RU2843965C1 - Method of producing biofuel and apparatus therefor - Google Patents
Method of producing biofuel and apparatus thereforInfo
- Publication number
- RU2843965C1 RU2843965C1 RU2024107876A RU2024107876A RU2843965C1 RU 2843965 C1 RU2843965 C1 RU 2843965C1 RU 2024107876 A RU2024107876 A RU 2024107876A RU 2024107876 A RU2024107876 A RU 2024107876A RU 2843965 C1 RU2843965 C1 RU 2843965C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- carbon dioxide
- hydrothermal liquefaction
- ammonia
- biofuel
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к области современных технологий получения биотоплива из нетрадиционных природных источников путем проведения процесса гидротермального сжижения микроводорослей.The invention relates to the field of modern technologies for obtaining biofuel from non-traditional natural sources by carrying out the process of hydrothermal liquefaction of microalgae.
Известен способ производства биотоплива (Пат. РФ 2575707, C10G 1/06), включающий обработку органического вещества, в качестве которого используют уголь или древесно-волокнистое вещество, водным растворителем и по меньшей мере одним катализатором, где органическое вещество и водный растворитель представляют собой суспензию; при этом обработка включает нагревание и повышение давления до температуры 250-400°С и давления 100-300 бар соответственно для получения биотоплива в виде бионефти с последующим охлаждением и понижением давления суспензии.A method for producing biofuel is known (Patent RF 2575707, C10G 1/06), including the processing of an organic substance, which is coal or wood-fiber substance, with an aqueous solvent and at least one catalyst, where the organic substance and the aqueous solvent are a suspension; wherein the processing includes heating and increasing the pressure to a temperature of 250-400°C and a pressure of 100-300 bar, respectively, to obtain biofuel in the form of bio-oil, followed by cooling and lowering the pressure of the suspension.
Существенным недостатком известного способа является сложность удаления катализатора из продуктов гидротермального сжижения, что имеет важное значение для чистоты получаемого биотоплива. Традиционные методы регенерации катализаторов, основанные на контролируемом выжиге кокса кислородсодержащими смесями при температурах катализа 400-600°С, являются энерго - и ресурсоемкими, результат которых не всегда удовлетворяет требованиям химического процесса, так как снижается ресурс катализатора, ухудшаются такие показатели, как активность и селективность, от которых зависит выход целевого продукта.A significant disadvantage of the known method is the difficulty of removing the catalyst from the products of hydrothermal liquefaction, which is important for the purity of the resulting biofuel. Traditional methods of catalyst regeneration based on controlled coke burning with oxygen-containing mixtures at catalysis temperatures of 400-600°C are energy- and resource-intensive, the result of which does not always meet the requirements of the chemical process, since the catalyst resource is reduced, such indicators as activity and selectivity, on which the yield of the target product depends, deteriorate.
Одним из вариантов решения этой проблемы является осуществление процесса регенерации катализаторов с использованием сверхкритического флюидного (СКФ) диоксида углерода. Его уникальные свойства обеспечивают резкое повышение эффективности и экономичности, а также экологической чистоты технологии. СКФ метод заключается в том, что температура проведения процесса регенерации уменьшается более чем в 2-5 раз и составляет 50-110°С, что является одним из основных преимуществ в снижении энергозатрат, а так же при более низких температурах не разрушается сам катализатор вследствие его спекания. Вместе с этим уменьшается время проведения процесса с 30-50 часов до 4-7 часов [Jaddoa А.А., Билалов Т.Р., Гумеров Ф.М. Регенерация катализаторов с использованием сверхкритических флюидных сред / Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 19. С. 155-158.]One of the solutions to this problem is to implement the catalyst regeneration process using supercritical fluid (SCF) carbon dioxide. Its unique properties provide a sharp increase in efficiency and cost effectiveness, as well as environmental friendliness of the technology. The SCF method consists in the fact that the temperature of the regeneration process is reduced by more than 2-5 times and is 50-110 ° C, which is one of the main advantages in reducing energy costs, and at lower temperatures the catalyst itself is not destroyed due to its sintering. At the same time, the process time is reduced from 30-50 hours to 4-7 hours [Jaddoa A.A., Bilalov T.R., Gumerov F.M. Catalyst regeneration using supercritical fluid media / Bulletin of the Kazan Technological University. 2014. Vol. 17. No. 19. P. 155-158.]
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ производства биотоплива (Пат. РФ 2689325, C10G 1/06), предусматривающий подготовку водной суспензии биомассы микроводорослей из исходного сырья с содержанием влаги 90-97% при перемешивании и световом излучении с интенсивностью не менее 5 Вт/м, подогрев подготовленной водной суспензии биомассы микроводорослей до температуры 50-200°С и ее гидротермальное сжижение при температуре 455-600°С и давлении 10-30 МПа в течение 1-9 мин в присутствии гетерогенного катализатора с периодической его регенерацией; сепарацию продуктов гидротермального сжижения; подготовку смеси, состоящей из природного газа, воздуха и газообразных продуктов гидротермального сжижения, и ее подачу к фронту горения в процессе гидротермального сжижения; охлаждение продуктов гидротермального сжижения и их отвод в качестве готового биотоплива.The closest in technical essence and achieved effect is the method of producing biofuel (Patent of the Russian Federation 2689325, C10G 1/06), which provides for the preparation of an aqueous suspension of microalgae biomass from the initial raw material with a moisture content of 90-97% with stirring and light radiation with an intensity of at least 5 W/m, heating the prepared aqueous suspension of microalgae biomass to a temperature of 50-200 °C and its hydrothermal liquefaction at a temperature of 455-600 °C and a pressure of 10-30 MPa for 1-9 min in the presence of a heterogeneous catalyst with its periodic regeneration; separation of the hydrothermal liquefaction products; preparation of a mixture consisting of natural gas, air and gaseous products of hydrothermal liquefaction, and its supply to the combustion front during the hydrothermal liquefaction process; cooling the hydrothermal liquefaction products and their removal as finished biofuel.
