RU2504443C1 - Method of plasma-catalytic processing of solid domestic wastes - Google Patents
Method of plasma-catalytic processing of solid domestic wastes Download PDFInfo
- Publication number
- RU2504443C1 RU2504443C1 RU2012151379/04A RU2012151379A RU2504443C1 RU 2504443 C1 RU2504443 C1 RU 2504443C1 RU 2012151379/04 A RU2012151379/04 A RU 2012151379/04A RU 2012151379 A RU2012151379 A RU 2012151379A RU 2504443 C1 RU2504443 C1 RU 2504443C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- pyrolysis
- methane
- hydrogen
- products
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Настоящее изобретение применимо в области охраны окружающей среды, а именно, в области переработки отходов.The present invention is applicable in the field of environmental protection, namely, in the field of waste processing.
В настоящее время в мире сложилось критическое положение с утилизацией твердых бытовых отходов. В существующей практике такие отходы предлагается перерабатывать на установках термического обезвреживания, где в результате пиролиза получают сухую золу - сырье для производства стройматериалов и асфальтобетонных смесей. Такое решение проблемы не является удовлетворительным, поскольку твердые остатки пиролиза содержат тяжелые металлы и, следовательно, не пригодны для промышленного использования и требуют захоронения. Кроме того, хлорорганические соединения, содержащиеся в твердых отходах, приводят к загрязнению окружающей среды диоксинами, фуранами и бифенилами, крайне опасными для здоровья человека и окружающей среды в целом.Currently, the world is in a critical situation with the disposal of municipal solid waste. In existing practice, it is proposed to recycle such waste in thermal treatment plants, where pyrolysis produces dry ash - raw materials for the production of building materials and asphalt mixtures. This solution to the problem is not satisfactory, since the solid pyrolysis residues contain heavy metals and, therefore, are not suitable for industrial use and require disposal. In addition, organochlorine compounds contained in solid waste lead to environmental pollution by dioxins, furans and biphenyls, which are extremely dangerous for human health and the environment as a whole.
Наиболее перспективной в настоящее время является технология переработки твердых бытовых отходов с использованием плазменных технологий переработки, использующих низкотемпературную плазму (2000-10000°C).Currently, the most promising technology is the processing of municipal solid waste using plasma processing technologies using low-temperature plasma (2000-10000 ° C).
Плазмохимические способы обеспечивают более высокую степень переработки (конверсия сырья составляет 96-98% масс.), увеличивают глубину переработки в низкомолекулярные химические соединения, а также сокращают количество стадий и уменьшают разветвленность химических процессов.Plasma-chemical methods provide a higher degree of processing (conversion of raw materials is 96-98% by mass), increase the processing depth into low molecular weight chemical compounds, and also reduce the number of stages and reduce the branching of chemical processes.
Процессы плазмохимической переработки органического сырья можно классифицировать по следующим основным признакам:The processes of plasma-chemical processing of organic raw materials can be classified according to the following main features:
1) плазмообразующий газ («рабочее тело» плазмотрона):1) plasma-forming gas ("working medium" of the plasma torch):
а) кислородсодержащий газ, в том числе и воздух;a) oxygen-containing gas, including air;
б) водяные пары;b) water vapor;
в) газообразные углеводороды;c) gaseous hydrocarbons;
г) водород или водородсодержащие газы;d) hydrogen or hydrogen-containing gases;
д) инертные газы;e) inert gases;
е) другие газы, в том числе и смеси указанных выше газов;f) other gases, including mixtures of the above gases;
2) наличие или отсутствие катализатора:2) the presence or absence of a catalyst:
а) без катализатора;a) without catalyst;
б) с использованием катализатора.b) using a catalyst.
В соответствии с этой классификацией, ниже приведено описание основных способов плазменной переработки органического сырья.In accordance with this classification, the following is a description of the main methods for plasma processing of organic raw materials.
Плазмохимическая переработка тяжелых нефтяных остатковPlasma-chemical processing of heavy oil residues
В способе [Патент РФ 2131906, МПК C10G 15/12, 27.01.1997] переработки тяжелых смол, содержащих эмульсионную воду и кокс, используют прием плазмохимического пиролиза с последующей закалкой продуктов и их разделением. Сырье предварительно гомогенизируют, продукты пиролиза после их закалки очищают от ацетилена путем каталитического гидрирования, конденсируют и направляют в основное производство, конденсат возвращают на гидрирование ацетилена, его избыток смешивают с сырьем, а метановодородную фракцию после разделения используют в качестве плазмообразующего газа и/или котельного топлива. Способ позволяет организовать переход к малоотходной замкнутой системе комплексной переработки сырья за счет утилизации экологически опасных отходов нефтехимической и химической промышленности, а также увеличить степень использования сырья и выход конечного продукта.In the method [RF Patent 2131906, IPC C10G 15/12, 01/27/1997] for processing heavy resins containing emulsion water and coke, plasma chemical pyrolysis is used, followed by quenching of the products and their separation. The raw materials are pre-homogenized, the pyrolysis products after quenching are purified from acetylene by catalytic hydrogenation, condensed and sent to the main production, the condensate is returned to the hydrogenation of acetylene, its excess is mixed with the raw material, and the methane-hydrogen fraction after separation is used as a plasma-forming gas and / or boiler fuel . The method allows to organize the transition to a low-waste closed-loop system of complex processing of raw materials through the disposal of environmentally hazardous waste from the petrochemical and chemical industries, as well as to increase the degree of use of raw materials and the yield of the final product.
