CC BY
123
Р. Г. Сафин, Н. Ф. Тимербаев, З. Г. Саттарова,
Т. Х. Галеев
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МОТОРНОГО ТОПЛИВА ИЗ ОТХОДОВ ДЕРЕВООБРАБОТКИ
Ключевые слова: моторное топливо, отходы деревообработки, синтез-газ, метанол, газификация, биотопливо.
В статье рассмотрен процесс получения моторного топлива методом газификации. Приведена статистика спроса моторного топлива на мировом рынке. Дана структурная схема и описание разработанного процесса.
Keywords: motor fuel, woodworking waste, synthesis gas, methanol, gasification, biofuel.
In article process of receiving motor fuel by a gasification method is considered. The statistics of demand of motor fuel on the world market is given. The block diagram and the description of the developed process is given.
Одним из факторов, сдерживающих развитие предприятий лесопромышленного комплекса (ЛПК), является низкий уровень их технической оснащенности, приводящий к образованию большого количества древесных отходов. Ежегодно на предприятиях лесопромышленного комплекса России образуются миллионы тонн древесных отходов. Наиболее простым способом утилизации древесных отходов является их термическая переработка путем прямого сжигания с целью получения того или иного продукта [1]. Более сложными, но более эффективными, являются методы конверсии древесных отходов, т. е.
разложение древесины под действием высокой температуры в зависимости от температурного предела нагрева, условий подвода тепла и вида применяемого теплоносителя.
На кафедре ПДМ КНИТУ, был разработан процесс комплексной энерготехнологической переработки древесных отходов в моторное топливо через стадию получения метанола [2]. Несмотря на то, что доля метанола, используемого на производство моторного топлива, в настоящее время еще невелика, его применение для топливноэнергетических целей стало весьма перспективным. Это обусловлено возможностью получения метанола из любого углеродсодержащего сырья и его неограниченными запасами, что позволяет использовать метанол в качестве полупродукта в производстве синтетического моторного топлива. Мировой спрос на метанол составляет около 35 млн тонн ежегодно. По прогнозам, к 2015 г. спрос на метанол в мире возрастет с 30% до 45,5 млн тонн. Крупнейшим импортером метанола являются США, которые потребляют до 30% мирового экспорта продукта.
США являются также крупнейшим производителем метанола (25% мирового производства) (рис. 1). Основными потребителями метанола (рис. 2) выступают производители
формалина, метил-трэт-бутиловый эфир (МТБЭ) и уксусной кислоты, на долю которых приходится до 70% мирового потребления.
Особого внимания заслуживает тот факт, что в мире отмечено многолетнее превышение
предложения над спросом. И если за период 20002004 гг. коэффициент использования мощности (КИМ) был выше отметки 80%, то начиная с 2004 г. КИМ начал снова снижаться.
Рис. 1 - Крупнейшие регионы, потребляющие метанол
Рис. 2 - Производства, потребляющие метанол
Важным продуктом при создании моторного топлива является синтез-газ, широко применяемый в химической промышленности. Одним из способов его получения является прямоточная газификация древесных отходов [3].
Процесс осуществляется по следующему
циклу:
Древесные отходы ^ газификация ^ синтез-газ ^ метанол ^ синтетический бензин.
Рис. 3 - Мощности и КИМ метанольных заводов в мире
Технологический способ
по
проходит
реакции конверсии углерода с водяным паром: С+Н2О=СО+Н2 реакция идет с поглощением тепла. Продуктом реакции является синтез-газ. При наличии этих двух компонентов можно напрямую синтезировать метанол. Реакция идет по следующей формуле: СО+2Н2=СНзОН.
Сложность в том, что конечный продукт получается лишь при высоком давлении и высокой температуре (Р>20 атм., Т=350 градусов), но при наличии катализатора и низком давлении этот процесс смещается вправо. Этим и объясняется сложное технологическое оборудование, высокие капитальные затраты и многостадийность производственного процесса. Полученный метанол выводится из реакции охлаждением до конденсации, а не сконденсировавшие газы идут в рецикл.
Температура процесса зависит, главным образом, от активности применяемого катализатора и варьируется в пределах от 250 до 420°С.
Ниже представлена схема разработанного процесса.
Рис. 4 - Схема установки по получению метанола из древесных отходов
Согласно данной схеме, древесные отходы поступают в газогенератор 1, где последовательно проходят стадии сушки, пиролиза, и газификации водяным паром, в результате чего образуется синтез-газ. Далее полученный синтез-газ компрессором подается в реактор синтеза 2. Продукты реакции охлаждаются сначала в рекуперативном теплообменнике 3, затем
хладагентом в холодильнике 4, после чего поступают последовательно в сепаратор высокого давления 5, в сепаратор низкого давления 6, в отстойник 7,10, и выпарной аппарат 8. В отстойнике 7 из метанола-сырца выделяется вода, которая собирается в емкости для оборотной воды 10. Из выпарного аппарата 8 метанол при помощи жидкостного насоса 12 собирается в сборнике готовой продукции 9. При этом сдувочные газы и легкие углеводороды, выделяемые из аппаратов 5,6,10,8, сжигаются в газогенераторе вместе с пиролизными газами.
Полученный таким способом метанол может в дальнейшем использоваться для получения высокооктановых компонентов бензина через стадию каталитического синтеза диметилового эфира.