Известный способ малоэффективен, так как не предусматривает реализацию основных принципов энергосбережения, связанных с организацией рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам, не создает условий для утилизации и рекуперации вторичных энергоресурсов за счет рационального использования отработанных теплоносителей, не позволяет повысить экологическую безопасность при получении биотоплива.The known method is ineffective, since it does not provide for the implementation of the basic principles of energy conservation associated with the organization of recirculation schemes for material and energy flows, does not create conditions for the utilization and recovery of secondary energy resources through the rational use of waste heat carriers, and does not improve environmental safety in the production of biofuels.
В способе не раскрывается процесс регенерации гетерогенного катализатора; не рассматривается возможность многократного использования растворителя в замкнутом цикле, в качестве которого целесообразно использовать сверхкритический флюидный диоксид углерода; не предусмотрено подключение холодильной машины в общую схему энергоснабжения, обеспечивающей получение низкопотенциального энергоносителя, что позволило бы в установившемся режиме гидротермального сжижения осуществлять сжижение диоксида углерода, доводить его до сверхкритического флюидного состояния и направлять на регенерацию гетерогенного катализатора, обеспечивая его высокую селективность, а следовательно и повышение выхода целевого продукта.The method does not disclose the process of regeneration of the heterogeneous catalyst; the possibility of multiple use of the solvent in a closed cycle, for which it is advisable to use supercritical fluid carbon dioxide, is not considered; there is no provision for connecting the refrigeration machine to the general power supply circuit, ensuring the production of a low-potential energy carrier, which would allow, in the steady-state mode of hydrothermal liquefaction, to liquefy carbon dioxide, bring it to a supercritical fluid state and direct it to the regeneration of the heterogeneous catalyst, ensuring its high selectivity, and consequently an increase in the yield of the target product.
Известно устройство для получения бионефти из микроводорослей путем гидротермального сжижения (С.Jazrawi, P. Biller, А.В. Ross, A. Montoya, Т. Maschmeyer, B.S. Haynes, Algal Research, 2 (2013) 268-277), содержащее узел подачи водной суспензии биомассы в реактор, блок гидротермального сжижения, состоящий из одного проточного реактора, узел нагрева реактора, выполненный в виде песчаной бани и узел охлаждения, состоящий из двух последовательных теплообменников. Процесс гидротермального сжижения основан на некаталитической обработке водной суспензии микроводорослей в проточном реакторе, нагрев которого обеспечивается внешним электрическим нагревателем, передающим тепло песчаной засыпке, от которой тепло затем передается реактору.A device for obtaining bio-oil from microalgae by hydrothermal liquefaction is known (C. Jazrawi, P. Biller, A. B. Ross, A. Montoya, T. Maschmeyer, B. S. Haynes, Algal Research, 2 (2013) 268-277), comprising a unit for feeding an aqueous suspension of biomass into a reactor, a hydrothermal liquefaction block consisting of one flow reactor, a reactor heating unit made in the form of a sand bath and a cooling unit consisting of two successive heat exchangers. The hydrothermal liquefaction process is based on non-catalytic treatment of an aqueous suspension of microalgae in a flow reactor, the heating of which is provided by an external electric heater that transfers heat to a sand bed, from which the heat is then transferred to the reactor.
Недостатками данного устройства для получения бионефти из микроводорослей являются низкие производительность и энергетическая эффективность, вследствие больших тепловых потерь. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена утилизация газообразных продуктов гидротермального сжижения, что отрицательно отражается на показателях экологичности работы установки.The disadvantages of this device for obtaining bio-oil from microalgae are low productivity and energy efficiency, due to large heat losses. In addition, the known device does not provide for the disposal of gaseous products of hydrothermal liquefaction, which negatively affects the environmental performance of the installation.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является установка для производства биотоплива (Пат. РФ 2689325, C10G 1/06), включающая камеру предварительной обработки исходного сырья с установленными в ней мешалкой, источником светового излучения и с линиями ввода воды и биомассы водорослей, емкость с водой, блок гидротермального сжижения, состоящий из двух реакторов, заполненных гетерогенным катализатором и работающих поочередно в режиме гидротермального сжижения и в режиме регенерации катализатора, узел нагрева реакторов, выполненный в виде установленных в полостях реакторов горелок, и блок сбора и сепарации биотоплива с размещенным в нем узлом охлаждения в виде змеевика, при этом выходы емкости с водой и камеры предварительной обработки исходного сырья через регулируемые клапаны подсоединены к насосу высокого давления, выход которого подключен посредством байпасной линии с установленным на ней управляемым клапаном к камере предварительной обработки исходного сырья и к одному из концов змеевика, другой конец которого подсоединен через управляемые клапаны к входам реакторов с образованием замкнутого контура циркуляции полученного продукта предварительной обработки исходного сырья, нижние выходы реакторов через регулируемые клапаны подключены к входу блока сбора и сепарации биотоплива и к линии вывода продуктов сгорания, а линия выхода газообразных продуктов из блока сбора и сепарации биотоплива совместно с линиями подачи топлива и воздуха подсоединена к линии питания горелок, на которой установлены регулируемые задвижки горелок, связанные с коммутирующим элементом, осуществляющим поочередное включение и отключение горелок.The closest in technical essence and achieved effect is the installation for the production of biofuel (Patent of the Russian Federation 2689325, C10G 1/06), including a chamber for preliminary processing of the feedstock with a mixer installed therein, a source of light radiation and with lines for the input of water and algae biomass, a container with water, a hydrothermal liquefaction unit consisting of two reactors filled with a heterogeneous catalyst and operating alternately in the hydrothermal liquefaction mode and in the catalyst regeneration mode, a reactor heating unit made in the form of burners installed in the cavities of the reactors, and a biofuel collection and separation unit with a cooling unit placed in it in the form of a coil, wherein the outlets of the container with water and the chamber for preliminary processing of the feedstock are connected through adjustable valves to a high-pressure pump, the outlet of which is connected by means of a bypass line with a controlled valve installed on it to the chamber for preliminary processing of the feedstock and to one of the ends of the coil, the other end of which connected via controlled valves to the reactor inlets to form a closed circulation loop for the obtained product of preliminary processing of the feedstock, the lower outlets of the reactors are connected via adjustable valves to the inlet of the biofuel collection and separation unit and to the combustion product outlet line, and the outlet line for gaseous products from the biofuel collection and separation unit, together with the fuel and air supply lines, is connected to the burner feed line, on which adjustable burner valves are installed, connected to a switching element that alternately switches the burners on and off.