В способе [Патент РФ 2129584, МПК C10G 15/12, 19.07.1996] тяжелые нефтяные остатки подвергают плазмохимическому пиролизу в струе водородсодержащего газа с получением пирогаза, технического углерода и переводом сернистых соединений в сероводород. Продукты пиролиза очищают от технического углерода с последующим осаждением редких металлов известными способами, сероводород подвергают диссоциации в СВЧ-плазме с получением полимерной серы и водорода, возвращая последний на стадию пиролиза. Из очищенных газов синтезируют моторное топливо. Способ позволяет расширить сырьевую базу, повысить эффективность процесса переработки и увеличить степень использования сырья.In the method [RF Patent 2129584, IPC C10G 15/12, 07/19/1996], heavy oil residues are subjected to plasma-chemical pyrolysis in a stream of hydrogen-containing gas to produce pyrogas, carbon black and transfer sulfur compounds to hydrogen sulfide. The pyrolysis products are purified from carbon black, followed by the precipitation of rare metals by known methods, hydrogen sulfide is subjected to dissociation in a microwave plasma to obtain polymer sulfur and hydrogen, returning the latter to the pyrolysis stage. Motor fuel is synthesized from purified gases. The method allows to expand the raw material base, increase the efficiency of the processing process and increase the degree of use of raw materials.
Известен способ гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций [Патент РФ 2319730, МПК C10G 15/12, 09.11.2006]. Предварительно подогретую до 60-370°C тяжелую углеводородную фракцию подвергают «бомбардировке» ионами водорода и ионами гидроксильной группы в реакторе без доступа кислорода, при этом ионы водорода и ионы гидроксильной группы подают в камеру в виде плазмы. Способ реализуется в устройстве для гидрокрекинга тяжелых углеводородных фракций, содержащем реактор, имеющий датчик уровня, датчик температуры, патрубок выхода не прореагировавшей части углеводородных фракций в парообразном состоянии. В верхней части реактора установлен плазмотрон соплом, а в нижней его части патрубок подачи тяжелых углеводородных фракций с форсункой, установленной с возможностью регулирования расстояния от сопла плазмотрона до ее верхней части. Способ и устройство для его реализации направлены на упрощение технологии гидрокрекинга тяжелого углеводородного сырья, увеличение производительности за счет возможности регулирования степени дробления углеводородных молекул временем «бомбардировки» их ионами, кинетической энергии ионов, начальной температурой углеводородных молекул, а также возможности работать устройству в двух технологических режимах: получения газа или жидких легких фракций.A known method of hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions [RF Patent 2319730, IPC C10G 15/12, 11/09/2006]. The heavy hydrocarbon fraction preheated to 60-370 ° C is subjected to “bombardment” with hydrogen ions and hydroxyl group ions in the reactor without oxygen, while hydrogen ions and hydroxyl group ions are supplied to the chamber as a plasma. The method is implemented in a device for hydrocracking of heavy hydrocarbon fractions, comprising a reactor having a level sensor, a temperature sensor, an outlet pipe for the unreacted part of the hydrocarbon fractions in the vapor state. A plasmatron is installed in the upper part of the reactor with a nozzle, and in its lower part a nozzle for supplying heavy hydrocarbon fractions with a nozzle installed with the possibility of controlling the distance from the plasma torch nozzle to its upper part. The method and device for its implementation are aimed at simplifying the technology of hydrocracking of heavy hydrocarbon feedstocks, increasing productivity due to the possibility of controlling the degree of fragmentation of hydrocarbon molecules by the time of "bombardment" of their ions, the kinetic energy of ions, the initial temperature of hydrocarbon molecules, as well as the ability to operate the device in two technological modes : receiving gas or liquid light fractions.
Гидрокрекинг с использованием плазменных технологий описан в способе [Патент РФ 2343181, МПК C10G 15/12, 17.10.2007]. Предварительно подогретую до 60-350°C тяжелую углеводородную фракцию подвергают воздействию плазмы для расщепления в зоне высокой температуры углеводородных молекул на атомы без доступа кислорода, последующей «бомбардировке» ими других углеводородных цепочек, дроблению их и гидрированию в зоне реакции, приводящему к образованию легких углеводородных фракций. Плазма представляет собой ионизированный высокотемпературный газ.Hydrocracking using plasma technologies is described in the method [RF Patent 2343181, IPC C10G 15/12, 10/17/2007]. The heavy hydrocarbon fraction preheated to 60-350 ° C is subjected to plasma to break down hydrocarbon molecules into atoms in the high-temperature zone without oxygen, followed by their “bombardment” of other hydrocarbon chains, their fragmentation and hydrogenation in the reaction zone, leading to the formation of light hydrocarbon fractions. Plasma is an ionized high temperature gas.
