EA044578B1 - METHOD (OPTIONS) AND INSTALLATION (OPTIONS) FOR THERMAL HYDROLYSIS OF LIQUID SUBSTRATE, AND ALSO METHOD (OPTIONS) FOR MODERNIZING AN EXISTING INSTALLATION FOR HYDROLYSIS OF LIQUID SUBSTRATE - Google Patents
METHOD (OPTIONS) AND INSTALLATION (OPTIONS) FOR THERMAL HYDROLYSIS OF LIQUID SUBSTRATE, AND ALSO METHOD (OPTIONS) FOR MODERNIZING AN EXISTING INSTALLATION FOR HYDROLYSIS OF LIQUID SUBSTRATE Download PDFInfo
- Publication number
- EA044578B1 EA044578B1 EA202191688 EA044578B1 EA 044578 B1 EA044578 B1 EA 044578B1 EA 202191688 EA202191688 EA 202191688 EA 044578 B1 EA044578 B1 EA 044578B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- pulper
- pressure
- temperature
- reactors
- operating
- Prior art date
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 title claims description 177
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 167
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims description 126
- 238000009434 installation Methods 0.000 title claims description 58
- 238000009283 thermal hydrolysis Methods 0.000 title claims description 20
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 title claims description 13
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 title claims description 13
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 88
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims description 72
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 claims description 70
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 35
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 34
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 29
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 28
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 24
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- 238000009833 condensation Methods 0.000 claims description 17
- 230000005494 condensation Effects 0.000 claims description 17
- 230000029087 digestion Effects 0.000 claims description 14
- 238000002347 injection Methods 0.000 claims description 14
- 239000007924 injection Substances 0.000 claims description 14
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 14
- 239000011800 void material Substances 0.000 claims description 13
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 7
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 5
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims description 2
- 238000009423 ventilation Methods 0.000 claims 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 57
- 238000010793 Steam injection (oil industry) Methods 0.000 description 15
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 14
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 12
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 description 12
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 9
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 8
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 6
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 6
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 5
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 5
- 239000011344 liquid material Substances 0.000 description 4
- 239000010802 sludge Substances 0.000 description 4
- 239000002002 slurry Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 3
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 3
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 3
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 description 2
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 2
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 2
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 2
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 2
- 238000013022 venting Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 206010060800 Hot flush Diseases 0.000 description 1
- 150000001298 alcohols Chemical class 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000010796 biological waste Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 210000002421 cell wall Anatomy 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000010924 continuous production Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011143 downstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 1
- 239000010794 food waste Substances 0.000 description 1
- 238000000265 homogenisation Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 239000013072 incoming material Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000010907 mechanical stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 239000003507 refrigerant Substances 0.000 description 1
- 238000009420 retrofitting Methods 0.000 description 1
- 238000000518 rheometry Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000010865 sewage Substances 0.000 description 1
- 235000000346 sugar Nutrition 0.000 description 1
- 150000008163 sugars Chemical class 0.000 description 1
- 150000003573 thiols Chemical class 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Настоящее изобретение относится к способам и установкам, в которых используются процессы термического гидролиза (ТГ), в которых для предварительного нагрева и снижения давления соответственно используются пульперы и испарительные резервуары. Настоящее изобретение также относится к способам модернизации существующих установок, в которых используются процессы термического гидролиза (ПТГ).The present invention relates to methods and apparatus that utilize thermal hydrolysis (TH) processes that utilize pulpers and flash tanks for preheating and pressure reduction, respectively. The present invention also relates to methods for upgrading existing plants that use thermal hydrolysis processes (THP).
Уровень техникиState of the art
Процесс термического гидролиза (ПТГ) - это процесс, в котором мокрый или влажный материал обрабатывается при повышенных температурах, обычно от 140 до 220°С, за которым может последовать паровой взрыв при быстром снижении парциального давления пара.Thermal hydrolysis process (THP) is a process in which wet or moist material is treated at elevated temperatures, typically 140 to 220°C, which may be followed by a steam explosion as the partial pressure of the steam is rapidly reduced.
ПТГ с последующим паровым взрывом в основном используется для предварительной обработки твердых биологических отходов перед анаэробным сбраживанием. Однако другие материалы могут быть предварительно обработаны таким же образом, после чего они могут быть дополнительно обработаны с помощью широкого спектра других процессов, протекающих на выходе.PTG followed by steam explosion is mainly used for pre-treatment of biosolids prior to anaerobic digestion. However, other materials can be pre-treated in the same way, after which they can be further processed through a wide range of other downstream processes.
Процессы термического гидролиза могут быть рассчитаны как на периодическое действие, так и на непрерывный режим. Способы и установки по настоящему изобретению актуальны как для ПТГ, предназначенных для периодического действия, так и для ПТГ, предназначенных для непрерывного режима. Кроме того, способы по настоящему изобретению могут быть использованы как на новых установках, так и внедрены в существующие установки путем модернизации, включающие установку соответствующего дополнительного оборудования и внесение соответствующих изменений.Thermal hydrolysis processes can be designed for both batch and continuous operation. The methods and installations of the present invention are relevant both for PTG intended for periodic action and for PTG intended for continuous operation. In addition, the methods of the present invention can be used either in new installations or introduced into existing installations through modernization, including the installation of appropriate additional equipment and making appropriate changes.