Известная установка малоэффективна, так как не предусматривают реализацию основных принципов энергосбережения, связанных с организацией рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам с применением холодильной техники. Их конструктивное оформление не позволяет обеспечить утилизацию и рекуперацию вторичных энергоресурсов за счет рационального использования отработанных теплоносителей, повысить производительность установки за счет сокращения времени регенерации гетерогенного катализатора в процессе гидротермального сжижения смеси воды и биомассы водорослей.The known installation is ineffective, since it does not provide for the implementation of the basic principles of energy saving associated with the organization of recirculation schemes for material and energy flows using refrigeration equipment. Their design does not allow for the utilization and recovery of secondary energy resources due to the rational use of spent heat carriers, to increase the productivity of the installation by reducing the regeneration time of the heterogeneous catalyst in the process of hydrothermal liquefaction of a mixture of water and algae biomass.
Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности, производительности и экологической безопасности способа получения биотоплива из биомассы микроводорослей методом гидротермального сжижения.The objective of the invention is to increase the energy efficiency, productivity and environmental safety of the method for producing biofuel from microalgae biomass using the hydrothermal liquefaction method.
Поставленная техническая задача изобретения достигается тем, что в способе производства биотоплива, предусматривающем подготовку водной суспензии биомассы микроводорослей из исходного сырья с содержанием влаги 90-97% при перемешивании и световом излучении с интенсивностью не менее 5 Вт/м2, подогрев подготовленной водной суспензии биомассы микроводорослей до температуры 50-200°С и ее гидротермальное сжижение при температуре 455-600°С и давлении 10-30 МПа в течение 1-9 мин в присутствии гетерогенного катализатора с периодической его регенерацией сверхкритическим флюидным диоксидом углерода; сепарацию продуктов гидротермального сжижения; подготовку смеси, состоящей из природного газа, воздуха и газообразных продуктов гидротермального сжижения, и ее подачу к фронту горения в процессе гидротермального сжижения; охлаждение продуктов гидротермального сжижения и их отвод в качестве готового биотоплива; согласно изобретению получают рабочий пар с температурой 150°С, используют его для генерации альтернативной энергии при закипании рабочего тела при температуре 140°С, в качестве которого используют крепкий водоаммиачный раствор, конденсируют отделившиеся пары аммиака при температуре 40°С, дросселируют сконденсированный аммиак до температуры его кипения минус 45°С при давлении 54,5 кПа, абсорбируют пары кипящего аммиака слабым водоаммиачным раствором при температуре 35°С, получают крепкий водоаммиачный раствор и возвращают на закипание в режиме замкнутого цикла; осуществляют подготовку промежуточного хладагента, в качестве которого используют тосол с температурой минус 40°С при рекуперативном теплообмене с кипящим аммиаком; периодическую регенерацию гетерогенного катализатора осуществляют сверхкритическим флюидным диоксидом углерода с температурой 260°С, который используют в качестве растворителя, после чего отводят пары диоксида углерода и конденсируют при давлении 15 МПа и температуре минус 40°С; полученный сжиженный диоксид углерода нагревают до сверхкритического состояния и под давлением 0,5 МПа возвращают на регенерацию гетерогенного катализатора в режиме замкнутого цикла; тосол используют для конденсации диоксида углерода, а также для охлаждения продуктов гидротермического сжижения и для получения низкопотенциального пара; при этом низкопотенциальный пар сначала нагревают при рекуперативном теплообмене с продуктами гидротермального сжижения и получают высокопотенциальный пар, который распределяют по двум потокам, один из которых охлаждают при рекуперативном теплообмене с тосолом и получают низкопотенциальный пар с последующей подачей на генерацию альтернативной энергии в режиме замкнутого цикла; а второй поток направляют на нагревание диоксида углерода до сверхкритического флюидного состояния.The stated technical problem of the invention is achieved in that in the method for producing biofuel, which provides for the preparation of an aqueous suspension of microalgae biomass from a feedstock with a moisture content of 90-97% with stirring and light radiation with an intensity of at least 5 W/ m2 , heating the prepared aqueous suspension of microalgae biomass to a temperature of 50-200°C and its hydrothermal liquefaction at a temperature of 455-600°C and a pressure of 10-30 MPa for 1-9 min in the presence of a heterogeneous catalyst with its periodic regeneration with supercritical fluid carbon dioxide; separation of the hydrothermal liquefaction products; preparation of a mixture consisting of natural gas, air and gaseous products of hydrothermal liquefaction, and its supply to the combustion front during the hydrothermal liquefaction process; cooling the hydrothermal liquefaction products and their removal as finished biofuel; according to the invention, working steam with a temperature of 150°C is obtained, it is used to generate alternative energy by boiling the working fluid at a temperature of 140°C, which is a strong water-ammonia solution, the separated ammonia vapors are condensed at a temperature of 40°C, the condensed ammonia is throttled to its boiling temperature of minus 45°C at a pressure of 54.5 kPa, the boiling ammonia vapors are absorbed by a weak water-ammonia solution at a temperature of 35°C, a strong water-ammonia solution is obtained and returned to boiling in a closed cycle mode; an intermediate coolant is prepared, which is antifreeze with a temperature of minus 40°C, during recuperative heat exchange with boiling ammonia; periodic regeneration of the heterogeneous catalyst is carried out with supercritical fluid carbon dioxide with a temperature of 260°C, which is used as a solvent, after which the carbon dioxide vapors are removed and condensed at a pressure of 15 MPa and a temperature of minus 40°C; the resulting liquefied carbon dioxide is heated to a supercritical state and returned under a pressure of 0.5 MPa for regeneration of the heterogeneous catalyst in a closed-loop mode; antifreeze is used for condensing carbon dioxide, as well as for cooling the products of hydrothermal liquefaction and for obtaining low-potential steam; wherein the low-potential steam is first heated during recuperative heat exchange with the products of hydrothermal liquefaction and high-potential steam is obtained, which is distributed over two streams, one of which is cooled during recuperative heat exchange with antifreeze and low-potential steam is obtained with subsequent feeding to the generation of alternative energy in a closed-loop mode; and the second flow is directed to heating carbon dioxide to a supercritical fluid state.