В работе [Кашапов Н.Ф., Нефедов Е.С., Тимеркаев Б.А., Фахрутдинов И.М. Разложение тяжелых углеводородов электродуговой плазмой. 36-я Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 2009, с.1] речь идет о переработке высоковязких нефтяных остатков - мазута и гудрона. Подчеркивается, что в последние годы в качестве одного из вариантов углубления переработки тяжелых нефтей и мазута предлагается использование мощного деструктивного процесса пиролиза в плазменной струе инертного газа, водородсодержащего газа, азота, обладающего уникальными возможностями, как по избирательности химических реакций, так и по простоте реализации технологического процесса. Интенсивности протекания химических реакций зависят от многих факторов, главными их которых являются температуры газа и сырья, мольные соотношения между теплоносителем и сырьем, состояния возбужденностей молекул, скорости протекания реакций, процессы тепломассообмена газодинамики, электродинамики и др. Кинетическое описание плазмохимических технологических процессов позволяет проследить их развитие во времени с учетом температуры, давления, вида исходного сырья. Исследования проводили в плазменном генераторе с продольным обдувом дуги и с вихревой стабилизацией дуги. Нагретая до 80°C нефть подавалась в зону выхода плазмы из анода. Нагрев газа в электрической дуге происходил главным образом за счет энергии, выделяющейся в столбе дуги. Смешиваясь с плазмообразующим газом, реагирующая масса проходила через реакционную камеру и поступала в камеру закалки. После камеры закалки переработанный продукт попадал в камеру с большим объемом, где выравнивался по распределению состава и скорости и проходил через зону окончательного охлаждения. На выходе газообразный продукт переработки имел температуру 25-30°C. Конечный продукт имел в составе газовую и твердую фазы. Твердая фаза представляла собой мелкодисперсную сажу. Образование легких фракций углеводородов за счет теплового разбиения тяжелых фракций возможно при температурах ниже 1000 К. Поэтому в электродуговой плазме с температурой 3000-6000 К, в основном, образуются углеводороды с углеродной связью типа C2H2, C2H4, C4H4, а также молекулярный водород и атомарный углерод.In the work [Kashapov N.F., Nefedov E.S., Timerkaev B.A., Fakhrutdinov I.M. Decomposition of heavy hydrocarbons by electric arc plasma. The 36th International (Zvenigorod) Conference on Plasma Physics and TCB, 2009, p.1] we are talking about the processing of highly viscous oil residues - fuel oil and tar. It is emphasized that in recent years, as one of the options for deepening the processing of heavy oils and fuel oil, it is proposed to use a powerful destructive pyrolysis process in a plasma jet of inert gas, hydrogen-containing gas, nitrogen, which has unique capabilities both in terms of the selectivity of chemical reactions and the ease of implementation of technological process. The intensities of chemical reactions depend on many factors, the main ones of which are gas and raw material temperatures, molar ratios between the coolant and raw materials, state of molecular excitations, reaction rates, heat and mass transfer of gas dynamics, electrodynamics, etc. A kinetic description of plasma-chemical technological processes allows us to trace their development in time taking into account temperature, pressure, type of feedstock. The studies were carried out in a plasma generator with longitudinal blowing of the arc and with vortex stabilization of the arc. Oil heated to 80 ° C was fed into the zone of plasma exit from the anode. Gas heating in an electric arc occurred mainly due to the energy released in the arc column. Mixed with a plasma-forming gas, the reacting mass passed through the reaction chamber and entered the quenching chamber. After the quenching chamber, the processed product fell into the chamber with a large volume, where it was leveled by the distribution of composition and speed and passed through the zone of final cooling. At the outlet, the gaseous product of processing had a temperature of 25-30 ° C. The final product was composed of gas and solid phases. The solid phase was fine soot. The formation of light hydrocarbon fractions due to the thermal decomposition of heavy fractions is possible at temperatures below 1000 K. Therefore, in an electric arc plasma with a temperature of 3000-6000 K, hydrocarbons with a carbon bond of the type C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 4 H are mainly formed 4 , as well as molecular hydrogen and atomic carbon.
Плазмохимическая переработка твердого или смеси твердого и жидкого сырьяPlasma-chemical processing of solid or a mixture of solid and liquid raw materials
Известен способ получения ацетилена пиролизом измельченного твердого сырья, смешанного предварительно с водяным паром, в пульсирующей в течение 0,001-0,009 с струе плазмы [Патент РФ 2009112, МПК C10G 15/12, 06/05/1992]. В качестве сырья используют органические отходы.A known method of producing acetylene by pyrolysis of crushed solid raw materials, previously mixed with water vapor, in a pulsating jet of plasma pulsating for 0.001-0.009 [RF Patent 2009112, IPC C10G 15/12, 06/05/1992]. Organic waste is used as raw material.
Известен способ переработки и утилизации донных отложений нефтешламовых амбаров [Патент РФ 2201407, МПК C10G 15/12, 30.10.2001]. Способ включает плазмохимическую обработку донных отложений в присутствии водорода, предварительно нагретого до температуры 3000-4000°C, с получением непредельных углеводородов C2-C4. Перед плазмохимической обработкой донные отложения нефтешламовых амбаров разбавляют сырой нефтью в массовом соотношении 1:0,25 и подогревают до температуры 90-95°C. Техническим результатом является создание малогабаритной, высокопроизводительной, безынерционной, экологически чистой технологии переработки отходов донных отложений нефтешламовых амбаров с получением целевых продуктов.A known method of processing and disposal of bottom sediments of oil sludge pits [RF Patent 2201407, IPC C10G 15/12, 10/30/2001]. The method includes plasma-chemical treatment of bottom sediments in the presence of hydrogen, preheated to a temperature of 3000-4000 ° C, to obtain unsaturated hydrocarbons C 2 -C 4 . Before plasma-chemical treatment, the bottom sediments of oil sludge pits are diluted with crude oil in a mass ratio of 1: 0.25 and heated to a temperature of 90-95 ° C. The technical result is the creation of a small-sized, high-performance, inertia-free, environmentally friendly technology for processing waste from bottom sediments of oil sludge pits to obtain target products.
Способ газификации твердых углеродсодержащих материалов [Патент РФ 2213766, МПК C10G 15/12, 17/06/2002] предусматривает получение синтез-газа из отходов пластмасс и включает подачу дисперсного сырья, плазмы водяного пара, их смешение, последующую плазмотермическую газификацию сырья и отвод получающихся продуктов. В способе двухфазный поток дисперсного сырья и водяной плазмы направляют на ванну расплава, образуемого за счет плавления не прореагировавшей части дисперсного сырья. Полученные продукты газификации отводят в противотоке к исходной двухфазной струе и перемешивают с последующим образованием закрученного потока. Способ реализуется в устройстве, содержащем плазмотермический реактор, двухструйный плазмотрон, узлы регулируемого ввода дисперсного сырья и водяного пара, узлы вывода синтез-газа и твердых частиц. Плазмотермический реактор состоит из связанных газоходом плазменно и циклонного реакторов. Способ позволяет повысить экономическую эффективность плазмотермического процесса получения синтез-газа высокого качества в компактном плазмотермическом реакторе за одну технологическую стадию.The method of gasification of solid carbon-containing materials [RF Patent 2213766, IPC C10G 15/12, 17/06/2002] provides for the production of synthesis gas from plastic waste and includes the supply of dispersed raw materials, water vapor plasma, their mixing, subsequent plasma-thermal gasification of the raw materials and removal of the resulting products. In the method, a two-phase flow of dispersed feed and water plasma is directed to a bath of melt formed by melting the unreacted portion of the particulate feed. The obtained gasification products are diverted in countercurrent to the initial two-phase stream and mixed with the subsequent formation of a swirling stream. The method is implemented in a device containing a plasma thermal reactor, two-jet plasmatron, nodes for the controlled input of dispersed raw materials and water vapor, nodes for the output of synthesis gas and solid particles. Plasma-thermal reactor consists of plasma-coupled and cyclone reactors connected by a gas duct. The method allows to increase the economic efficiency of the plasma-thermal process for producing high-quality synthesis gas in a compact plasma-thermal reactor in one technological stage.
