Способ переработки органических отходов в моторные топлива

008270 Область применения Способ переработки органических отходов в моторные топлива относится к области утилизации этих отходов путем их газификации в синтез-газ с последующим каталитическим превращением полученного синтез-газа в жидкие синтетические моторные топлива и/или ценные химические продукты. Предшествующий уровень техники Известен способ переработки органических отходов, включающий их обработку газифицирующим агентом - кислородом (воздухом), водяным паром и/или диоксидом углерода. Далее полученную газовую смесь подвергают расщеплению при температуре 950-1050 С в течение 1 с, в результате чего получают продукты деструкции, которые вводят в воду при температуре 200-800 С для разделения на синтез-газ и низкомолекулярные соединения. Синтез-газ обрабатывают в присутствии катализатора и получают жидкие углеводороды или спирты, газообразные углеводороды и CO2 [1]. Наиболее близким к данному изобретению и его прототипом является способ переработки органических отходов, заключающийся в их обработке газифицирующим агентом (кислородом, водяным паром и/или диоксидом углерода) в присутствии горючего газа [2]. В качестве горючего газа используют природный газ при объемном соотношении кислород/природный газ, равном 0,01-0,5. Полученный после газификации синтез-газ компримируют и подвергают глубокой очистке от механических примесей, соединений серы и азота и от тяжелых металлов. Затем компримированный очищенный синтез-газ или синтез-газ вместе с жидкими органическими отходами подают в реактор синтеза углеводородов, где в присутствии бифункционального катализатора, содержащего оксиды цинка и хрома, или цинка, хрома и меди, или железа, или кобальта и рутения, в комбинации с кислотным компонентом - цеолитом типаZSM-5, Beta, модернитом или силикоалюмофосфатом, подвергают превращению в жидкие моторные топлива или в жидкие моторные топлива и компоненты базы масел. Газификацию отходов осуществляют плазмотермическим способом, а в качестве органических отходов используют осадки городских сточных вод, частично обезвоженные до остаточной влажности не более 50 мас.%, причем газификацию осадков проводят при массовом отношении кислорода к природному газу, равном 1:10. В примере 2 прототипа осадки городских сточных вод обезвоживают до остаточной влажности 55 мас.%, нагревают до температуры 500-800 С и вместе с природным газом и кислородом при массовом соотношении БИО/природный газ/O2= 8:1:0,01 подают на газификацию в плазменный реактор (плазмотрон), где при температуре 11001300 С происходит 99% разложение органических соединений до СО, СO2 и Н 2. Полученную газовую смесь (синтез-газ) охлаждают путем рекуперации тепла, компримируют и очищают от механических примесей, соединений серы и азота и тяжелых металлов. Очищенный от примесей синтез-газ под давлением 80 атм направляют в реактор синтеза углеводородов, где при температуре 360-420 С и в присутствии бифункционального катализатора, содержащего оксиды цинка и хрома в комбинации с кислотным компонентом - цеолитом типа ZSM-5, происходит превращение водорода и оксидов углерода. Полученные продукты охлаждают и разделяют в сепараторе на газ, воду и углеводородную фракцию. Полученное моторное топливо является бензином с октановым числом 92, чей выход составляет 140 г на 1 норм.м 3 синтез-газа при конверсии оксидов углерода более 90%. Газообразные побочные продукты,получаемые на стадии синтеза углеводородов, направляют в топливную сеть предприятия. Описанный способ имеет ряд недостатков, а именно: для поддержания энергетического процесса газификации органических отходов необходимо использовать дополнительный энергоноситель - природный газ или биогаз, причем массовое соотношение органических отходов к природному газу при переработке осадков городских сточных вод составляет 1/10, что требует дополнительных затрат и ухудшает экономические показатели процесса; если в качестве перерабатываемых отходов используется городской мусор или осадки городских сточных вод, то их переработка в смеси с горючими материалами, выбранными из следующих групп: мазут, отработанные масла, тяжелые нефтяные остатки, угольный шлам, возможна лишь при использовании природного газа или биогаза в качестве энергоносителя, а это нерентабельно; процесс газификации органических