Установка для производства биотоплива, включающая камеру предварительной обработки исходного сырья с установленными в ней мешалкой и источником светового излучения и с линиями ввода воды и биомассы водорослей, емкость с водой, блок гидротермального сжижения, состоящий из двух реакторов, заполненных гетерогенным катализатором и работающих поочередно в режиме гидротермального сжижения и в режиме регенерации катализатора, узел нагрева реакторов, выполненный в виде установленных в полостях реакторов горелок, и блок сбора и сепарации биотоплива с размещенным в нем узлом охлаждения в виде змеевика, при этом выходы емкости с водой и камеры предварительной обработки исходного сырья через регулируемые клапаны подсоединены к насосу высокого давления, выход которого подключен посредством байпасной линии с установленным на ней управляемым клапаном к камере предварительной обработки исходного сырья и к одному из концов змеевика, другой конец которого подсоединен через управляемые клапаны к входам реакторов с образованием замкнутого контура циркуляции полученного продукта предварительной обработки исходного сырья, нижние выходы реакторов через регулируемые клапаны подключены к входу блока сбора и сепарации биотоплива и к линии вывода продуктов сгорания, а линия выхода газообразных продуктов из блока сбора и сепарации биотоплива совместно с линиями подачи топлива и воздуха подсоединена к линии питания горелок, на которой установлены регулируемые задвижки горелок, связанные с коммутирующим элементом, осуществляющим поочередное включение и отключение горелок, согласно изобретению установка снабжена абсорбционной водоаммиачной холодильной машиной, включающей кипятильник с ректификатором, змеевиком и дефлегматором; конденсатор; абсорбер; контур рециркуляции оборотной воды, терморегулирующие вентили; рециркуляционные насосы, работающие по замкнутым термодинамическим циклам; контур рециркуляции диоксида углерода, включающий последовательно соединенные реактор, работающий в режиме регенерации, рекуперативный теплообменник для охлаждения диоксида углерода, компрессор, сборник сжиженного диоксида углерода, рекуперативный теплообменник для нагревания сжиженного диоксида углерода и насос высокого давления; контур рециркуляции пара, включающий ресивер, вентилятор высокого давления, рекуперативный теплообменник для промежуточного охлаждения продуктов гидротермального сжижения, распределитель потоков, один из которых подают на нагревание сжиженного диоксида углерода, а другой на подготовку низкопотенциального пара, подаваемого в кипятильник водоаммиачной холодильной машины; контур рециркуляции тосола, включающий испаритель водоаммиачной холодильной машины, сепаратор, рекуперативный теплообменник, сборник тосола, насос высокого давления.A biofuel production plant comprising a feedstock pre-treatment chamber with a mixer and a light source installed therein and with water and algae biomass input lines, a water tank, a hydrothermal liquefaction unit consisting of two reactors filled with a heterogeneous catalyst and operating alternately in the hydrothermal liquefaction mode and in the catalyst regeneration mode, a reactor heating unit made in the form of burners installed in the reactor cavities, and a biofuel collection and separation unit with a cooling unit in the form of a coil placed therein, wherein the outlets of the water tank and the feedstock pre-treatment chamber are connected via adjustable valves to a high-pressure pump, the outlet of which is connected via a bypass line with a controlled valve installed thereon to the feedstock pre-treatment chamber and to one of the ends of the coil, the other end of which is connected via controlled valves to the reactor inlets to form a closed circulation loop for the resulting feedstock pre-treatment product, lower the reactor outlets are connected via adjustable valves to the input of the biofuel collection and separation unit and to the combustion product outlet line, and the gaseous product outlet line from the biofuel collection and separation unit, together with the fuel and air supply lines, is connected to the burner feed line, on which adjustable burner valves are installed, connected to a switching element that alternately switches the burners on and off; according to the invention, the installation is equipped with an absorption water-ammonia refrigeration machine, including a boiler with a rectifier, a coil and a dephlegmator; a condenser; an absorber; a recirculation circuit for circulating water, thermostatic valves; recirculation pumps operating in closed thermodynamic cycles; a carbon dioxide recirculation circuit comprising a series-connected reactor operating in regeneration mode, a recuperative heat exchanger for cooling carbon dioxide, a compressor, a liquefied carbon dioxide collector, a recuperative heat exchanger for heating the liquefied carbon dioxide, and a high-pressure pump; a steam recirculation circuit comprising a receiver, a high-pressure fan, a recuperative heat exchanger for intermediate cooling of the hydrothermal liquefaction products, a flow distributor, one of which is fed to heating the liquefied carbon dioxide, and the other to preparing low-potential steam fed to the boiler of a water-ammonia refrigeration machine; an antifreeze recirculation circuit comprising an evaporator of a water-ammonia refrigeration machine, a separator, a recuperative heat exchanger, an antifreeze collector, and a high-pressure pump.
Технический результат в решении поставленной задачи заключается в подключении абсорбционной водоаммиачной холодильной машины для получения сверхкритического флюидного диоксида углерода как растворителя для регененерации гетерогенного катализатора в процессе гидротермального сжижения смеси воды и биомассы водорослей с максимальной рекуперацией и утилизацией вторичных энергоресурсов в замкнутых термодинамических циклах.The technical result in solving the set problem consists in connecting an absorption water-ammonia refrigeration machine for obtaining supercritical fluid carbon dioxide as a solvent for regenerating a heterogeneous catalyst in the process of hydrothermal liquefaction of a mixture of water and algae biomass with maximum recovery and utilization of secondary energy resources in closed thermodynamic cycles.
На фиг. представлена схема, реализующая предлагаемый способ производства биотоплива, и установка для его осуществления.The figure shows a diagram implementing the proposed method for producing biofuel and an installation for its implementation.