Материал, который обрабатывается в ПТГ, можно назвать субстратом. Субстрат обрабатывают требуемым парциальным давлением пара. В периодическом процессе время, в течение которого субстрат поддерживается в требуемых условиях в реакторе, называется временем удержания. Для непрерывного процесса среднее время пребывания в реакторе - это величина, которая может быть рассчитана на основе общего хода всего процесса.The material that is processed in the PTG can be called a substrate. The substrate is treated with the required partial steam pressure. In a batch process, the time during which the substrate is maintained at the required conditions in the reactor is called retention time. For a continuous process, the average residence time in the reactor is a value that can be calculated based on the overall progress of the entire process.
Субстрат будет подвергаться быстрому снижению давления и подвергнется паровому взрыву, когда он будет выгружен из реактора ПТГ через сопло в испарительный резервуар. Это открывает клеточные стенки, разрушает органические вещества, уменьшает размеры частиц и вязкость субстрата. Мгновенно образующийся пар, образующийся в результате взрыва пара, может быть использован для предварительного нагрева субстрата в сосуде под давлением, который можно назвать пульпером. Использование мгновенно образующегося пара для предварительного нагрева субстрата перед реакторной обработкой важно для достижения высокой энергоэффективности и низкого расхода пара.The substrate will undergo rapid depressurization and undergo a steam explosion as it is discharged from the PTG reactor through the nozzle into the flash tank. This opens cell walls, destroys organic matter, reduces particle size and substrate viscosity. The flash steam produced by the steam explosion can be used to preheat the substrate in a pressure vessel, which may be called a pulper. The use of flash steam to preheat the substrate prior to reactor processing is important to achieve high energy efficiency and low steam consumption.
В WO 1996/009882 (US 5888307) описаны способы и средства для гидролиза органических веществ. Описанные процессы не включают ни использование вакуума, ни испарение путём внезапного понижения давления, ни использование полученного в результате любого такого процесса пара для прямого впрыска пара для предварительного нагрева поступающего сырья.WO 1996/009882 (US 5888307) describes methods and means for hydrolyzing organic substances. The processes described do not involve the use of vacuum, nor flash evaporation, nor the use of steam resulting from any such process for direct steam injection to preheat incoming feedstock.
В WO 2011/006854 описаны способы и средства для гидролиза органических веществ, включающие ПТГ и паровой взрыв, где пар, образующийся в результате внезапного понижения давления, возвращается в резервуар предварительного нагрева. В процессе, описанном в WO 2011/006854, используют жидкость или пар под высоким давлением для создания движущего потока в эжекторе для смешивания пара, поступающего со стороны всасывания, с основным потоком, отводимым в сосуд при атмосферном или более высоком давлении.WO 2011/006854 describes methods and means for the hydrolysis of organic substances, including PTH and steam explosion, where the steam generated as a result of a sudden decrease in pressure is returned to a preheat tank. The process described in WO 2011/006854 uses liquid or steam at high pressure to create a driving stream in an ejector to mix the steam coming from the suction side with the main stream discharged into the vessel at atmospheric or higher pressure.
Способ, описанный в настоящем изобретении, отличается тем, что система, используемая для создания вакуума, работает не на паре, а только на неконденсирующихся газах. Это позволяет системе, используемой для создания вакуума в настоящем изобретении, работать при более низких давлениях, температурах, объемном расходе и массовом расходе по сравнению со способом, описанным в WO 2011/006854. Это делает систему, описанную в настоящем изобретении, более энергоэффективной, более надежной и простой в эксплуатации по сравнению со способом, описанным в WO 2011/006854.The method described in the present invention differs in that the system used to create a vacuum does not operate on steam, but only on non-condensable gases. This allows the system used to create a vacuum in the present invention to operate at lower pressures, temperatures, volume flow and mass flow compared to the method described in WO 2011/006854. This makes the system described in the present invention more energy efficient, more reliable and easier to operate compared to the method described in WO 2011/006854.
WO 2014/123426 описывает дополнительные способы и средства для гидролиза органических веществ с использованием ПТГ и парового взрыва. Аналогично WO 1996/009882 (US 5888307), этот способ не включает использование вакуума, с мгновенным парообразованием ниже давления окружающей среды, ни использование полученного в результате любого такого процесса пара для прямого впрыска пара для предварительного нагрева поступающей подачи.WO 2014/123426 describes additional methods and means for the hydrolysis of organic substances using PTH and steam explosion. Similar to WO 1996/009882 (US 5888307), this method does not involve the use of a vacuum, flashing steam below ambient pressure, nor the use of steam resulting from any such process for direct steam injection to preheat the incoming feed.
