусора используют валки с температурами 400, 500, 600, 750^oС. Полученный газ на стадиях процесса направляют для сжигания или конденсации. Неконденсирующийся газ направляют для сжигания или использования. Температуру последней стадии 750^oС определяют заранее, она характеризуется веществом, имеющим самую высокую температуру границы существования вещества. Твердый углеподобный продукт, представляющий набор неорганических соединений, направляют на переработку по известным технологиям.

Переработка мелкодисперсных органических веществ в предлагаемом способе связана с “предспинодальными” процессами высокомолекулярных соединений, при которых линейные полимеры полностью газифицируются, а сшитые образуют твердый углеподобный остаток, неорганические компоненты переходят в твердый остаток, а низкомолекулярные соединения, находящиеся в смеси, переходят в газовую фазу (“взрывное вскипание”) при температуре, являющейся температурой спинодали веществ, находящихся в смеси.

Формула изобретения

1. Способ переработки органических веществ путем нагрева их в газовой среде или в вакууме, отличающийся тем, что переработку выполняют постадийно вблизи границы существования выделяемого вещества в конденсированном состоянии, достижение которой осуществляется путем высокоскоростного нагрева со скоростью 10³-10⁵ град/с, которая для каждой стадии различна, а количество стадий определяется количеством выводимых из процесса продуктов или увеличивается при существовании температурных интервалов, в которых не протекает химических реакций, причем на одной из стадий при температуре 200-375^oС из системы удаляют влагу, а температура последней стадии равна 550-750^oС, а газообразные фракции, получаемые на каждой стадии процесса переработки, выводят из системы и направляют для дальнейшей конденсации, переработки или сжигают, твердые продукты, оставшиеся после последней стадии, также направляют на переработку или сжигают.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагрев осуществляют в две последовательные стадии с возможностью получения водяного пара при температуре 200-375^oС на первой стадии и с возможностью получения горючих газов при температуре нагрева 550-750^oС в зависимости от вида органического вещества.

3. Способ по п.1 и 2, отличающийся тем, что оставшийся на любой предыдущей стадии многостадийного процесса остаток вещества направляют на дальнейшую переработку или утилизацию.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве перерабатываемого вещества используют древесину и продукты растениеводства или их отходы.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве перерабатываемого вещества используют органосодержащие полезные ископаемые.

6. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что в качестве перерабатываемого вещества используют промышленные или бытовые отходы.