Схема содержит камеру предварительной обработки исходного сырья 1 с установленными в ней мешалкой 2 и источником светового излучения 3, емкость с водой 4, реакторы 5, 6, заполненные гетерогенным катализатором и работающие попеременно в режиме гидротермального сжижения и в режиме регенерации катализатора; горелки 7, 8, установленные в рабочих объемах реакторов 5, 6; сепаратор биотоплива 9 с размещенным в нем змеевиком 10; абсорбционную водоаммиачную холодильную машину, включающую кипятильник 11 с ректификатором 12, змеевиком 13 и дефлегматором 14, конденсатор 15, испаритель 16, абсорбер 17, теплообменник 18, терморегулирующие вентили 19, 20; рециркуляционные насосы 21, 22, работающие по замкнутым термодинамическим циклам; двухступенчатый компрессор 23; сборник сжиженного диоксида углерода 24; сборник тосола 25; ресивер 26; рекуперативные теплообменники 27, 28, 29, 30, насосы высокого давления 31, 32, 33; вентилятор 34; распределители потоков 35, 36, 37; смеситель 38; материальные и тепловые потоки: 1.0 - биомасса водорослей, 2.0 - вода, 3.0 - водная суспензия биомассы водорослей; 4.0 - продукты гидротермального сжижения; 4.1 - газообразные продукты гидротермального сжижения; 4.2 - воздух; 4.3 - природный газ; 5.0 - продукты сгорания; 5.1 - газообразные продукты сгорания; 6.0 - рабочий пар; 6.1 - низкопотенциальный пар; 6.2 - высокопотенциальный пар; 7.7 - пары аммиака; 7.2 - сконденсированный аммиак; 7.3 - пары кипящего аммиака; 7.4 - крепкий раствор аммиака; 7.5 - слабый раствор аммиака; 8.0 - контур рециркуляции оборотной воды; 9.0 - контур рециркуляции тосола; 10.0 - сверхкритический флюидный диоксид углерода; 10.1 - газообразный диоксид углерода; 10.2 - сжиженный диоксид углерода.The circuit diagram comprises a feedstock pre-treatment chamber 1 with a stirrer 2 and a light source 3 installed therein, a water tank 4, reactors 5, 6 filled with a heterogeneous catalyst and operating alternately in the hydrothermal liquefaction mode and in the catalyst regeneration mode; burners 7, 8 installed in the working volumes of reactors 5, 6; a biofuel separator 9 with a coil 10 placed therein; an absorption water-ammonia refrigeration machine including a boiler 11 with a rectifier 12, a coil 13 and a dephlegmator 14, a condenser 15, an evaporator 16, an absorber 17, a heat exchanger 18, thermostatic expansion valves 19, 20; recirculation pumps 21, 22 operating in closed thermodynamic cycles; a two-stage compressor 23; liquefied carbon dioxide collector 24; antifreeze collector 25; receiver 26; recuperative heat exchangers 27, 28, 29, 30, high-pressure pumps 31, 32, 33; fan 34; flow distributors 35, 36, 37; mixer 38; material and heat flows: 1.0 - algae biomass, 2.0 - water, 3.0 - aqueous suspension of algae biomass; 4.0 - hydrothermal liquefaction products; 4.1 - gaseous products of hydrothermal liquefaction; 4.2 - air; 4.3 - natural gas; 5.0 - combustion products; 5.1 - gaseous combustion products; 6.0 - working steam; 6.1 - low-potential steam; 6.2 - high-potential steam; 7.7 - ammonia vapor; 7.2 - condensed ammonia; 7.3 - boiling ammonia vapor; 7.4 - strong ammonia solution; 7.5 - weak ammonia solution; 8.0 - circulating water recirculation circuit; 9.0 - antifreeze recirculation circuit; 10.0 - supercritical fluid carbon dioxide; 10.1 - gaseous carbon dioxide; 10.2 - liquefied carbon dioxide.
Предлагаемый способ получения биодизельного топлива реализуется в установке следующим образом.The proposed method for producing biodiesel fuel is implemented in the installation as follows.
Биомасса водорослей поступает по потоку 1.0 в камеру предварительной обработки исходного сырья 1, оснащенную механической мешалкой 2 и источником светового излучения 3 с интенсивностью не менее 5 Вт/м, где ее доводят до влагосодержания 90-97%. Для этого воду из емкости 4 по потоку 2.0 подают насосом высокого давления 31 в камеру предварительной обработки исходного сырья 1.The algae biomass is fed via flow 1.0 into the feedstock pre-treatment chamber 1, equipped with a mechanical mixer 2 and a light source 3 with an intensity of at least 5 W/m, where it is brought to a moisture content of 90-97%. For this purpose, water from tank 4 is fed via flow 2.0 by high-pressure pump 31 into the feedstock pre-treatment chamber 1.
Подготовленную водную суспензию биомассы водорослей из камеры предварительной обработки исходного сырья 1 подают насосом высокого давления 31 по потоку 3.0 в реактор 5, работающий в режиме гидротермального сжижения. Переключение с подачи в насос высокого давления 31 воды на подачу в него подготовленной водной суспензии биомассы водорослей и обратно осуществляют путем переключения регулируемых клапанов установленных на потоках 1.0 и 2.0.The prepared aqueous suspension of algae biomass from the feedstock pre-treatment chamber 1 is fed by high-pressure pump 31 along flow 3.0 into reactor 5, operating in the hydrothermal liquefaction mode. Switching from feeding water to high-pressure pump 31 to feeding the prepared aqueous suspension of algae biomass into it and back is performed by switching adjustable valves installed on flows 1.0 and 2.0.
Процесс гидротермального сжижения водной суспензии биомассы с помощью горелок 7 ведут при температуре 455-600°С и давлении 10-30 МПа в течение 1-9 минут до образования продуктов сжижения.The process of hydrothermal liquefaction of an aqueous suspension of biomass using burners 7 is carried out at a temperature of 455-600°C and a pressure of 10-30 MPa for 1-9 minutes until liquefaction products are formed.