Плазменно-каталитическая переработка углеводородного сырьяPlasma-catalytic processing of hydrocarbons
В способе очистки нефтяных фракций от сероорганических соединений [Патент РФ 2144558, МПК C10G 15/12, 13.05.1997], включающем высокотемпературный пиролиз в присутствии водорода и катализатора, процесс осуществляют в плазмохимическом реакторе, причем часть катализатора диспергируют в сырье механохимическим методом, а другую часть катализатора подают в закалочное устройство реактора в виде суспензии. Способ позволяет обеспечить глубокую очистку нефтяных фракций и уменьшить количество вредных отходов.In the method of purification of oil fractions from organosulfur compounds [RF Patent 2144558, IPC C10G 15/12, 05/13/1997], including high-temperature pyrolysis in the presence of hydrogen and a catalyst, the process is carried out in a plasma-chemical reactor, with some of the catalyst being dispersed in the feed by the mechanochemical method, and the other part of the catalyst is fed into the reactor quenching device in the form of a suspension. The method allows for deep purification of oil fractions and reduce the amount of harmful waste.
Известен способ утилизации нефтяных шламов [Патент РФ 2218378, МПК C10G 15/12, 09.12.2002] путем плазменной обработки нефтяных шламов в присутствии катализаторов. Плазменную обработку нефтяных шламов осуществляют в виде диспергированных горючих водотопливных композиций в условиях каталитически активной воздушной плазмы электрических разрядов при среднемассовой температуре 1500-6000 К за 10-5-10-3 с при содержании ультрадисперсных каталитически активных материалов 0,01-1,0 масс.%, полученных в процессе плазмокаталитической утилизации нефтяных шламов Плазмокаталитический реактор содержит плазменный генератор, реакционную камеру, форсунку и патрубки ввода сырья и вывода продуктов, причем плазменный генератор, реакционная камера и дисковая форсунка расположены горизонтально на одной осевой линии, плазменный генератор и дисковая форсунка присоединены к реакционной камере с противоположных сторон, дисковая форсунка содержит приводной вал, на котором установлены внешняя камера с дисками-эмульгаторами и внутренняя камера, содержащая втулку с отверстиями и диск-диспергатор, соединенные между собой корпусом с расположенным на нем уплотнительным кольцом, а реакционная камера содержит кварцевую трубу и водоохлаждаемый корпус с расположенным на нем патрубком вывода продуктов утилизации. К достоинствам установки и способа относятся: малые габариты, компактность и мобильность установки, высокая удельная производительность установки, низкие удельные затраты электроэнергии на утилизацию, получение дополнительной тепловой энергии от утилизации для технологических и бытовых потребностей, низкое содержание загрязняющих веществ в очищенных отходящих газах установки, отсутствие загрязняющих органических веществ в твердых продуктах утилизации, отсутствие сброса загрязненной воды.A known method of disposal of oil sludge [RF Patent 2218378, IPC C10G 15/12, 09/09/2002] by plasma treatment of oil sludge in the presence of catalysts. Plasma treatment of oil sludge is carried out in the form of dispersed combustible water-fuel compositions under the conditions of a catalytically active air plasma of electric discharges at a mass-average temperature of 1500-6000 K for 10 -5 -10 -3 s with a content of ultrafine catalytically active materials of 0.01-1.0 mass. % obtained in the process of plasma-catalytic disposal of oil sludge Plasma-catalytic reactor contains a plasma generator, a reaction chamber, a nozzle and nozzles for the input of raw materials and output of products, and plasma the herator, the reaction chamber and the disk nozzle are located horizontally on the same axial line, the plasma generator and the disk nozzle are connected to the reaction chamber from opposite sides, the disk nozzle contains a drive shaft on which an external chamber with emulsifier disks and an inner chamber containing a sleeve with holes are mounted and a dispersant disk, interconnected by a housing with a sealing ring located on it, and the reaction chamber contains a quartz tube and a water-cooled housing located the outlet pipe for disposal products displayed on it. The advantages of the installation and method include: small dimensions, compactness and mobility of the installation, high specific productivity of the installation, low specific costs of electricity for utilization, obtaining additional thermal energy from utilization for technological and domestic needs, low content of pollutants in the purified exhaust gases of the installation, lack of polluting organic substances in solid waste products, lack of discharge of contaminated water.
Получение этилена в способе [Патент РФ 2315802, МПК C10G 15/12, 28.01.2004] предусматривает конверсию метана плазменно-каталитическим окислением. Способ включает активацию катализатора СВЧ излучением и формирование неравновесной «холодной» СВЧ плазмы. Одновременно осуществляют активацию катализатора СВЧ излучением и СВЧ плазмой и создают неравновесную «холодную» СВЧ плазму.Obtaining ethylene in the method [RF Patent 2315802, IPC C10G 15/12, 01/28/2004] provides for the conversion of methane by plasma-catalytic oxidation. The method includes activation of the catalyst by microwave radiation and the formation of a nonequilibrium "cold" microwave plasma. At the same time, the catalyst is activated by microwave radiation and microwave plasma and creates a nonequilibrium "cold" microwave plasma.