US 2003121851 описывает способы и средства для гидролиза органического вещества, включающие добавление KOH и стадию обезвоживания после ПТГ. Утилизация мгновенно образующегося пара аналогична тому, что описано в документе WO 1996/009882, и, следовательно, не предполагает ни использования вакуума, мигающего ниже давления окружающей среды, ни использования полученного мгновенно образующегося пара в результате любого такого процесса для прямого впрыска пара для предварительного нагрева поступающего сырья.US 2003121851 describes methods and means for hydrolyzing organic matter, including the addition of KOH and a dehydration step after PTH. Flash steam utilization is similar to that described in WO 1996/009882 and therefore involves neither the use of a vacuum flashing below ambient pressure nor the use of the resulting flash steam from any such process for direct steam injection for preheating incoming raw materials.
US 6281300 описывает способы и средства для гидролиза органического вещества. Описанные процессы не предполагают использования вакуума. Кроме того, процесс специально разработан для производства полимеров, что не является целью настоящей инновации. Полимеры могут составлять часть суб- 1 044578 стратов, подвергаемых обработке в настоящем изобретении, и, кроме того, может иметь место некоторая полимеризация. Однако основная цель настоящей инновации заключается в гидролизе и паровом взрыве перед последующей переработкой. Примеры последующей обработки включают в том числе обезвоживание, ферментативную обработку, анаэробное сбраживание и ферментацию.US 6,281,300 describes methods and means for hydrolyzing organic matter. The described processes do not involve the use of vacuum. Moreover, the process is specifically designed for the production of polymers, which is not the purpose of this innovation. Polymers may form part of the substrates treated in the present invention, and some polymerization may also occur. However, the main purpose of this innovation is hydrolysis and steam explosion before subsequent processing. Examples of post-processing include, but are not limited to, dehydration, enzymatic treatment, anaerobic digestion, and fermentation.
US 2014120594 описывает способы и средства для гидролиза органического вещества и сосредоточен на предварительной обработке древесного сырья для производства сахаров, которые ферментируются в спирты. Описано, что процессы могут иметь до 8 стадий промывки и что для предварительного нагрева можно использовать мгновенно образующийся пар. Даже если упоминаются вакуум и давление ниже окружающего, это связано с испарителями в попытке сконцентрировать обработанный материал и, таким образом, не для прямого впрыска пара для предварительного нагрева сырья.US 2014120594 describes methods and means for hydrolyzing organic matter and focuses on the pre-treatment of wood raw materials to produce sugars that are fermented into alcohols. It is described that processes can have up to 8 washing stages and that flash steam can be used for preheating. Even if vacuum and sub-ambient pressure are mentioned, this is associated with evaporators in an attempt to concentrate the processed material and thus not for direct steam injection to preheat the raw material.
US 2018201517 описывает способы и средства для гидролиза органического вещества и упоминает, что гидролизованный субстрат может пропускаться через котел-утилизатор для получения пара. Использование вакуума не упоминается, и описанные процессы потребовали бы больших поверхностей нагрева из-за плохой теплопередачи, образования накипи и загрязнения вязкими гидролизованными субстратами. Кроме того, описанные процессы не позволили бы производить пар при давлении ниже давления окружающей среды. Для сравнения, настоящее изобретение устраняет (или, скорее, обходит стороной) проблему теплопередачи и риск образования накипи и загрязнения за счет использования прямого впрыска пара, а также позволяет использовать пар при давлении ниже давления окружающей среды для предварительного нагрева субстрата.US 2018201517 describes methods and means for hydrolyzing organic matter and mentions that the hydrolyzed substrate can be passed through a recovery boiler to produce steam. The use of vacuum is not mentioned, and the processes described would require large heating surfaces due to poor heat transfer, scaling, and contamination from viscous hydrolyzed substrates. In addition, the processes described would not allow the production of steam at pressures below ambient pressure. In comparison, the present invention eliminates (or rather avoids) the problem of heat transfer and the risk of scale and fouling by using direct steam injection, and also allows the use of steam at pressures below ambient pressure to preheat the substrate.
В US 2009032464 описаны способы и средства для гидролиза органического вещества и упоминается, что мгновенное парообразование может происходить в условиях вакуума. Однако в описанных процессах горячий пар поступает в теплообменник, который, возможно, может выполнять функцию охладителя конденсатора. В нем также описываются замкнутые контуры с циркулирующей охлаждающей/нагревающей средой для рекуперации тепла для предварительного нагрева субстрата и для целей высушивания. В отличие от этого, настоящее изобретение предусматривает использование мгновенно образующегося пара для предварительного нагрева подачи путем прямого впрыска пара.US 2009032464 describes methods and means for hydrolyzing organic matter and mentions that flash vaporization can occur under vacuum conditions. However, in the processes described, hot steam enters a heat exchanger, which can possibly act as a condenser cooler. It also describes closed loops with a circulating cooling/heating medium for heat recovery for substrate preheating and drying purposes. In contrast, the present invention provides for the use of flash steam to preheat the feed by direct steam injection.