Полученные продукты сжижения по потоку 4.0 подают в сепаратор 9, из которого по потоку 4.1 отводят газообразные продукты гидротермального сжижения и вместе со смесью воздуха, подаваемого по потоку 4.2, с природным газом, подаваемого по потоку 4.3, подают на питание горелки 7 реактора 5, работающего в режиме гидротермального сжижения.The obtained liquefaction products are fed via stream 4.0 to separator 9, from which gaseous products of hydrothermal liquefaction are removed via stream 4.1 and, together with a mixture of air, fed via stream 4.2, with natural gas, fed via stream 4.3, are fed to burner 7 of reactor 5, operating in hydrothermal liquefaction mode.
При этом реактор 6 работает в режиме регенерации катализатора.In this case, reactor 6 operates in catalyst regeneration mode.
После перевода реактора 5 на режим регенерации гетерогенного катализатора его отключают из схемы получения биотоплива и отводят продукты сгорания по потоку 5.0, а подготовленную водную суспензию биомассы водорослей из камеры предварительной обработки исходного сырья 1 подают во второй реактор 6, и проводят процесс гидротермального сжижения. Горелку 7 в реакторе 5 отключают, горелку 8 в реакторе 6 подключают.After switching reactor 5 to the heterogeneous catalyst regeneration mode, it is disconnected from the biofuel production circuit and combustion products are removed along flow 5.0, and the prepared aqueous suspension of algae biomass from the feedstock pre-treatment chamber 1 is fed to the second reactor 6, and the hydrothermal liquefaction process is carried out. Burner 7 in reactor 5 is disconnected, burner 8 in reactor 6 is connected.
Попеременная работа параллельно соединенных реакторов 5 и 6 в режимах гидротермального сжижения и регенерации катализатора обеспечивает непрерывность технологического процесса получения биотоплива.The alternating operation of parallel-connected reactors 5 and 6 in hydrothermal liquefaction and catalyst regeneration modes ensures the continuity of the technological process for producing biofuel.
Для генерации альтернативной (низкопотенциальной) энергии используют абсорбционную водоаммиачную холодильную машину, работающую по следующему термодинамическому циклу.To generate alternative (low-potential) energy, an absorption water-ammonia refrigeration machine is used, operating according to the following thermodynamic cycle.
Рабочий пар с температурой 150°С из рекуперативного теплообменника 30 по потоку 6.0 направляют в змеевик 13 кипятильника 11 и создают температуру испарения водоаммиачного раствора 140°С.Working steam with a temperature of 150°C from recuperative heat exchanger 30 is directed through flow 6.0 to coil 13 of boiler 11 and creates an evaporation temperature of 140°C for the water-ammonia solution.
Смесь образовавшихся в кипятильнике паров воды и аммиака проходит через насадки ректификатора 12, которые орошаются крепким водоаммиачным раствором, подаваемым в кипятильник 11 по потоку 7.4 рециркуляционным насосом 22. Концентрированные аммиачные пары отводят в дефлегматор 17, остатки воды конденсируются и стекают по насадкам ректификатора 12 в кипятильник 11.The mixture of water and ammonia vapors formed in the boiler passes through the nozzles of the rectifier 12, which are irrigated with a strong water-ammonia solution supplied to the boiler 11 along flow 7.4 by the recirculation pump 22. The concentrated ammonia vapors are discharged into the dephlegmator 17, the remaining water condenses and flows down the nozzles of the rectifier 12 into the boiler 11.
Осушенный аммиачный пар из дефлегматора 14 по потоку 7.1 направляют в конденсатор 15 и конденсируют при температуре 40°С, после чего поток жидкого аммиака дросселируют в терморегулирующем вентиле 19 до давления 54,5 КПа и температуры минус 45°С, с которой он кипит в испарителе 16. При этом осуществляют подготовку промежуточного хладагента, в качестве которого используют тосол с температурой минус 43°С при рекуперативном теплообмене с кипящим аммиаком в испаритель 16.The dried ammonia vapor from the dephlegmator 14 is sent along the flow 7.1 to the condenser 15 and condensed at a temperature of 40°C, after which the flow of liquid ammonia is throttled in the thermostatic valve 19 to a pressure of 54.5 kPa and a temperature of minus 45°C, at which it boils in the evaporator 16. At the same time, an intermediate refrigerant is prepared, which is antifreeze with a temperature of minus 43°C during recuperative heat exchange with boiling ammonia in the evaporator 16.
Пары кипящего аммиака из испарителя 16 по потоку 7.3 отводят в абсорбер 17, орошаемый слабым водоаммиачным раствором, подаваемым из кипятильника 11 по потоку 7.5 через теплообменник 18 и терморегулирующий вентиль 20. Поглощение паров аммиака слабым водоаммиачным раствором в абсорбере 17 сопровождается выделением тепла, которое отбирается протекающей через змеевик абсорбера охлаждающей водой.Boiling ammonia vapors from evaporator 16 are discharged via flow 7.3 into absorber 17, irrigated with a weak water-ammonia solution supplied from boiler 11 via flow 7.5 through heat exchanger 18 and thermostatic valve 20. The absorption of ammonia vapors by a weak water-ammonia solution in absorber 17 is accompanied by the release of heat, which is removed by cooling water flowing through the absorber coil.
Образовавшийся крепкий раствор в абсорбере рециркуляционным насосом 22 через ректификатор 12 направляют по потоку 7.4 в кипятильник 11. В теплообменнике 18 происходит предварительный нагрев сильного водоаммиачного раствора, подаваемого в кипятильник 11 по потоку 7.4, что приводит к экономии греющего пара и охлаждению слабого водоаммиачного раствора в потоке 7.5, обеспечивая повышение его абсорбирующей способности.The resulting strong solution in the absorber is directed by the recirculation pump 22 through the rectifier 12 along the flow 7.4 into the boiler 11. In the heat exchanger 18, the strong water-ammonia solution is preheated, supplied to the boiler 11 along the flow 7.4, which leads to the saving of heating steam and the cooling of the weak water-ammonia solution in the flow 7.5, ensuring an increase in its absorption capacity.