Совмещение плазмохимического и каталитического процессов пиролиза реализовано в способе получения ацетилена из природного газа [Худяков Г.Н. и др. Влияние активирующих добавок на плазмохимический процесс образования ацетилена из природного газа. / II Всесоюзный симпозиум по плазмохимии. - Тезисы докладов. - Рига: Зинатне, 1975. - с.243-246]. В этом способе подают из питателя в плазменный поток водорода активирующую добавку (порошок карбоната калия), перемешивают поток со струями природного газа и осуществляют реакцию пиролиза, а затем охлаждают продукты реакции. Данный способ позволяет несколько увеличить выход конечного продукта, но не дает возможность полно использовать активирующие добавки, т.к. после введения добавки смесь плазменного потока с природным газом недостаточно однородна. Таким образом снижется интенсивность процессов плазмохимического пиролиза, увеличиваются удельные затраты электроэнергии и увеличивается расход добавок.The combination of the plasma chemical and catalytic pyrolysis processes is implemented in the method of producing acetylene from natural gas [Khudyakov G.N. et al. Effect of activating additives on the plasma-chemical process of the formation of acetylene from natural gas. / II All-Union Symposium on Plasma Chemistry. - Abstracts. - Riga: Zinatne, 1975. - p.243-246]. In this method, an activating additive (potassium carbonate powder) is fed from the feeder into the plasma stream of hydrogen, the stream is mixed with jets of natural gas and the pyrolysis reaction is carried out, and then the reaction products are cooled. This method allows you to slightly increase the yield of the final product, but does not allow the full use of activating additives, because after the introduction of the additive, the mixture of the plasma stream with natural gas is not homogeneous enough. Thus, the intensity of the processes of plasmachemical pyrolysis is reduced, the specific energy consumption is increased, and the consumption of additives is increased.
Известен способ переработки нефти и нефтяных остатков [Патент РФ 2149885, МПК C10G 15/12, 22.04.1997]. В соответствии с этим способом осуществляют плазмохимический пиролиз нефти и нефтяных остатков в присутствии катализатора, закалку продуктов пиролиза и разделение продуктов пиролиза. Используют мелкодисперсный катализатор, который независимо от фазового состояния (твердого, жидкого или газообразного) предварительно гомогенно диспергируют с сырьем, а затем полученную смесь подвергают плазмохимическому пиролизу. Масса катализатора составляет, предпочтительно, 1-5% массы сырья. Использованный катализатор после разделения продуктов пиролиза регенерируют и возвращают на стадию пиролиза. Процесс состоит из стадии подготовки сырья и катализатора, при котором сырье смешивают с мелкодисперсным катализатором, гомогенизируют смесь и направляют на следующую стадию, где гомогенизированную смесь подвергают плазмохимическому пиролизу с получением продуктов пиролиза, которые направляют на стадию разделения. При разделении продуктов пиролиза катализатор регенерируют и возвращают на стадию подготовки сырья, а технический углерод собирают для дальнейшего использования. Пироконденсат разделяют на непредельные углеводороды C2-C4, бензиновую и метановодородную фракции, возвращая последнюю на стадию плазмохимического пиролиза.A known method of processing oil and oil residues [RF Patent 2149885, IPC C10G 15/12, 04/22/1997]. In accordance with this method, plasmachemical pyrolysis of oil and oil residues is carried out in the presence of a catalyst, quenching of the pyrolysis products and separation of the pyrolysis products. A finely dispersed catalyst is used, which, regardless of the phase state (solid, liquid or gaseous), is preliminarily dispersed homogeneously with the feed, and then the resulting mixture is subjected to plasma-chemical pyrolysis. The weight of the catalyst is preferably 1-5% by weight of the feed. The used catalyst after separation of the pyrolysis products is regenerated and returned to the pyrolysis step. The process consists of the stage of preparing the feedstock and catalyst, in which the feedstock is mixed with a finely divided catalyst, the mixture is homogenized and sent to the next stage, where the homogenized mixture is subjected to plasma-chemical pyrolysis to obtain pyrolysis products that are sent to the separation stage. When separating the products of pyrolysis, the catalyst is regenerated and returned to the stage of preparation of raw materials, and carbon black is collected for further use. The pyrocondensate is separated into unsaturated hydrocarbons C 2 -C 4 , gasoline and hydrogen methane fractions, returning the latter to the stage of plasma-chemical pyrolysis.
Недостатком этого способа является сложность технологического процесса по катализаторному контуру, связанная с необходимостью обязательного выделения катализатора и повторного использования его в процессе.The disadvantage of this method is the complexity of the process along the catalyst circuit, associated with the need for mandatory allocation of the catalyst and its reuse in the process.
Целью настоящего изобретения является упрощение технологии процесса в части использования катализатора, интенсификация процесса за счет использования более активного катализатора, а также адаптация процесса для его использования для переработки твердых бытовых отходов.The aim of the present invention is to simplify the process technology in terms of the use of the catalyst, the intensification of the process through the use of a more active catalyst, as well as adaptation of the process for its use in the processing of municipal solid waste.
В соответствии с настоящим изобретением поставленная цель достигается способом переработки твердых бытовых отходов, включающим плазмохимический пиролиз гомогенизированной смеси, представляющей собой гомогенно диспергированную в сырье трехфазную систему, состоящую из высокодисперсных частиц катализатора, метановодородной фракции, выделенной на стадии разделения продуктов пиролиза, и жидких продуктов пиролиза, закалку продуктов пиролиза, выделение технического углерода и твердых частиц отработанного катализатора фильтрованием, и стадию разделения продуктов пиролиза с получением метановодородной фракции, жидких продуктов пиролиза и с рециклом части метановодородной фракции на стадию плазмохимического пиролиза.In accordance with the present invention, the goal is achieved by a method for processing municipal solid waste, including plasma-chemical pyrolysis of a homogenized mixture, which is a three-phase system homogeneously dispersed in raw materials, consisting of highly dispersed catalyst particles, a methane-hydrogen fraction separated at the stage of separation of pyrolysis products, and liquid pyrolysis products, hardening of pyrolysis products, emission of carbon black and solid particles of spent catalyst by filtration, and the stage of separation of the pyrolysis products to obtain a methane-hydrogen fraction, liquid pyrolysis products and with the recycling of part of the methane-hydrogen fraction to the plasma-chemical pyrolysis stage.