В СА 2992657 описан способ термического гидролиза субстрата с использованием по меньшей мере трех реакторов ПТГ параллельно. Использование вакуума не упоминается, и описанные процессы не предполагают использования полученного в результате любого такого процесса мгновенно образующегося пара для прямого впрыска пара для предварительного нагрева поступающего сырья в пульпере.CA 2992657 describes a method for thermal hydrolysis of a substrate using at least three PTH reactors in parallel. The use of vacuum is not mentioned, and the processes described do not involve the use of the flash steam generated from any such process for direct steam injection to preheat the incoming feedstock in the pulper.
В WO 2013/163998 А1 описан способ непрерывной обработки биологического материала при повышенном давлении перед анаэробным сбраживанием, при котором биологический материал переносится из устройства подачи в реактор посредством перепада давления или силы тяжести. Использование вакуума не упоминается, и описанные процессы не предполагают использования полученного в результате любого такого процесса мгновенно образующегося пара для прямого впрыска для предварительного нагрева поступающего сырья в пульпер.WO 2013/163998 A1 describes a method for continuously treating biological material at elevated pressure prior to anaerobic digestion, in which the biological material is transferred from a feeder to a reactor by pressure differential or gravity. The use of vacuum is not mentioned, and the processes described do not involve the use of the flash steam generated from any such process for direct injection to preheat the incoming feedstock into the pulper.
Как видно из приведенного выше, соответствующие способы и установки, известные из уровня техники, в основном описываются как имеющие одну стадию предварительного нагрева и одну стадию мгновенного парообразования, и субстрат, подаваемый в процесс, составляет около 10-30°С, и чаще всего около 15°С. Кроме того, даже если в предшествующем уровне техники упоминаются несколько испарительных резервуаров, а также вакуум и давление ниже окружающего, это связано с охладителями конденсатора или испарителями, используемыми в попытке концентрировать обработанный материал, и, таким образом, а не с прямым впрыском пара для предварительного нагрева подаваемого материала в емкость для предварительного нагрева, поддерживаемую ниже окружающего давления. Таким образом, уровень техники не охватывает способ, включающий промывку при давлении ниже давления окружающей среды и использование полученного пара при мгновенном парообразовании для прямого впрыска пара для предварительного нагрева поступающего сырья в сосуд предварительного нагрева, поддерживаемый ниже давления окружающей среды, для облегчения передачи пара при мгновенном парообразовании.As can be seen from the above, the corresponding methods and installations known in the art are generally described as having one preheating stage and one flashing stage, and the substrate fed to the process is about 10-30°C, and most often about 15°C. Moreover, even if the prior art mentions multiple flash tanks as well as vacuum and sub-ambient pressure, this is due to condenser coolers or evaporators used in an attempt to concentrate the processed material, and thus rather than direct steam injection for pre heating the feed material into a preheating vessel maintained below ambient pressure. Thus, the prior art does not cover a method involving washing at a pressure below ambient pressure and using the resulting flash steam to directly inject steam to preheat the incoming feedstock into a preheat vessel maintained below ambient pressure to facilitate transfer of the flash steam. vaporization.
В отличие от предшествующего уровня техники, настоящее изобретение основано на поддержании частей системы ниже давления окружающей среды путем удаления неконденсирующихся газов с помощью вакуумной системы и по меньшей мере двух последовательно расположенных пульперов и двух испарительных резервуаров для ступенчатого предварительного нагрева и снижения давления соответственно, путем мгновенного парообразования ниже уровня жидкости в обоих пульперах. В качестве альтернативы в системе может быть на один меньше испарительных резервуаров, чем количество пульперов, но минимум два пульпера и один испарительный резервуар, если реакторам разрешено сбрасывать давление путем передачи горячего пара из верхнего пространства реактора в пульпер, работающий при самой высокой температуре, до тех пор, пока эти емкости не будут в равновесии перед сбросом жидкого содержимого в испарительный резервуар. Таким образом, настоящее изобретение удовлетворяет растущую потребность в оптимизации энергопотребления за счет достижения более низкого расхода пара по сравнению с процессами известного уровня техники, например, как показано на примере процессов, описанных в WO 2011/006854.Unlike the prior art, the present invention is based on maintaining parts of the system below ambient pressure by removing non-condensable gases using a vacuum system and at least two successive pulpers and two flash tanks for staged preheating and pressure reduction, respectively, by flash vaporization below the liquid level in both pulpers. Alternatively, the system may have one fewer flash tanks than the number of slurries, but a minimum of two slurries and one flash tank if the reactors are allowed to depressurize by transferring hot steam from the top of the reactor to the slurry operating at the highest temperature until until these containers are in equilibrium before discharging the liquid contents into the evaporation tank. Thus, the present invention addresses the growing need to optimize energy consumption by achieving lower steam consumption compared to prior art processes, for example, as exemplified by the processes described in WO 2011/006854.