Рециркуляция охлаждающей воды в контуре 8.0 через абсорбер 17, конденсатор 15 и дефлегматор 14 с помощью рециркуляционного насоса 21 позволяет повысить энергетическую эффективность процессов конденсации паров воды в дефлегматоре 14 и паров аммиака в конденсаторе 15 и обеспечить отвод теплоты абсорбции из абсорбера 17.Recirculation of cooling water in circuit 8.0 through absorber 17, condenser 15 and dephlegmator 14 using recirculation pump 21 makes it possible to increase the energy efficiency of the processes of condensation of water vapor in dephlegmator 14 and ammonia vapor in condenser 15 and to ensure the removal of absorption heat from absorber 17.
Низкопотенциальный пар после кипятильника 11 и после рекуперативного теплообменника 28 по потокам 6.1 отводят в ресивер 26, а затем вентилятором 34 подают в рекуперативный теплообменник 29 в режиме замкнутого цикла.Low-potential steam after boiler 11 and after recuperative heat exchanger 28 is discharged through flows 6.1 into receiver 26, and then fed by fan 34 into recuperative heat exchanger 29 in closed-loop mode.
После вывода продуктов гидротермального сжижения из реактора 5 его отключают из схемы получения биотоплива и осуществляют процесс регенерации гетерогенного катализатора диоксидом углерода в сверхкритическом флюидном состоянии при температуре 260°С и давлении 15 МПа.After the hydrothermal liquefaction products are removed from reactor 5, it is disconnected from the biofuel production circuit and the process of regeneration of the heterogeneous catalyst is carried out with carbon dioxide in a supercritical fluid state at a temperature of 260°C and a pressure of 15 MPa.
Пары диоксида углерода подвергают компрессионному сжатию в двухступенчатом компрессоре 23 до давления 15 МПа и конденсируют их при температуре минус 40°С за счет рекуперативного теплообмена с тосолом, подаваемым в рекуперативный теплообменник 27 по потоку 9.0. Полученный сжиженный диоксид углерода отводят по потоку 10.2 в сборник сжиженного диоксида углерода 24, а затем нагревают его до сверхкритической температуры 260°С в рекуперативном теплообменнике 28 и насосом высокого давления 32 по потоку 10.0 направляют в реактор 5. Образовавшиеся пары отработанного диоксида углерода из реактора 55 отводят по потоку 10.1 в двухступенчатый компрессор 23 по замкнутому термодинамическому циклу.Carbon dioxide vapors are subjected to compression in two-stage compressor 23 to a pressure of 15 MPa and are condensed at a temperature of minus 40°C due to recuperative heat exchange with antifreeze fed to recuperative heat exchanger 27 via flow 9.0. The resulting liquefied carbon dioxide is removed via flow 10.2 to liquefied carbon dioxide collector 24, and then heated to a supercritical temperature of 260°C in recuperative heat exchanger 28 and sent to reactor 5 via flow 10.0 by high-pressure pump 32. The resulting vapors of spent carbon dioxide from reactor 55 are removed via flow 10.1 to two-stage compressor 23 in a closed thermodynamic cycle.
После регенерации продукты сгорания из реактора 5 отводят по потоку 5.0, а затем наполняют его водной суспензии биомассы водорослей и проводят гидротермальное сжижение.After regeneration, the combustion products from reactor 5 are discharged via stream 5.0, and then filled with an aqueous suspension of algae biomass and hydrothermal liquefaction is carried out.
Цикл смены режимов работы реакторов 5 и 6 повторяют.The cycle of changing the operating modes of reactors 5 and 6 is repeated.
Охлаждение полученных продуктов сжижения происходит сначала за счет теплообмена с низкопотенциальным паром, подаваемым в рекуперативный теплообменник 29. При этом температура продуктов гидротермального сжижения снижается до 400°С, а температура низкопотенциального пара повышается с получением высокопотенциального пара с температурой 300°С.Cooling of the obtained liquefaction products occurs first due to heat exchange with low-potential steam supplied to the recuperative heat exchanger 29. In this case, the temperature of the hydrothermal liquefaction products decreases to 400°C, and the temperature of the low-potential steam increases to obtain high-potential steam with a temperature of 300°C.
Последующее охлаждение продуктов сжижения осуществляют в сепараторе 9, в змеевик 10 которого подают тосол по потоку 9.0 после распределителя 37.Subsequent cooling of the liquefaction products is carried out in separator 9, into the coil 10 of which antifreeze is fed along flow 9.0 after distributor 37.
Высокопотенциальный пар после рекуперативного теплообменника 29 по потоку 6.2 направляют в распределитель потоков 36, разделяют на два потока, один из которых подают в рекуперативный теплообменник 28 на получение сверхкритического диоксида углерода, а второй поток направляют в рекуперативный теплообменник 30, в котором за счет теплообмена с тосолом снижают температуру высокопотенциального пара и получают рабочий пар с температурой 150°С, который подают в змеевик 13 кипятильника 11 абсорбционной водоаммиачной холодильной машины в режиме замкнутого цикла.The high-potential steam after the recuperative heat exchanger 29 is directed along the flow 6.2 to the flow distributor 36, divided into two flows, one of which is fed to the recuperative heat exchanger 28 to obtain supercritical carbon dioxide, and the second flow is directed to the recuperative heat exchanger 30, in which, due to heat exchange with antifreeze, the temperature of the high-potential steam is reduced and working steam with a temperature of 150°C is obtained, which is fed to the coil 13 of the boiler 11 of the absorption water-ammonia refrigeration machine in the closed-loop mode.
Потоки тосола после рекуперативного теплообменника 27 и сепаратора 9 объединяют в смесителе 38, после чего вместе с тосолом из рекуперативного теплообменника 30 отводят в сборник тосола 25, а затем насосом высокого давления 33 подают в испаритель 16 абсорбционной водоаммиачной холодильной машины, а далее в распределитель потоков 35 режиме замкнутого циклаThe flows of antifreeze after the recuperative heat exchanger 27 and the separator 9 are combined in the mixer 38, after which, together with the antifreeze from the recuperative heat exchanger 30, they are discharged into the antifreeze collector 25, and then fed by the high-pressure pump 33 into the evaporator 16 of the absorption water-ammonia refrigeration machine, and then into the flow distributor 35 in the closed-loop mode.