отходов городского мусора и осадков городских сточных вод осуществляется в плазменном реакторе при температуре 1100-1300 С, а в таких условиях существенно увеличивается содержание нежелательных примесей, в том числе оксидов азота и серы, в синтез-газе,что требует дополнительной стадии очистки; процесс газификации органических отходов городского мусора и осадков городских сточных вод осуществляется при высоких температурах - 1100-1300 С, что требует значительных энергетических затрат и повышает требования к материалам реактора газификации, а это удорожает стоимость оборудования. Переработка синтез-газа, полученного при газификации органических отходов (городского мусора или осадков городских сточных вод) на стадии синтеза углеводородов осуществляется с использованием бифункционального катализатора, содержащего оксиды меди, цинка и хрома в комбинации с цеолитом типа ZSM-5, или оксиды кобальта и рутения в комбинации с цеолитом ZSM-5, или оксиды железа в комбинации с кислотным компонентом цеолитом типа ZSM-5. Использование во всех катализаторах в качестве носителя кислотного компонента цеолита типа ZSM-5 имеет следующие недостатки: относительно высокая стоимость цеолита типа ZSM-5; короткий срок службы катализатора на основе носителя цеолита ZSM-5;-1 008270 низкий коэффициент теплопроводности катализатора на основе носителя цеолита ZSM-5, характерный для всех оксидов элементов, входящих в состав цеолитов. Из-за этого процесс протекает со значительным выделением тепла - 11-12 МДж на килограмм получаемых жидких углеводородов. Такое тепловыделение требует более сложного оборудования, и особенно систем отвода выделяемого тепла, что трудно осуществимо при низкой теплопроводности катализатора и носителя [Radchenko M.N., KaganD.N., Krechetova G.A., Syntetic Liquid Hydrocarbon Motor Fuel From Natural Gas M. IVTAN 1993, p. 223]. Наличие в полученном синтез-газе значительного количества химических примесей, содержащих соединения азота и серы, которые являются нежелательными компонентами для дальнейшей стадии каталитического синтеза жидких углеводородов из синтез-газа, требует дополнительной стадии очистки синтез-газа от указанных соединений. Все перечисленные недостатки прототипа не позволяют перерабатывать органическую составляющую городского мусора и осадков городских сточных вод с относительно высокой экономической эффективностью. Задачей предлагаемого изобретения является создание способа переработки органических отходов в топлива с повышенным качеством получаемого синтез-газа, повышенной эффективностью синтеза жидких углеводородов и оптимизированной эксплуатацией катализатора при упрощенном оборудовании для реализации способа. Техническая сущность изобретения Поставленная цель достигается путем создания способа переработки органических отходов в моторные топлива, включающего стадию обработки отходов газифицирующим агентом, содержащим кислород, водяной пар и/или диоксид углерода, в результате чего получается синтез-газ, который затем компримируют, подвергают глубокой очистке от механических примесей и соединений серы, азота и тяжелых металлов. Далее очищенный синтез-газ или синтез-газ с жидкими органическими отходами подают в реактор синтеза углеводородов и в присутствии полифункционального катализатора подвергают превращению в жидкие моторные топлива и компоненты базы масел. Характерно то, что первая стадия газификации осуществляется при объемном соотношении органические отходы/активирующий газ в интервале от 5 до 30 и температуре 600-1000 С под воздействием модулированных высокочастотных полей в частотном диапазоне от 1 до 50 МГц с частотой модуляции в диапазоне от 0,5 до 100 кГц. Вторая стадия газификации проводится под воздействием не менее двух одноэлектродных высокочастотных разрядов,непрерывно генерируемых в средней и верхней частях реактора. Полученный после газификации синтезгаз подвергают очистке в присутствии неоднородных переменных электромагнитных полей и неравновесной плазмы и подвергают превращению в жидкие моторные топлива с помощью полифункционального катализатора, содержащего оксиды железа, цинка, молибдена в комбинации с носителем - алюминием, его оксидами и фосфатом алюминия. Углеводородные газы, полученные в процессе синтеза моторных топлив из синтез-газа, могут подвергаться олигомеризации до получения жидких