- 2 044578- 2 044578
Раскрытие сущности изобретенияDisclosure of the invention
Как указано выше, установки ПТГ, известные из предшествующего уровня техники, в основном имеют один резервуар для предварительного нагрева и один резервуар для мгновенного парообразования, и субстрат, подаваемый в ПТГ, составляет около 5-30°С, чаще всего около 15°С, если только система предварительного нагрева не используется для предварительного нагрева подачи до температур, превышающих 50°С. Таким образом, мгновенно образующийся (горячий) пар от парового взрыва в испарительном резервуаре обычно нагревает пульпер примерно до 85-100°С, чаще всего около 90°С.As stated above, PTG units known from the prior art generally have one preheating tank and one flash tank, and the substrate supplied to the PTG is about 5-30°C, most often about 15°C. unless the preheating system is used to preheat the feed to temperatures exceeding 50°C. Thus, the instantly generated (hot) steam from the steam explosion in the evaporation tank usually heats the pulp to about 85-100°C, most often around 90°C.
Кроме того, пульпер обычно поддерживается при давлении окружающей среды, поэтому температура подачи выше приблизительно 23-25°С, удельная температура, зависящая от удельных тепловых потерь конкретного процесса, приведет к кипению в пульпере и потере тепловой энергии. В качестве альтернативы и в пульпере, и в испарительном резервуаре поддерживают давление, более высокое, чем давление окружающей среды, чтобы предотвратить кипение в пульпере, но это также приведет к потере тепловой энергии из-за более высоких температур в обработанном субстрате, выгружаемом из ПТГ. В редких случаях, когда доступно большое количество низкотемпературного тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую, может быть целесообразно использовать горячую воду для разбавления биологических отходов, таких как пищевые отходы, перед обработкой в ПТГ. Чтобы избежать закипания пульпера, на испарительном резервуаре можно установить охладитель, чтобы уменьшить количество пара, возвращаемого в пульпер. Это позволяет извлечь пользу из более низкой вязкости субстрата, возникающей в результате более высокой температуры субстрата перед обработкой ПТГ, предотвращая при этом закипание пульпера.In addition, the pulper is usually maintained at ambient pressure, so the feed temperature above approximately 23-25°C, a specific temperature dependent on the specific heat loss of the particular process, will result in boiling in the pulper and loss of thermal energy. Alternatively, both the pulper and flash tank are maintained at a pressure higher than ambient pressure to prevent boiling in the pulper, but this will also result in a loss of thermal energy due to higher temperatures in the treated substrate discharged from the PTG. In rare cases where large amounts of low-temperature heat are available that would otherwise be wasted, it may be advisable to use hot water to dilute biological wastes such as food waste before processing in the PTH. To prevent the pulper from boiling, a cooler can be installed on the evaporation tank to reduce the amount of steam returned to the pulper. This takes advantage of the lower substrate viscosity resulting from the higher substrate temperature prior to PTH treatment, while preventing pulp boiling.
В отличие от этого, в настоящем изобретении используются по меньшей мере два последовательно расположенных сосуда предварительного нагрева и два последовательно расположенных сосуда мгновенного парообразования для ступенчатого предварительного нагрева и снижения давления соответственно. Оптимальная температура и давление в этих сосудах зависят от температуры подачи в ПТГ. Таким образом, при температурах подачи ниже примерно 50 и 165°С в реакторе, определенном давлении удержания и погружении трубок для выпаривания пара примерно на 3 м в пульперах, давление как во втором резервуаре для выпаривания, так и в первом пульпере будет поддерживаться ниже окружающего с помощью вакуумной системы, подключенной к первому пульперу. Однако настоящее изобретение также рассматривает процессы, в которых давление в первых резервуарах предварительного нагрева ниже давления окружающей среды, в то время как давление во втором резервуаре предварительного нагрева выше давления окружающей среды. Таким образом, например, давление во втором сосуде предварительного нагрева может составлять давление 1,1 бар абс., в то время как в первом сосуде предварительного нагрева может быть давление 0,8 бар абс. Такой сценарий позволил бы обеспечить температуру подачи несколько выше 50°С при сохранении надлежащего использования процессов настоящего изобретения. Вакуумная система способов и установок настоящего изобретения, таким образом, необходима для достижения снижения расхода пара за счет последовательного использования двух сосудов предварительного нагрева и двух сосудов мгновенного испарения. Когда субстрат находится в нормальном диапазоне температур (10-30°С), первый нагревательный сосуд поддерживается при давлении, которое значительно ниже давления окружающей среды, чтобы обеспечить передачу пара низкой температуры из вторых сосудов мгновенного испарения в первый сосуд предварительного нагрева. Это выполняется при одновременном регулировании давления в обоих сосудах предварительного нагрева для предотвращения закипания.In contrast, the present invention uses at least two preheat vessels in series and two flash vessels in series to stage preheat and depressurize, respectively. The optimal temperature and pressure in these vessels depend on the supply temperature to the steam generator. Thus, at feed temperatures below about 50 and 165°C in the reactor, a certain holding pressure and immersion of the steam evaporation tubes at about 3 m in the pulpers, the pressure in both the second evaporation vessel and the first pulper will be maintained below ambient with using a vacuum system connected to the first pulper. However, the present invention also contemplates processes in which the pressure in the first preheat vessels is below ambient pressure, while the pressure in the second preheat vessel is above ambient pressure. Thus, for example, the pressure in the second preheating vessel may be 1.1 bar abs, while the first preheating vessel may be 0.8 bar abs. Such a scenario would allow for feed temperatures slightly above 50° C. while maintaining proper use of the processes of the present invention. The vacuum system of the methods and apparatus of the present invention is therefore necessary to achieve a reduction in steam consumption through the sequential use of two preheat vessels and two flash vessels. When the substrate is within the normal temperature range (10-30° C.), the first preheating vessel is maintained at a pressure that is well below ambient pressure to allow low temperature steam to be transferred from the second flash vessels to the first preheating vessel. This is done by simultaneously adjusting the pressure in both preheat vessels to prevent boiling.
