CC BY
163
УДК 674.816.2
Н. Ф. Тимербаев, Д. Ф. Зиатдинова, А. Р. Садртдинов, Д. А. Ахметова, Р.С. Альмухаметов, Т. О. Степанова
УСТАНОВКА ПРОИЗВОДСТВА МЕТАНОЛА ИЗ ДРЕВЕСНЫХ ОТХОДОВ
Ключевые слова: древесные отходы, прямоточная газификация, синтез-газ, катализатор, компримирование, метанол.
Представлено описание пилотной установки для синтеза метанола из генераторного газа, полученного термической переработкой древесных отходов. Приведено описание конструкции реактора для синтеза метанола. Приведены результаты опытно-промышленных испытаний пилотной установки
Keywords: wood waste, direct-flow gasification, synthesis gas, catalyst, komprimirovaniye, methanol.
The description of pilot installation for synthesis of methanol from the generating gas received by thermal processing of wood waste is submitted. The description of a design of the reactor for methanol synthesis is provided. Results of trial tests of pilot installation are given.
Современные технологии, позволяют путем очистки генераторного газа, полученного прямоточной газификацией древесных отходов, получить синтез-газ, [1^17] состоящий преимущественно из окиси углерода и водорода, пригодный для производства метанола. [18^24]. В рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» в КНИТУ разработана пилотная установка для производства метанола (см. рис. 1).
производства метанола из древесных отходов
Согласно предложенной схеме, синтез газ (2/3 водорода и 1/3 окиси углерода), произведенный из древесных отходов на специальной установке 1, аккумулируется в ресивере 2 и подвергается сжатию до 4 МПа в компрессор 3. Компримированнный газ далее смешивается с циркуляционным газом в эжекторе 4 и поступает в дожимной компрессор 5. На выходе из компрессора давление газа составляет 5,6 МПа.
Далее газ до поступления в реактор синтеза метанола 8 делится на два потока. Первый (основной) поток нагревается до 250°С в электронагревателе 12 и подается сверху реактора 6, а второй - вспомогательный (байпас), служит для охлаждения реакционной зоны в средней части реактора. Байпас необходим, так как газ проходя через катализатор, состоящий из: Си (1); 2пО (0,3); СГ2О3 (0,15-0,2); МпО (0,05-0,1); MgO (0,05-0,1); А12О3 (0,25-0,3); ВаО (0,05), в результате
экзотермических реакций нагревается и имеет температуру свыше 250°С. Это пагубно сказывается на катализаторе и оборудовании, так как оно подвергается перегреву.
Температура парогазовой смеси на выходе из реактора составляет около 250°С, а доля метанола 3,0 - 5,0 об.%. Далее газ охлаждается до температуры 150°С в теплообменник 7. После, парогазовая смесь (метанол-сырец) дополнительно охлаждается в аппарате воздушного охлаждения (АВО) 8 до 40°С и поступает в сепаратор 9, где происходит его разделение на воду, метанол и газовую фазу, которая направляется на рецикл. Метанол из сепаратора собирается в сборнике метанола 10.
Для реализации разработанной схемы были проведены расчетные и исследовательские работы по выбору основных комплектующих: компрессоров, теплообменников,
электронагревателя синтез газа, аппарата воздушного охлаждения, сепаратора, сборника метанола-сырца, реактора синтеза метанола.
Теплообменник 7 выбирался исходя из температурных режимов процесса получения метанола. Продукты реакции, которые получаются при выходе из реактора синтеза-метанола используются в качестве теплоносителя. Исходя из результатов расчета и экспериментальных исследований выбран стандартный теплообменный кожухотрубчатый горизонтальный теплообменник типа ТТГ (F=20 м2, высота 2,0 м Бкожуха 0,47 м,, число труб 144 шт.).
Для подогрева полученного синтез-газа с температуры 180°С до 250°С, был выбран электронагреватель с наружным ленточным обогревом, утепленный негорючей минеральной ватой.
Аппарат воздушного охлаждения (АВО) предназначен для понижения температуры смеси метанола, воды и синтез-газа, выходящей из реактора и отдающей часть тепла в теплообменнике. Проходящий газ через АВО охлаждается за счет тепла, отнимаемого потоком воздуха через стенку, до температуры конденсации метанола. АВО выполнен в виде зигзагообразных, объединенных коллекторами оребренных труб. Воздух нагнетается
осевым вентилятором. В соответствии с расчетами выбран аппарат модели АВГ-160Г. АВО состоит из 10 оребренных труб (25x2-14,6-L-B*) длиной 1 м с коэффициентом оребрения 14,6. В зимний период времени для поддержания постоянной температуры охлаждаемых продуктов используется конструкция автоматически открывающихся и закрывающихся жалюзи. В случаях, когда температура воздуха приближается к минусовой и возможно переохлаждение конденсируемой жидкости, происходит полная остановка осевого вентилятора.