Сепарацию бионефти от водного раствора и твердого остатка осуществляют с применением центрифуги или путем фильтрации с помощью бумажных фильтров.Separation of bio-oil from the aqueous solution and solid residue is carried out using a centrifuge or by filtration using paper filters.
Таким образом, предлагаемый способ получения биотоплива и установка для его осуществления имеет следующие достоинства:Thus, the proposed method for obtaining biofuel and the installation for its implementation have the following advantages:
- использование сверхкритических флюидов диоксида углерода в процессе регенерации гетерогенного катализатора вместо органических растворителей не только увеличивает объемы извлечения, но и сокращает время процесса экстракции;- the use of supercritical carbon dioxide fluids in the process of regeneration of a heterogeneous catalyst instead of organic solvents not only increases the volume of extraction, but also reduces the time of the extraction process;
- сверхкритические флюиды обладают малой вязкостью и большой диффузионностью, поэтому массообменные процессы, с которыми связана экстракция отрицательных компонентов, образовавшихся при гидротермальном сжижении водной суспензии биомассы водорослей, протекает интенсивнее, чем в органических растворителях;- supercritical fluids have low viscosity and high diffusivity, therefore mass exchange processes associated with the extraction of negative components formed during hydrothermal liquefaction of an aqueous suspension of algae biomass proceed more intensively than in organic solvents;
- путем варьирования температуры и давления можно варьировать растворяющими характеристиками сверхкритического флюида для селективного извлечения компонентов из бионефти.- by varying temperature and pressure, it is possible to vary the dissolving characteristics of the supercritical fluid for the selective extraction of components from bio-oil.
- процесс экстракции с помощью сверхкритических флюидов осуществляется в замкнутом контуре без потерь растворителя, поэтому не требуется его восполнение;- the extraction process using supercritical fluids is carried out in a closed circuit without loss of solvent, so there is no need to replenish it;
- использование абсорбционной холодильной установки позволяет радикально снизить эксплуатационные расходы на охлаждение и конденсацию паров диоксида углерода, а также на подготовку тосола для охлаждения продуктов гидротермального сжижения, что значительно дешевле теплоэнергетических затрат на подключение дополнительных электрических мощностей;- the use of an absorption refrigeration unit allows for a radical reduction in operating costs for cooling and condensing carbon dioxide vapors, as well as for preparing antifreeze for cooling hydrothermal liquefaction products, which is significantly cheaper than the heat energy costs of connecting additional electrical capacity;
- с помощью абсорбционной холодильной установки обеспечивается более полное использование топливно-энергетических ресурсов и повышается экологическая безопасность способа получения биотоплива за счет организации дополнительных замкнутых рециркуляционных схем по материальным и энергетическим потокам, полностью исключающих выброс отработанных энергоносителей в окружающую среду.- with the help of an absorption refrigeration unit, a more complete use of fuel and energy resources is ensured and the environmental safety of the method of obtaining biofuel is increased by organizing additional closed recirculation circuits for material and energy flows, completely eliminating the release of waste energy resources into the environment.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2843965C1 true RU2843965C1 (en) | 2025-07-22 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109536193A (en) * | 2018-11-30 | 2019-03-29 | 北京三聚环保新材料股份有限公司 | A kind of biomass two-stage conversion process for refining |
| RU2689325C1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-05-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина" | Plant for biofuel production |
| RU2787359C1 (en) * | 2022-05-16 | 2023-01-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Plant for biofuel production |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109536193A (en) * | 2018-11-30 | 2019-03-29 | 北京三聚环保新材料股份有限公司 | A kind of biomass two-stage conversion process for refining |
| RU2689325C1 (en) * | 2018-12-26 | 2019-05-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина" | Plant for biofuel production |
| RU2787359C1 (en) * | 2022-05-16 | 2023-01-09 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Российский университет дружбы народов" (РУДН) | Plant for biofuel production |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104479734B (en) | Catalytic cracking fractionation and absorbing-stabilizing system and power-economizing method | |
| CN115403447B (en) | Sec-butyl alcohol refining process and device adopting coupling of organic Rankine cycle and heat pump rectification | |
| US20230065205A1 (en) | Coupling system of supercritical carbon dioxide cycle power generation and lithium extraction from brine | |
| CN104817481A (en) | Technological method for recovering DMSO from DMSO aqueous solution | |
| CN102847332A (en) | Steam condensate residual heat recovery process for vacuum flasher and recovery system thereof | |
| CN106766342B (en) | System for recovering ammonia steam waste heat at top of ammonia still tower by using lithium bromide absorption heat pump | |
| CN102424756B (en) | Overheating autoclaved coke quenching waste heat generating technology and apparatus thereof | |
| CN116751613A (en) | An energy-saving negative pressure benzene removal process and system | |
| CN107906505B (en) | Method and system for deeply recycling steam condensate | |
| RU2843965C1 (en) | Method of producing biofuel and apparatus therefor | |
| CN108251144B (en) | Process and system for realizing final dehydration of tar by recycling waste heat of heat pump unit | |
| CN104986816B (en) | Process and apparatus for carrying out wastewater desorption and falling film evaporation on coking sewage | |
| CN113201370A (en) | Negative pressure debenzolization process and system for preparing superheated steam through electric heating | |
| CN219709430U (en) | Energy-saving negative pressure benzene removal system | |
| WO2014029050A1 (en) | Multipurpose jet-burst-type high-pressure temperature-adjusting vapor decomposition steam generator | |
| CN102816574B (en) | Device for generating electricity from waste heat of raw coke oven gas | |
| CN215250663U (en) | A negative pressure debenzene system for producing superheated steam by electric heating | |
| CN110755874A (en) | Compound crystallization device, preparation system and crystallization process thereof | |
| CN105797414A (en) | Industrial waste heat recycling method and device | |
| RU2453525C1 (en) | Method of producing methanol from natural gas and apparatus for realising said method | |
| RU2714306C1 (en) | Method of producing biodiesel fuel and installation for its implementation | |
| CN216653974U (en) | Styrene noncondensable gas recovery system | |
| CN208911479U (en) | A kind of waste-heat recovery device of product equipment for purifying | |
| CN217323987U (en) | Two-tower type debenzolization system | |
| CN103691141B (en) | Energy-saving distiller |