Мгновенно образующийся пар обычно впрыскивается ниже уровня жидкости в обоих сосудах предварительного нагрева. Это гарантирует, что пар конденсируется в жидкости, в то время как другие неконденсирующиеся газы проходят через жидкость и попадают в незаполненное пространство. Впрыск горячего пара через тщательно спроектированные точки впрыска способствует перемешиванию субстрата в процессе предварительного нагрева. Однако возможны и другие способы впрыска пара, такие как механическое перемешивание. Такие методы, например, основаны на впрыске пара в трубопровод с последующим использованием механических смесителей для обеспечения полной конденсации всего пара. Однако, поскольку известно, что последние системы подвержены утечкам и износу, а также, учитывая присутствие H2S и тиолов, предпочтителен первый метод, основанный на впрыске мгновенно образующегося пара ниже уровня жидкости в пульперах. Датчики температуры и давления используются для расчета парциального давления пара и других неконденсирующихся газов в незаполненном пространстве сосудов предварительного нагрева. Входные сигналы от этих приборов используются для управления клапаном, который выпускает газы из сосудов. Газы из второго (горячего) сосуда предварительного нагрева отводятся до уровня ниже уровня жидкости в первом (холодном) сосуде предварительного нагрева. Это гарантирует, что пар, переносимый с технологическим газом, используется для предварительного нагрева в первом сосуде. Парциальное давление неконденсирующихся газов в первом сосуде предварительного нагрева будет поддерживаться на желаемом уровне. Желаемое парциальное давление неконденсирующихся газов в незаполненном пространстве первого нагревательного сосуда будет зависеть от конкретного используемого субстрата и температуры подачи. При более низком общем давлении в сосуде предварительного нагрева из подключенного испарительного резервуара выделяется больше мгновенThe flash steam generated is usually injected below the liquid level in both preheat vessels. This ensures that the vapor condenses into the liquid while other non-condensable gases pass through the liquid and enter the void space. Injection of hot steam through carefully designed injection points helps agitate the substrate during preheating. However, other methods of steam injection are possible, such as mechanical stirring. Such methods, for example, rely on the injection of steam into a pipeline followed by the use of mechanical mixers to ensure complete condensation of all steam. However, since the latter systems are known to be susceptible to leakage and wear, and given the presence of H 2 S and thiols, the first method, based on the injection of flash steam below the liquid level in the pulpers, is preferred. Temperature and pressure sensors are used to calculate the partial pressure of steam and other non-condensable gases in the void space of preheat vessels. Input signals from these devices are used to control a valve that releases gases from the vessels. Gases from the second (hot) preheat vessel are diverted to a level below the liquid level in the first (cold) preheat vessel. This ensures that the steam carried with the process gas is used for preheating in the first vessel. The partial pressure of the non-condensable gases in the first preheat vessel will be maintained at the desired level. The desired partial pressure of non-condensable gases in the void space of the first heating vessel will depend on the specific substrate used and the feed temperature. At a lower total pressure in the preheating vessel, more instantaneous gas is released from the connected evaporation tank
- 3 044578 но образующегося пара, в то время как больше тепла теряется в вакуумной системе, поскольку соотношение между паром и неконденсируемыми газами увеличивается. Измерения количества неконденсирующихся газов, выделяющихся из различных видов сырья во время обработки ПТГ, показывают, что оптимальный объемный процент неконденсирующихся газов в большинстве случаев будет составлять от 10 до 35%. При этом оптимуме производная равна нулю для функции, описывающей теплопотери в вакуумной системе и энергию, извлекаемую из подключенного испарительного резервуара. Модели, имитирующие процесс и работающие с данными в реальном времени с соответствующей установки, могут использоваться для непрерывной настройки уставок процесса для обеспечения оптимальной производительности установки.- 3 044578 but steam is produced, while more heat is lost in the vacuum system as the ratio between steam and non-condensable gases increases. Measurements of the amount of non-condensable gases released from various feedstocks during PTG processing indicate that the optimal volume percentage of non-condensable gases will be between 10 and 35% in most cases. At this optimum, the derivative is zero for the function describing the heat loss in the vacuum system and the energy extracted from the connected evaporation tank. Models that simulate the process and operate with real-time data from the associated plant can be used to continuously adjust process setpoints to ensure optimal plant performance.