Сепаратор 9 представляет собой цилиндрический вертикальный сосуд, в котором метанол-сырец отделятся от воды и газовой фазы после каталитического синтеза метанола. В процессе разделения пары укрупняются в капли жидкости и отделяются от газа за счет силы гравитации и стекают в нижнюю часть сепаратора. Также за счет разности плотностей метанола и воды, последняя осаждается на дне сепаратора и отводится снизу аппарата, а метанол находится на поверхности жидкости и отводится на этом уровне с боку аппарата. В соответствии с расчетами выбран стандартный газовый сепаратор ГС-11 диаметром 0,45 м и длиной 1,25 м.
Для компримированния свежего синтез-газа целесообразно использовать многоступенчатый циркуляционный компрессор с системой охлаждения, так как расход свежего газа невелик, а давление на выходе из компрессора должно быть высоким. В качестве дожимного компрессора выбран газовый поршневой компрессор ГМИ-6.5/7, изготовленный в водородном исполнении с взрывозащитной системой и имеет возможность регулирования производительности и выходного давления.
Сборник метанола 10 предназначен для промежуточного хранения жидкого метанола. В соответствии с расчетами выбрана стандартная горизонтальная емкость, с эллиптическим днищем ГЭЭ 1-100-0,25.
В соответствии с расчетами также подобран реактор синтеза метанола 6 полочного типа с байпасом в вертикальном исполнении (рис. 2). Реактор имеет обечайку 1, крышки 2, 16 с фланцами 3, катализаторные кассеты, установленные внутри аппарата. Также имеются штуцера 4, 17 для подвода синтез-газа и отвода смеси продуктов реакций.
На обечайке, в заданном конструкцией реактора 6 месте, расположен штуцер 11 байпаса, штуцер 12 для датчика температуры и штуцер 15 для сбросного клапана. Все штуцера оснащены фланцами воротникового исполнения по ГОСТ 12815-80 для монтажа к ним внешнего оборудования.
Внутренняя конструкция реактора выполнена в виде набора катализаторных кассет, установленные друг на друге. На опорное ребро, приваренное изнутри к нижней части обечайки, устанавливается нижняя кассета 14 и заполняется катализатором СНМ-1. Дно кассеты выполнена из сетки с размером ячейки 0,2x0,2 мм. Вторая кассета 13, устанавливается на кассету 14 по принципу «шип-паз». На вторую кассету установлена третья кассета, отличающаяся от других тем, что в ней присутствует отверстие для ввода байпаса. Оно расположено напротив штуцера 11 подвода байпаса. Таким образом, камерой смешения байпасного потока и прореагировавшего газа, выходящего с верхней кассеты, выступает внутреннее пространство третьей кассеты.
Другие две катализаторные кассеты 9 и 10 устанавливаются аналогично. Верхняя кассета имеет крышку 8, которая выполнена из слоев сетки, для защиты катализатора от разрушения. Для предотвращения уноса частиц катализатора в нижней части реактора, после кассет, имеется слой керамических шариков.
Реактор синтеза установлен на опоре 5 юбочного типа на болтовых крепежах. Все элементы реактора и установки в целом изготовлены из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т.
По степени надежности и бесперебойности электроснабжения основное оборудование относится к первой категории, так как перерыв в электроснабжении этого оборудования может привести к опасности для жизни людей и значительному материальному ущербу, связанному с повреждением оборудования и длительному расстройству сложного технологического процесса. Также применяется взрывозащищенное
электрооборудование, так как производство метанола является взрыво- и пожароопасным.
Для измерения давления синтез-газа в установке применяют датчик давления КУРАНТ-ДИ-В, который подключен к компьютеру через аналого-цифровой преобразователь ШЯ-Еи-2-5. Датчик давления устанавливается в трубопроводе после компрессора для компримирования синтез-газа.
Состав синтез-газа, определяют через пробоотборник, установленный на выходе из газогенератора с помощью газоанализатора марки КР-1938 Т.