Предпочтительно в качестве катализатора используют высокодисперсные частицы концентрата соединений металлов, полученного при плазмохимическом пиролизе твердых бытовых отходов в смешанной метановодородной плазме.Preferably, finely dispersed particles of the concentrate of metal compounds obtained by plasma-chemical pyrolysis of municipal solid waste in mixed methane-hydrogen plasma are used as a catalyst.
Предпочтительно используют высокодисперсные частицы катализатора, прошедшие обработку в среде низкотемпературной плазмы, образованной в межэлектродном пространстве при напряжении между электродами 1,5-5,5 кВ и частоте 0,25-0,8 МГц, в присутствии пузырьков метановодородной смеси, имеющих размер 0,1-0,5 мм и в присутствии твердых части исходного катализатора, имеющих размер 10-100 микрон.It is preferable to use finely dispersed catalyst particles that have been processed in a low-temperature plasma medium formed in the interelectrode space at a voltage between electrodes of 1.5-5.5 kV and a frequency of 0.25-0.8 MHz, in the presence of bubbles of methane-hydrogen mixture having a size of 0, 1-0.5 mm and in the presence of solid parts of the starting catalyst having a size of 10-100 microns.
Процесс проводят следующим образом. В емкость подают твердые бытовые отходы. Туда же подают трехфазную систему, представляющую собой высокодисперсный катализатор, метановодородную фракцию, выделенную на стадии разделения продуктов пиролиза или другой водородсодержащий газ, и жидкие продукты пиролиза.The process is carried out as follows. Solid waste is served in the tank. A three-phase system, which is a highly dispersed catalyst, a methane-hydrogen fraction isolated at the stage of separation of the products of pyrolysis or another hydrogen-containing gas, and liquid pyrolysis products are also fed there.
Трехфазную систему получают в плазменном диспергаторе, представляющем собой замкнутый объем, в котором расположены горизонтальные электроды, к которым подводится электрический ток с напряжением 1,5-5,5 кВ и частотой 0,25-0,8 МГц. Туда же (в плазменный диспергатор) подают крупные частицы металла (0,1-0,5 мм), метановодородную смесь в виде пузырьков размером 10-100 микрон. Образование частиц высокодисперсного катализатора происходит в результате возникновения электрического разряда между горизонтальными электродами и крупными частицами металла. Перемешивание в плазменном диспергаторе происходит за счет циркуляции трехфазного потока в циркуляционном контуре плазменного диспергатора.The three-phase system is obtained in a plasma disperser, which is a closed volume in which horizontal electrodes are located, to which an electric current with a voltage of 1.5-5.5 kV and a frequency of 0.25-0.8 MHz is supplied. Large metal particles (0.1-0.5 mm), a methane-hydrogen mixture in the form of bubbles 10-100 microns in size, are fed there (into the plasma dispersant). The formation of particles of a highly dispersed catalyst occurs as a result of the occurrence of an electric discharge between horizontal electrodes and large metal particles. Mixing in the plasma dispersant occurs due to the circulation of a three-phase flow in the circulation circuit of the plasma dispersant.
Из емкости сырье вместе с трехфазной системой направляют в гомогенизатор (высокооборотное перемешивающее устройство) с дополнительным перемешиванием с помощью циркуляционного насоса в циркуляционном контуре «емкость-гомогенизатор-емкость».From the tank, the raw materials together with the three-phase system are sent to the homogenizer (high-speed mixing device) with additional mixing using a circulation pump in the tank-homogenizer-tank circulation loop.
Из гомогенизатора с помощью дозатора гомогенизированная смесь поступает в плазменный реактор, имеющий по крайней мере один плазмотрон, рабочим газом которого является метановодородная смесь, полученная в ходе самого процесса плазмохимического пиролиза.From the homogenizer, with the help of a dispenser, the homogenized mixture enters a plasma reactor having at least one plasmatron, the working gas of which is a methane-hydrogen mixture, obtained during the process of plasma chemical pyrolysis.
Твердые продукты пиролиза из плазменного реактора направляют на захоронение или на переработку для дальнейшего использования в качестве катализатора или в качестве компонента строительных материалов.The solid pyrolysis products from the plasma reactor are sent for disposal or for processing for further use as a catalyst or as a component of building materials.
Газообразные продукты пиролиза из плазменного реактора направляют в закалочное устройство, где происходит резкое снижение температуры и прекращение большинства реакций, в основном, радикально-цепных. Из закалочного устройства продукты пиролиза направляют в фильтр (например, в рукавный фильтр), где отделяют технический углерод и другие твердые частицы, в том числе и частицы отработанного катализатора. В случае, когда процесс плазмохимического пиролиза совмещен с переработкой твердых отходов, выделенные на стадии фильтрования твердые продукты направляют в плазменный реактор, подмешивая их к твердым отходам.The gaseous pyrolysis products from the plasma reactor are sent to a quenching device, where a sharp decrease in temperature occurs and most of the reactions, mainly radical chain reactions, cease. From the quenching device, the pyrolysis products are sent to a filter (for example, a bag filter), where carbon black and other solid particles, including spent catalyst particles, are separated. In the case when the process of plasma-chemical pyrolysis is combined with the processing of solid waste, the solid products isolated at the filtering stage are sent to the plasma reactor, mixing them with the solid waste.