Поэтому целью настоящего изобретения является обеспечение процессов и установок, которые в контексте процессов, включающих ПТГ и паровой взрыв, позволяют оптимизировать потребление пара за счет достижения более низкого потребления пара по сравнению с процессами известного уровня техники.It is therefore an object of the present invention to provide processes and installations which, in the context of processes involving STG and steam explosion, allow optimization of steam consumption by achieving lower steam consumption compared to prior art processes.
Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение способов и установок, которые в контексте процессов, включающих ПТГ и паровой взрыв, позволяют оптимизировать потребление пара за счет достижения более низкого расхода пара по сравнению со способами уровня техники и которые просты и легко интегрируются в существующие установки очистки сточных вод путем модернизации.Another object of the present invention is to provide methods and installations which, in the context of processes involving STG and steam explosion, allow optimization of steam consumption by achieving lower steam consumption compared to prior art methods and which are simple and easily integrated into existing wastewater treatment plants. water through modernization.
Наконец, это является целью настоящего изобретения путем использования методов настоящего изобретения в качестве дополнения путем дооснащения любого процесса термического гидролиза холодной подачей и теплой отводимой жидкостью. Таким образом, способы настоящего изобретения могут быть объединены с процессами, описанными, например, в WO 2011/006854 и WO 2014/123426, и другими аналогичными процессами термического гидролиза с целью улучшения рекуперации тепла и снижения общего потребления энергии.Finally, this is the purpose of the present invention by using the methods of the present invention as a complement by retrofitting any thermal hydrolysis process with cold feed and warm exhaust liquid. Thus, the methods of the present invention can be combined with processes described, for example, in WO 2011/006854 and WO 2014/123426, and other similar thermal hydrolysis processes to improve heat recovery and reduce overall energy consumption.
Эти и другие задачи решаются настоящим изобретением.These and other problems are solved by the present invention.
Соответственно, в первом аспекте изобретения предложен способ для гидролиза жидкого субстрата с содержанием твердых веществ от 2 до 30%, предпочтительно от 14 до 20% и температуре от 10 до 30°С, предназначенного для использования в анаэробной ферментации, сбраживании или ином процессе, направленном на производство или экстракцию метана и других ценных веществ, отличающийся тем, что:Accordingly, the first aspect of the invention provides a method for hydrolyzing a liquid substrate having a solids content of from 2 to 30%, preferably from 14 to 20% and a temperature of from 10 to 30°C, intended for use in anaerobic fermentation, digestion or other process aimed at for the production or extraction of methane and other valuable substances, characterized in that:
a) указанный жидкий субстрат переносят, предварительно нагревают и смешивают в первом пульпере, который работает при температуре от 40 до 90°С и давлении от 0,2 до 0,9 бар абс., путем впрыска мгновенно образующегося пара из расположенного ниже по потоку испарительного резервуара;a) said liquid substrate is transferred, preheated and mixed in a first pulper, which operates at a temperature of 40 to 90° C. and a pressure of 0.2 to 0.9 bar abs., by injecting flash steam from a downstream evaporator reservoir;
b) указанное давление от 0,2 до 0,9 бар абс., при котором работает указанный первый пульпер, поддерживается вакуумной системой, работающей для максимизирования конденсации любых конденсирующихся паров, которые не конденсируются при прохождении через указанный жидкий субстрат в указанном первом пульпере;b) said pressure of 0.2 to 0.9 bar abs., at which said first pulper operates, is maintained by a vacuum system operating to maximize the condensation of any condensable vapors that do not condense when passing through said liquid substrate in said first pulper;
c) указанная вакуумная система также способна максимизировать сжатие любых оставшихся неконденсирующихся паров и подключена к блоку впрыска, который способен впрыскивать указанные неконденсирующиеся пары в расположенный ниже по потоку анаэробный биореактор, ферментер или любую другую систему обработки технологического газа;c) said vacuum system is also capable of maximizing the compression of any remaining non-condensable vapors and is connected to an injection unit that is capable of injecting said non-condensable vapors into a downstream anaerobic bioreactor, fermenter or any other process gas treatment system;
d) указанный предварительно нагретый жидкий субстрат переносят из упомянутого первого пульпера во второй пульпер, который работает при температуре от 90 до 135°С и давлении от 0,7 до 3,3 бар абс., и при этом упомянутый жидкий субстрат подвергают дальнейшему перемешиванию и предварительному нагреву путем впрыска мгновенно образующегося пара из расположенного ниже по потоку испарительного резервуара;d) said preheated liquid substrate is transferred from said first pulper to a second pulper which is operated at a temperature of from 90 to 135° C. and a pressure of from 0.7 to 3.3 bar abs., wherein said liquid substrate is subjected to further mixing and preheating by injecting flash steam from a downstream evaporation tank;