углеводородов; это осуществляется в присутствии молибденсодержащего катализатора. Преимуществами способа переработки органических отходов в топлива являются повышенное качество получаемого синтез-газа, повышенная эффективность синтеза жидких углеводородов и оптимизированная эксплуатация катализатора, что упрощает оборудование, необходимое для реализации способа. Примерное исполнение и действие изобретения Способ осуществляется с использованием известных типовых установок. Включаются стадия высокочастотной газификации посредством обработки отходов модулированными высокочастотными полями и стадия плазмохимической газификации посредством воздействия на отходы сильно неравновесной плазмой одноэлектродных высокочастотных разрядов, которые непосредственно генерируются в паровой среде. Таким образом получают газовую смесь синтез-газа и твердых неорганических продуктов, а впоследствии синтез-газ подвергают каталитической переработке в газообразные и жидкие углеводороды. При этом газифицирующий агент содержит кислород, водяной пар или диоксид углерода. Полученный синтез-газ подвергают очистке от механических примесей, компримируют и подвергают высокочастотной плазмохимической очистке от содержаний азота, серы и тяжелых металлов путем воздействия модулированными высокочастотными электромагнитными полями и плазмой одноэлектродных высокочастотных разрядов, генерируемых в различных участках аппарата очистки. Далее очищенный синтез-газ подают в реактор синтеза углеводородов и подвергают превращению в жидкие моторные топлива или в жидкие моторные топлива и компоненты базы масел с помощью полифункционального катализатора,содержащего оксиды железа, цинка и молибдена в комбинации с носителем - алюминием, его оксидами и фосфатом алюминия. При этом в качестве перерабатываемого материала используются органическая составляющая городского мусора или осадки городских сточных вод. Процесс осуществляется при массовом соотношении активный газ/отходы в интервале 10/4. Далее синтез-газ под давлением 30-50 атм (3-5 МПа) направляют в реактор синтеза углеводородов, где при температуре 220-340 С и в присутствии полифункционального катализатора происходит превращение водорода и оксидов углерода в жидкие моторные топлива и/или базы масел. Газообразные побочные продукты, получаемые на стадии синтеза углеводородов, направляют в реактор каталитической олигоме-2 008270 ризации для получения высокооктановой добавки. Отличительными признаками изобретения являются следующие. Газификация органических отходов с использованием в качестве агента смеси кислорода, водяного пара и/или диоксида углерода на первой стадии осуществляется под воздействием модулированных высокочастотных полей в частотном диапазоне от 1 до 50 МГц с частотой модуляции в диапазоне от 0,5 до 100 кГц. Последующий процесс газификации органических отходов осуществляется под действием высокочастотных полей и плазмой одноэлектродных высокочастотных разрядов, непрерывно генерируемых в разных участках реактора. Превращение синтез-газа в синтетические моторные топлива проводят в присутствии полифункционального катализатора, содержащего оксиды железа, цинка, молибдена в комбинации с носителем алюминием, его оксидами и фосфатом алюминия. Выбор условий газификации отходов определяется эмпирически, исходя из максимального превращения органических составляющих твердых бытовых отходов. Другим важным фактором при определении оптимальных условий газификации является получение синтез-газа, состав которого, а именно соотношение Н 2/СО, является наиболее благоприятным для дальнейшего синтеза углеводородов. При этом условия газификации, способствующие максимальному превращению органических составляющих твердых бытовых отходов, могут не соответствовать условиям,при которых получается синтез-газ оптимального состава. Например, повышение температуры газификации увеличивает глубину превращения органических отходов, однако, при температурах свыше 1000 С происходит увеличение образования побочных продуктов, в частности оксидов азота, которые являются нежелательными примесями в конечном продукте - синтез-газе. Увеличение содержания кислорода в парогазовой смеси, используемой для газификации, приводит к увеличению содержания диоксида углерода в получаемом синтез-газе с одновременным снижением содержания водорода. Добавление диоксида углерода увеличивает содержание монооксида углерода в получаемом синтез-газе. В процессе газификации органической составляющей твердых бытовых отходов при использовании в качестве газифицирующего агента смеси кислорода, углекислого газа и водяного пара образуется синтез-газ с низким содержанием водорода (15-50 об.