Процесс каталитического синтеза метанола обеспечивается за счет рециркуляции газов, который повышает выход метанола до 70% при давлении 5,6 МПа. Процентный состав получаемых органических веществ, в том числе и метанола, определяется с помощью хроматографа Кристалл-5000.
На рис. 3. представлен график изменения выхода метанола от давления в реакторе.
Р (МПа)
Рис. 3 - Зависимость выхода метанола от давления в реакторе каталитического синтеза
Как видно из графика, повышение давления способствует более глубокой переработке оксидов углерода, так как синтез метанола протекает с уменьшением объема.
Повышение давления с 2,0 до 5,0 МПа при Т = 260 °С (низкотемпературный синтез) способствует увеличению содержания метанола в смеси продуктов на выходе из реактора. Дальнейший рост давления не приводит к значительному увеличению выхода метанола, а напротив способствует протеканию побочных реакций с участием исходных и промежуточных компонентов. Анализ зависимости (рис. 3) выявил, что протекание процесса синтеза метанола наиболее оптимально при давлении 4,3 МПа.
На рис. 4 приведены значения изменения температуры катализатора по высоте слоя загрузки реактора.
190 1-т-т-т-т-т-,Ь[СМ]
0 10 20 30 40 50 60 70
Рис. 4 - Изменение температуры катализатора по высоте загрузки реактора
Благодаря высокой активности катализатора в начальный период, можно осуществлять синтез уже при температуре газа равной Т=205°С. Однако повышение температуры входе реакций, со временем снижает активность катализатора. Пожэтому температура газа на выходе из реактора выше чем на входе. Поддержание температурного процесса на уровне 230°С осуществляется при помощи введения байпаса в реактор, тем самым температура реакции значительно спадает, что способствует увеличению активности катализатора.
Представленные результаты получены в рамках реализации гранта Президента РФ по государственной поддержке молодых российских ученых на тему МК-3434.2015.8 «Разработка теоретических основ, технологии и оборудования комплексной термохимической переработки древесных отходов и растительной биомассы в сырье для химического синтеза и компоненты моторных топлив» (договор № 14.756.15.3434-МК от 16.02.2015 г.).
Литература
1. Садртдинов, А.Р. Совершенствование техники и технологии процесса газификации отходов деревообработки : дисс. канд. тех. наук // Казан. гос. технол. ун-т. Казань, 2011. - 139 с.
2. Патент РФ № 2507238. Газогенератор для газификации влажного топлива/ Р.Р. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Е.Ю. Разумов и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 20.06.2012 Бюл. № 5.
3. Тимербаев, Н.Ф. Комплексная энерготехнологическая переработка древесных отходов с применением прямоточной газификации : Монография / Н.Ф. Тимербаев. - Казань : КГТУ, 2011 г. - 246 с.
4. Тимербаев, Н.Ф. Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева // Известия высших учебных заведений «Проблемы энергетики». -2009 г. - № 5-6. - С. 86-89.
5. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса прямоточной газификации древесных отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Садртдинов, А.Р. Хисамеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2011. - № 7. - С. 75-79.
6. Тимербаев, Н.Ф. Исследование восстановительной зоны процесса газификации древесных отходов [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г Саттарова, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. -2011 г. -№ 8. -С.90-96.
7. Тимербаев, Н.Ф. Моделирование процесса энерготехнологической переработки древесных материалов методом прямоточной газификации [Текст] / Н.Ф. Тимербаев // Вестник Казанского технологического университета. -2012 г. -№ 1. -С.94-98.
8. Тимербаев, Н.Ф. Современное состояние энерготехнологической переработки древесных материалов методом газификации. [Текст] / Н.Ф. Тимербаев// Вестник Казанского технологического университета. -2012 г. -№ 1. -С.118-121.
9. Садртдинов, А.Р. Влияние предварительной тепловой обработки древесных отходов на процесс газификации и качество синтез газа / А.Р. Садртдинов, А.Н. Николаев, А.С. Торопов, В.А. Салдаев // Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - Т.17. - №1. -С. 89-90.
10. Саттарова, З.Г. Совершенствование технологии переработки древесных отходов в генераторный газ / Автореферат дисс. канд. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2013 г. - 16 с.
11. Гильфанов, К.Х. Исследование гетерогенных химических реакций, протекающих в восстановительной зоне реактора газификации древесных отходов [Текст] / К.Х. Гильфанов, Н.Ф. Тимербаев, З.Г. Саттарова, М.В. Хузеев // Известия высших учебных заведений «Проблемы энергетики». - 2012. - № 5-6. - С. 25-29.