После стадии фильтрования получают пироконденсат, который разделяют с получением жидких продуктов пиролиза, которые частично направляют в плазменный диспергатор для получения трехфазной системы, и метановодородной фракции, часть которой направляют в плазменный диспергатор для получения трехфазной системы. Полученную трехфазную систему смешивают с твердыми бытовыми отходами, полученную смесь после гомогенизации подвергают плазмохимическому пиролизу.After the filtration step, pyrolysis condensate is obtained, which is separated to obtain liquid pyrolysis products, which are partially sent to a plasma dispersant to obtain a three-phase system, and a methane-hydrogen fraction, part of which is directed to a plasma dispersant to obtain a three-phase system. The resulting three-phase system is mixed with municipal solid waste, the resulting mixture after homogenization is subjected to plasmachemical pyrolysis.
Преимуществом предлагаемого способа является использование более активного высокодисперсного катализатора и значительное упрощение технологии процесса, исключающее стадию выделения катализатора и повторное использование его в процессе. Высокая активность катализатора связана с получением его в токе низкотемпературной плазмы (электрический разряд между электродами), в результате которого происходит активация катализатора.The advantage of the proposed method is the use of a more active highly dispersed catalyst and a significant simplification of the process technology, eliminating the stage of separation of the catalyst and its reuse in the process. The high activity of the catalyst is associated with its production in a stream of low-temperature plasma (electrical discharge between the electrodes), as a result of which the catalyst is activated.
Пример осуществления способа плазменно-каталитической переработки твердых бытовых отходовAn example implementation of the method of plasma-catalytic processing of municipal solid waste
Процесс проводили следующим образом. В емкость подавали твердые бытовые отходы г.Москва со средним расходом 200 кг/ч. Туда же подавали трехфазную систему, представляющую собой гомогенизированную смесь высокодисперсного катализатора, метановодородной фракции, выделенной на стадии разделения углеводородных продуктов пиролиза, и жидких продуктов пиролиза. Средний расход трехфазной системы составил 47 кг/ч, при этом трехфазная система содержала, в среднем, 9 масс.% высокодисперсного катализатора, 24 масс.% метановодородной фракции и 67 масс.% бензиновой фракции.The process was carried out as follows. Solid waste from Moscow was supplied to the tank with an average consumption of 200 kg / h. A three-phase system was introduced there, which was a homogenized mixture of a finely dispersed catalyst, a methane-hydrogen fraction isolated at the stage of separation of hydrocarbon pyrolysis products, and liquid pyrolysis products. The average consumption of the three-phase system was 47 kg / h, while the three-phase system contained, on average, 9 wt.% Highly dispersed catalyst, 24 wt.% Methane-hydrogen fraction and 67 wt.% Gasoline fraction.
Трехфазную систему получали в плазменном диспергаторе, представляющем собой замкнутый объем, в котором расположены горизонтальные электроды, к которым подводится электрический ток с напряжением 5,5 кВ и частотой 0,6 МГц. В плазменный диспергатор подавали крупные - 0,1-0,5 мм - частицы концентрата соединений металлов, полученного при плазмохимическом пиролизе твердых бытовых отходов в смешанной метановодородной плазме, метановодородную фракцию в виде пузырьков размером 10-100 микрон и жидкие продукты пиролиза. Средний расход концентрата соединений металлов составил 4,2 кг/ч, метановодородной фракции - 11,3 кг/ч, жидких продуктов пиролиза - 31,5 кг/ч. Перемешивание в плазменном диспергаторе обеспечивали за счет циркуляции трехфазного потока в циркуляционном контуре плазменного диспергатора. Концентрат соединений металлов, полученный при плазмохимическом пиролизе твердых бытовых отходов в смешанной метановодородной плазме, по данным рентгенофлуоресцентного анализа содержал железо, никель, кобальт, вольфрам, хром, марганец, а также оксиды и карбиды этих металлов, при этом содержание соединений железа в концентрате превышало содержание соединений других металлов.The three-phase system was obtained in a plasma disperser, which is a closed volume in which there are horizontal electrodes to which an electric current with a voltage of 5.5 kV and a frequency of 0.6 MHz is supplied. Large — 0.1–0.5 mm — particles of the concentrate of metal compounds obtained by plasma-chemical pyrolysis of municipal solid waste in a mixed methane-hydrogen plasma, a methane-hydrogen fraction in the form of bubbles 10-100 microns in size and liquid pyrolysis products were fed into the plasma dispersant. The average consumption of the concentrate of metal compounds amounted to 4.2 kg / h, methane-hydrogen fraction - 11.3 kg / h, liquid pyrolysis products - 31.5 kg / h. Mixing in the plasma dispersant was ensured by the circulation of a three-phase flow in the circulation circuit of the plasma dispersant. According to the X-ray fluorescence analysis, the concentrate of metal compounds obtained by plasma-chemical pyrolysis of solid household waste in a mixed methane-hydrogen plasma contained iron, nickel, cobalt, tungsten, chromium, manganese, and also the oxides and carbides of these metals, while the content of iron compounds in the concentrate exceeded the content of compounds of other metals.
Из емкости твердые бытовые отходы вместе с трехфазной системой направляли в гомогенизатор. Гомогенизированную смесь подавали в плазменный реактор. В реакторе смесь в течение 10-3 с обрабатывали метановодородной плазмой, полученной с использованием плазмотрона ЭДП-200 (НИЦ «Курчатовский институт») мощностью 200 кВт.Solid waste from the tank, together with a three-phase system, was sent to a homogenizer. The homogenized mixture was fed to a plasma reactor. In the reactor, the mixture was treated for 10 -3 s with methane-hydrogen plasma obtained using an EDP-200 plasmatron (Research Center Kurchatov Institute) with a power of 200 kW.