%) и высоким содержанием монооксида углерода (3050 об.%). Такой состав синтез-газа не является оптимальным для получения из него углеводородов по реакции Фишера-Тропша (оптимальное соотношение водород/монооксид углерода - 2:2,5). В прототипе с целью увеличения содержания водорода в полученном синтез-газе дополнительно осуществляют подвод энергии в реактор газификации и дополнительно добавляют природный газ. Использование водяного пара вместо кислорода требует дополнительного подвода тепла в реакторе газификации. В прототипе это достигается за счет введения в реактор энергетических добавок: природного газа, мазута, угля, древесных опилок. Для подвода дополнительной энергии в реактор предлагается использовать плазмотермический способ газификации при температуре 1200-1300 С. При этом степень превращения органических отходов достигает 96-99%. Однако осуществление процесса газификации при таких высоких температурах всегда сопровождается образованием значительного количества побочных продуктов в синтез-газе, что снижает степень превращения органических отходов. Кроме того, условия газификации существенным образом зависят от состава органической части твердых бытовых отходов. Состав органической части, в свою очередь, зависит от особенностей транспортировки, сортировки и складирования отходов. Вышеизложенное показывает, что выбор оптимальных условий газификации проводится эмпирически для различных типов бытовых отходов и различных режимов процесса газификации. Пример 1. Органические отходы обезвоживают до остаточной влажности 50-60%, нагревают до температуры 500-600 С и подают на стадию газификации, где обрабатывают смесью водяного пара, кислорода и диоксида углерода при соотношении: отходы/H2 О/CO2/O2=20/2/0,5/0,5. Процесс газификации проводят при температуре 800 С в две стадии: первая осуществляется под действием модулированных высокочастотных полей с несущей частотой 1,76 МГц и частотой модуляции 0,5 кГц, а вторая - под действием двух одноэлектродных высокочастотных разрядов, непрерывно генерируемых в средней и верхней частях реактора. При этом органическая составляющая бытовых отходов на 90% разлагается до СО, CO2 и H2. Полученный после газификации синтез-газ подвергают очистке в присутствии неоднородных переменных электромагнитных полей и неравновесной плазмы, затем охлаждают, очищают от механических примесей, компримируют и направляют в реактор синтеза углеводородов при температуре 300 С и давлении 30 атм. Синтез жидких углеводородов протекает в присутствии полифункционального катализатора, содержащего оксиды железа, цинка и бора в комбинации с носителем - алюминием и его оксидами. Суммарный выход моторных топлив составляет 190 г на 1 норм.м 3 синтез-газа при конверсии оксидов углерода 98%.-3 008270 Пример 2. Органические отходы обезвоживают до остаточной влажности 50-60% и подают на стадию газификации, где обрабатывают смесью водяного пара, кислорода и диоксида углерода в соотношении: отходы/H2 О/CO2/O2=30/2/0,5/0,5. Процесс газификации проводят в условиях, аналогичных примеру 1. При этом органические составляющие бытовых отходов на 80% разлагаются до СО, CO2 и H2. Полученный после газификации синтез-газ подвергают отчистке от механических и химических примесей, компримируют и направляют в реактор синтеза углеводородов при температуре 300 С и давлении 30 атм. Синтез жидких углеводородов протекает в присутствии полифункционального катализатора, содержащего оксиды железа, цинка и молибдена в комбинации с носителем - алюминием, его оксидами и фосфатами. Суммарный выход моторных топлив составляет 190 г на 1 норм.