Рис. 5 - Схема установки по получению
высокооктановых компонентов бензина из метанола
Жидкий метанол-сырец, полученный в модуле получения метанола, из сборника метанола-сырца 1 отбирается жидкостным насосом 2, где сжимается до давления 2,8 МПа, после чего обменивается теплом с углеводородными продуктами синтеза в кожухотрубчатом теплообменнике 3, по длине условно распределенном на зоны прогрева, испарения и перегрева, нагреваясь с температуры 30 °С до 310 °С. Далее подготовленный метанол направляется под давлением в химический реактор синтеза диметилового эфира 4 с псевдоожиженным слоем кислотного катализатора, где превращается в равновесную смесь диметилэфира,
непрореагировавшего метанола и воды. Циркуляция катализатора поддерживается высокоскоростным потоком входящего реагента, улавливание катализатора обеспечивается слоем сепарирующих насадок. Несмотря на то, что реакция экзотермическая, температура выходящей смеси не превышает 190 °С, что обеспечивается наличием циркуляционного потока катализатора. Далее образовавшаяся равновесная смесь метанола, диметилэфира и воды разделяется на четыре потока и распределяется по четырем цеолитным реакторам синтеза углеводородов 6-9 с неподвижным слоем катализатора, представляющим собой первую ступень конверсии. Проходя через первую ступень каталитического, оставшийся в смеси метанол образует углеводороды С1-С11 групп и воду через стадию образования диметилэфира. Поступая на
вторую ступень конверсии, в результате ряда химических реакций при определенной объемной скорости, диметилэфир полностью реагирует с образованием углеводородов С1-С11 групп и воды. Полученная смесь углеводородов и воды с повышенной в результате экзотермических реакций температурой до 370-375 °С, поступает в
межтрубное пространство кожухотрубчатого рекуперативного теплообменника 3, где охлаждается за счет отдачи тепла нагреваемому метанолу до температуры 121 °С. Далее смесь органических паров, частично сконденсированных углеводородов и воды, проходит дросселирующее устройство 15, после которого давление смеси падает до 2,0-2,1 МПа, а температура до 40-45 °С, и попадает в горизонтальный сепаратор 10 без внутренних устройств. Здесь происходит отделение сконденсировавшихся жидких углеводородных продуктов, воды и несконденсировавшейся части. Вода и жидкие углеводородные продукты разделяются по плотностям в сепараторе, причем вода отводится с нижней части сепаратора, а углеводороды со средней части. Фракции С1-С4 в газообразной фазе отводятся в насадочную колонну разделения 11. Часть углеводородов фракции С1-С4 за счет давления уносится с жидкими продуктами. Часть фракций С5-С6 может уноситься с фракциями С1-С4, так как разделение в сепараторе происходит при температуре фазового перехода. Таким образом паро-жидкостная смесь углеводородов С1-С11 поступает в массообменный аппарат - колонну очистки бензиновых фракций 11 от легких фракций С1-С4. Попадая в колонну давление смеси падает до 1,1-1,2 МПа. Для отделения фракций С1-С4 жидкие продукты нагреваются до температуры 140-145 °С в кипятильнике 12 оборотным паром, в результате чего фракции С5-С8 также испаряются, поднимаясь в верхнюю часть колонны вместе с газообразными фракциями С1-С4. Также в верхнюю часть колонны подается часть фракций С1-С4, которая отделяется в сепараторе. Газообразные фракции С1-С8 из верхней части колонны поступают в конденсатор 13, где охлаждаются до температуры 35 °С оборотной водой, при которой фракции С1-С4 остаются в газообразном виде и уносятся из конденсатора как топливный газ. Сконденсировавшиеся фракции С5-С8 в виде флегмы возвращаются на верхнюю
тарелку колонны и снова участвуют в
массообменном процессе.
По мере накопления кубового остатка, представляющего собой фракции С5-С11 и
являющиеся конечным продуктом - бензином, производится отвод конечного продукта с нижней части колонны перед кипятильником, после чего углеводородная смесь проходит дросселирующее устройство 13, снижающее давление до 0,15-0,17 МПа и температуру до 60-65 °С, и поступает в приемник бензина.
По данной статье можно сделать вывод, что производство моторного топлива в России является рентабельным и экономически привлекательным. Это обуславливается тем, что спрос моторного топлива на мировом рынке очень велик. Тем самым выше перечисленные факторы обуславливают актуальность данной разработанной технологии.
Исследования по данной работе выполнено в рамках реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013» по теме: «Создание технологии и опытной установки комплексной переработки отходов лесной промышленности с получением теплоизоляционного материала», при финансовой поддержки Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Сафин Р.Р. Анализ современного состояния лесопромышленного комплекса и перспективы его развития на базе кафедр лесотехнического профиля КГТУ / Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин // Вестник казан. технол. ун-та. - 2010. - №4. - С. 120-130.
2. Лесная биоэнергетика; под ред. Ю.П. Семенова. -М.; ГОУ ВПО МГУЛ, 2008. -348 с.
3. Паушкин Я.М., Адельсон С.В., Вишнякова Т.П. Технология нефтехимического синтеза, в двух частях. Ч. I. Углеводородное сырье и продукты его окисления. М.: «Химия», 1973. - 448 с.
4. Тимербаев, Н.Ф. Исследование зависимости теплотворной способности ТБО от их морфологического состава / Н.Ф. Тимрбаев, И.А. Кузьмин, А.Р. Садртдинов / / Известия высших учебных заведений «Химия и химическая технология».- 2008 г. -Том 51. - Вып. 10. - С. 79-82.
© Р. Г. Сафин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. переработки древесных материалов КНИТУ, safin_rg@kstu.ru; Н. Ф. Тимербаев - д-р техн. наук, проф. той же кафедры, tnail@rambler.ru; З. Г. Саттарова - асп. той же кафедры, sattarova@list.ru; Т. Х. Галеев - магистр КНИТУ.