12. Патент РФ № 2507238 Газогенератор для газификации влажного топлива/ Р.Р. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Р.Г. Сафин, Е.Ю. Разумов и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 20.06.2012 Бюл. № 5.
13. Тимербаев, Н.Ф. Комплексная энерготехнологическая переработка древесных отходов с применением прямоточной газификации / Автореферат дисс. докт. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2012 г. - 38 с.
14. Сафин, Р.Г. Разработка технологии получения моторного топлива из отходов деревообработки [Текст] / Р.Г. Сафин, Н.Ф. Тимербаев, З.Г. Саттарова, Т.Х. Галеев // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 11. - С. 205-207.
15. Тимербаев, Н.Ф. Совершенствование техники и технологии процесса газификации высоковлажных древесных отходов: монография / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева, Т.Д. Исхаков // М-во образ. и науки России, Казанский национальный исследовательский технологический университет. -Казань: КНИТУ, 2012. - 95 с.
16. Тимербаев, Н.Ф. Газификация влажных древесных отходов [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева, Д.А. Ахметова // Вестник Казанского технологического университета. - 2012. - № 17. - С.195-199.
17. Сафин, Р.Г. Разработка энергосберегающей технологии газогенерации древесных отходов [Текст] / Р.Г., Сафин, Н.Ф. Тимербаев, М.В. Шулаев, М.В. Хузеев, А.Р. Хисамеева // Известия высших учебных
заведений. Проблемы энергетики. - 2011. - №11-12. -С.63-70.
18. Патент РФ № 2489475 Способ переработки органических отходов / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Д.Ф. Зиатдинова, Р.Р. Сафин и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 10.08.2013 Бюл. № 5.
19. Тимербаев, Н.Ф. Техника и технологии термической переработки отходов деревообрабатывающей промышленности: Монография [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, З.Г. Саттарова. - Казань : КГТУ, 2010 г. - 172 с.
20. Тимербаев, Н.Ф. Газификация органических видов топлива [Текст] / Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, А.Р. Хисамеева // Вестник Казанского технологического университета. - 2011 г. - № 1. - С.326-330.
21. Поздеев, А.Г. Разработка установки по переработке древесных отходов в компоненты моторного топлива / А.Г. Поздеев, А.Р. Садртдинов, Д.Б. Просвирников, В.А. Салдаев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. - Т.16. - № 20. - С. 245-248.
22. Хисамеева, А.Р. Разработка техники и технологии термохимической переработки влажных древесных отходов в метанол / Автореферат дисс. канд. техн. наук, Казанский государственный технологический университет, Казань, 2013 г. - 16 с.
23. Патент № 2478604 Способ получения метанола КНИТУ опубликовано 10.04.2013 Бюл. № 10.
24. Патент № 2526622 Способ получения диметилового эфира / Д.Ф. Зиатдинова, Н.Ф. Тимербаев, Р.Г. Сафин, Р.Р. Сафин и др. патентообладатель КНИТУ, опубликовано 27.08.2014 Бюл. № 5.
© Н. Ф. Тимербаев - д.т.н., профессор кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, tnail@rambler.ru; Д. Ф. Зиатдинова - к.т.н., профессор кафедры переработки древесных материалов КНИТУ, Ziatdinova@rambler.ru; А. Р. Садртдинов - к.т.н., доцент каф. той же кафедры, dog_home@list.ru; Д. А. Ахметова - к.т.н., доцент той же кафедры, pdm_d@list.ru; Р. С. Альмухаметов - магистрант той же кафедры, almukhametov.rinat@mail.ru; Т. О. Степанова -магистрант той же кафедры, stepanova-211190@yandex.ru.
© N. F. Timerbaev - doctor of engineering, professor of chair of processing of wood materials KNRTU, tnail@rambler.ru; D. F. Ziatdinova - doctor of engineering, professor of chair of processing of wood materials, ziatdinova@rambler.ru; А. R. Sadrtdinov - candidate of technical sciences, associate professor of the Department of processing of wood materials KNRTU, dog_home@list.ru; D. A. Ahmetova - candidate of technical sciences, associate professor of processing of wood materials, pdm_d@list.ru; R. S. Almuchametov - undergraduate of chair of processing of wood materials, almukhametov.rinat@mail.ru; Т. О. Stepanova - undergraduate of chair of processing of wood materials, stepanova-211190@yandex.ru.