м 3 синтез-газа при конверсии оксидов углерода 98%. Пример 3. Органические отходы обезвоживают до остаточной влажности 60%, нагревают до температуры 800 С и подают на стадию газификации, где обрабатывают смесью водяного пара, кислорода и диоксида углерода при соотношении: отходы/H2 О/CO2/O2=20/2/0,5/0,5. Процесс газификации проводят в две стадии: первая осуществляется под действием модулированных высокочастотных полей с несущей частотой 30 МГц и частотой модуляции 50 кГц, а вторая - под действием двух одноэлектродных высокочастотных разрядов, непрерывно генерируемых в средней и верхней частях реактора. При этом органическая составляющая бытовых отходов на 96% разлагается до СО, CO2 и H2. Полученный после газификации синтез-газ подвергают очистке в присутствии неоднородных переменных электромагнитных полей и неравновесной плазмы, затем охлаждают, очищают от механических примесей, компримируют и направляют в реактор синтеза углеводородов при температуре 300 С и давлении 30 атм. Синтез жидких углеводородов протекает в присутствии полифункционального катализатора, содержащего оксиды железа, цинка и молибдена в комбинации с носителем - алюминием, его оксидами и фосфатами. Суммарный выход моторных топлив составляет 190 г на 1 норм.м 3 синтез-газа при конверсии оксидов углерода 98%. Углеводородные газы, получаемые в процессе синтеза моторных топлив из синтез-газа, направляют на стадию олигомеризации, которая протекает при температуре 240 С и давлении 5 атм, в присутствии катализатора, содержащего молибден в комбинации с носителем - алюминием и его оксидами. Получаемая смесь жидких углеводородов (олигомеров) с октановым числом 90 используется в качестве высокооктановой добавки к моторным топливам. Пример 4. Органические отходы обезвоживают до остаточной влажности 60%, нагревают до температуры 800 С и подают на стадию газификации, где обрабатывают смесью водяного пара, кислорода и диоксида углерода при соотношении: отходы/H2 О/CO2/O2=20/2/0,5/0,5. Процесс газификации проводят в две стадии: первую осуществляют под действием модулированных высокочастотных полей с несущей частотой 50 МГц и частотой модуляции 90 кГц, а вторую - под действием двух одноэлектродных высокочастотных разрядов, непрерывно генерируемых в средней и верхней части реактора. При этом органическая составляющая бытовых отходов на 92% разлагается до СО, CO2 и H2. Полученный после газификации синтез-газ подвергают очистке в присутствии неоднородных переменных электромагнитных полей и неравновесной плазмы, затем охлаждают, очищают от механических примесей, компримируют и направляют в реактор синтеза углеводородов при температуре 300 С и давлении 30 атм. Синтез жидких углеводородов протекает в присутствии полифункционального катализатора, содержащего оксиды железа, цинка и молибдена и комбинации с носителем - алюминием, его оксидами и фосфатами. Суммарный выход моторных топлив составляет 190 г на 1 норм.м 3 синтез-газа при конверсии оксидов углерода 98%. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ переработки органических отходов в моторные топлива, включающий стадию обработки отходов газифицирующим агентом, содержащим кислород, водяной пар и/или диоксид углерода, в результате чего получают синтез-газ, который затем компримируют, подвергают глубокой очистке от механических примесей и соединений серы, азота и тяжелых металлов, далее очищенный синтез-газ или синтез-газ с жидкими органическими отходами подают в реактор синтеза углеводородов и в присутствии полифункционального катализатора подвергают превращению в жидкие моторные топлива и компоненты базы масел, отличающийся тем, что первую стадию газификации осуществляют при объемном отношении органические отходы/активирующий газ в интервале от 5 до 30 и температуре 600-1000 С под воздействием модулированных высокочастотных полей в частотном диапазоне от 1 до 50 МГц с частотой модуляции в диапазоне от 0,5 до 100 кГц, а вторую стадию газификации проводят под воздействием не менее двух одноэлектродных высокочастотных разрядов, непрерывно генерируемых в средней и верхней частях реактора, при этом полученный после газификации синтез-газ подвергают очистке в присутствии неоднородных переменных электромагнитных полей и неравновесной плазмы и подвергают превращению в жидкие моторные топлива с помощью полифункционального катализатора, содержащего оксиды железа, цинка и молибдена в комбинации с носителем - алюминием, его оксидами и фосфатом-4 008270 алюминия. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что углеводородные газы, полученные в процессе синтеза моторных топлив из синтез-газа, подвергают олигомеризации до получения жидких углеводородов, причем это осуществляют в присутствии молибденсодержащего катализатора.