Газообразные продукты пиролиза из плазменного реактора охлаждали в закалочном устройстве, из закалочного устройства продукты пиролиза направляли в рукавный фильтр, где отделяли технический углерод и другие твердые частицы, в том числе и частицы отработанного катализатора. После пиролиза выделяли, в среднем, 37 кг/твердых продуктов пиролиза.The gaseous pyrolysis products from the plasma reactor were cooled in a quenching device, from the quenching device, the pyrolysis products were sent to a bag filter where carbon black and other solid particles, including spent catalyst particles, were separated. After pyrolysis, an average of 37 kg / solid pyrolysis products were isolated.
После стадии фильтрования пироконденсат направляли на стадию разделения, где из него выделяли жидкие продукты пиролиза и метановодородную фракцию. После пиролиза выделяли, в среднем, 71 кг/ч жидких продуктов пиролиза, 92 кг/ч метановодородной фракции, затем 12% полученной метановодородной фракции направляли в плазменный диспергатор для получения трехфазной системы, в плазменный диспергатор для получения трехфазной системы направляли также 44% полученных жидких продуктов пиролиза.After the filtration step, the pyrolysis condensate was sent to the separation step, where liquid pyrolysis products and the methane-hydrogen fraction were isolated from it. After pyrolysis, an average of 71 kg / h of liquid pyrolysis products was isolated, 92 kg / h of methane-hydrogen fraction, then 12% of the obtained methane-hydrogen fraction was sent to a plasma dispersant to obtain a three-phase system, 44% of the obtained liquid were also sent to a plasma dispersant to obtain a three-phase system pyrolysis products.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012151379/04A RU2504443C1 (en) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | Method of plasma-catalytic processing of solid domestic wastes |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012151379/04A RU2504443C1 (en) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | Method of plasma-catalytic processing of solid domestic wastes |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2504443C1 true RU2504443C1 (en) | 2014-01-20 |
Family
ID=49947941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012151379/04A RU2504443C1 (en) | 2012-11-30 | 2012-11-30 | Method of plasma-catalytic processing of solid domestic wastes |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2504443C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4980092A (en) * | 1988-04-22 | 1990-12-25 | Aerospatiale Societe Nationale Industrielle | Method for the destruction of chemically stable waste |
| RU2215771C2 (en) * | 2001-11-13 | 2003-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет | Solid domestic waste processing method |
| RU2273625C2 (en) * | 2004-02-03 | 2006-04-10 | Александр Филиппович Решетняк | Solid household waste disposal method |
| WO2009156761A2 (en) * | 2008-06-25 | 2009-12-30 | Horizon Ventures Limited | Processing of waste |
-
2012
- 2012-11-30 RU RU2012151379/04A patent/RU2504443C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4980092A (en) * | 1988-04-22 | 1990-12-25 | Aerospatiale Societe Nationale Industrielle | Method for the destruction of chemically stable waste |
| RU2215771C2 (en) * | 2001-11-13 | 2003-11-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Тюменский государственный нефтегазовый университет | Solid domestic waste processing method |
| RU2273625C2 (en) * | 2004-02-03 | 2006-04-10 | Александр Филиппович Решетняк | Solid household waste disposal method |
| WO2009156761A2 (en) * | 2008-06-25 | 2009-12-30 | Horizon Ventures Limited | Processing of waste |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tang et al. | Development of plasma pyrolysis/gasification systems for energy efficient and environmentally sound waste disposal | |
| US6184427B1 (en) | Process and reactor for microwave cracking of plastic materials | |
| Tatarova et al. | Plasmas for environmental issues: From hydrogen production to 2D materials assembly | |
| US8378161B1 (en) | Method and apparatus for microwave depolymerization of hydrocarbon feedstocks | |
| US8052946B2 (en) | System and process for upgrading heavy hydrocarbons | |
| EA008269B1 (en) | A method of converting coal into fuels | |
| WO2012177666A1 (en) | Apparatus and method for hydrocarbon pyrolysis | |
| Zhang et al. | Product characteristics and potential energy recovery for microwave assisted pyrolysis of waste printed circuit boards in a continuously operated auger pyrolyser | |
| Yan et al. | China goes green: cleaner production of chemicals | |
| CN100445244C (en) | Method and structure of preventing channel of reactor for preparing ethyne by cracking plasma coal from coking | |
| CN111088057A (en) | Method for producing hydrogen by using waste plastics to produce oil | |
| CN103084129B (en) | Multi-stage plasma cracking carbonaceous material reactor and method for producing acetylene by using same | |
| CN111233301A (en) | Oil sludge treatment method and oil sludge treatment system | |
| RU2503709C1 (en) | Processing method of oil and/or oil residues | |
| RU2349545C2 (en) | Device for producing technical carbon and hydrogen | |
| Mallick et al. | Experimental investigation of acrylonitrile butadiene styrene plastics plasma gasification | |
| RU2504443C1 (en) | Method of plasma-catalytic processing of solid domestic wastes | |
| WO2010085168A1 (en) | Method and plant for the preparation and deep conversion of hydrocarbon raw materials | |
| RU2333238C2 (en) | Method of organic waste processing (versions) | |
| WO2000013786A9 (en) | Device with plasma from mobile electric discharges and its applications to convert carbon matter | |
| US20130333288A1 (en) | Production of Fuel Gas by Pyrolysis utilizing a High Pressure Electric Arc | |
| RU2422493C1 (en) | Procedure for hydrocarbon cracking and plasma reactor for its implementation | |
| RU106616U1 (en) | PLANT FOR PRODUCING A HIGH-CALORNY PLASMOGAS FROM CARBON-CONTAINING WATER-ORGANIC ULTRA-DISPERSION SYSTEMS | |
| RU2218378C1 (en) | Method of utilizing oil slimes and plasma-catalytic reactor for implementation of the method | |
| CN113636730A (en) | Oil sludge pyrolysis treatment system |