e) указанный дополнительно предварительно нагретый жидкий субстрат переносят из указанного второго пульпера в один или более реакторов, работающих параллельно или последовательно, в которых указанный жидкий субстрат нагревают до температур в диапазоне от 140 до 180°С и при давлении от 3,6 до 10 бар абс.;e) said further preheated liquid substrate is transferred from said second pulper to one or more reactors, operating in parallel or in series, in which said liquid substrate is heated to temperatures ranging from 140 to 180° C. and at a pressure from 3.6 to 10 bar abs.;
f) указанный жидкий субстрат переносят из указанного одного или нескольких реакторов, работающих последовательно или параллельно, в первый испарительный резервуар, работающий при температуре от 100 до 140°С и давлении от 1 до 3,6 бар абс., в результате чего происходит снижение давления, и откуда горячий пар, полученный в результате указанного снижения давления, переносится во второй пульпер, работающий при температуре от 90 до 135°С и давлении от 0,7 до 3,3 бар абс.;f) said liquid substrate is transferred from said one or more reactors, operating in series or parallel, to a first flash tank operating at a temperature of 100 to 140° C. and a pressure of 1 to 3.6 bar abs., resulting in a pressure reduction , and from where the hot steam obtained as a result of the said pressure reduction is transferred to a second pulper operating at a temperature from 90 to 135 ° C and a pressure from 0.7 to 3.3 bar abs.;
g) указанный жидкий материал переносят из указанного первого испарительного резервуара во второй испарительный резервуар, работающий при температуре от 70 до 100°С и давлении от 0,35 до 1 бар абс., в результате чего происходит дальнейшее снижение давления, и откуда мгновенно образующийся пар, полученный в результате упомянутого дальнейшего снижения давления во второй испарительном резервуаре, переносится в указанный первый пульпер, работающий при температуре от 40 до 90°С и при давлении от 0,2 до 0,9 бар абс. посредством указанной вакуумной системы.g) said liquid material is transferred from said first flash tank to a second flash tank operating at a temperature of from 70 to 100° C. and a pressure of from 0.35 to 1 bar abs., resulting in a further reduction in pressure, and from where steam is instantly generated , obtained as a result of said further reduction in pressure in the second evaporation tank, is transferred to said first pulper, operating at a temperature of 40 to 90°C and at a pressure of 0.2 to 0.9 bar abs. through said vacuum system.
Данный способ совершенствует и/или оптимизирует потребление пара за счет достижения более низкого расхода пара по сравнению с процессами, описанными на предыдущем уровне техники. Что каThis method improves and/or optimizes steam consumption by achieving lower steam consumption compared to processes described in the prior art. What ka
- 4 044578 сается температур и давлений, указанных в пунктах a), b), d), e) и f) выше, специалист легко поймет, что в идеальном сценарии парциальное давление пара, например, при 40, 90 и 140°С будет составлять 0,07, 0,7 и 3,6 бар абс. соответственно. Аналогично, в идеальном сценарии парциальное давление пара составляет 3,3 бар абс. при температуре 137, а не 135°С. Иными словами, указанные температуры и давления не соответствуют линии насыщения пара. Однако, поскольку процессы и способы настоящего изобретения во многих вариантах осуществления также будут включать присутствие других неконденсирующихся газов, давления и температуры, указанные в пунктах а), b), d), e) и f) выше, в определенной степени округлены, чтобы также учитывать возможное присутствие любых таких других неконденсирующихся газов.- 4 044578 given the temperatures and pressures specified in points a), b), d), e) and f) above, one skilled in the art will readily understand that in an ideal scenario the partial pressure of steam at, for example, 40, 90 and 140°C will be be 0.07, 0.7 and 3.6 bar abs. respectively. Likewise, in an ideal scenario, the steam partial pressure is 3.3 bar abs. at a temperature of 137, not 135°C. In other words, the indicated temperatures and pressures do not correspond to the steam saturation line. However, since the processes and methods of the present invention in many embodiments will also involve the presence of other non-condensable gases, the pressures and temperatures specified in paragraphs a), b), d), e) and f) above are rounded to a certain extent to also take into account the possible presence of any such other non-condensable gases.
В варианте осуществления первого аспекта изобретения указанный способ дополнительно характеризуется тем, что соединенный пароохладитель работает для удаления любых паров, конденсирующихся ниже рабочей температуры указанного первого пульпера, и что указанная вакуумная система работает для максимизирования конденсации любых конденсирующихся паров, которые не конденсируются при прохождении через указанный жидкий субстрат в указанном первом пульпере или в указанном соединенном пароохладителе.In an embodiment of the first aspect of the invention, said method is further characterized in that the connected desuperheater operates to remove any vapors that condense below the operating temperature of said first pulper, and that said vacuum system operates to maximize the condensation of any condensable vapors that do not condense when passing through said liquid. the substrate in said first pulper or in said connected desuperheater.
Этот вариант осуществления дополнительно увеличивает и/или оптимизирует потребление пара за счет достижения более низкого расхода пара по сравнению с процессами, известными из уровня техникиThis embodiment further increases and/or optimizes steam consumption by achieving lower steam consumption compared to prior art processes
Во втором аспекте изобретения, предусмотрена установка для гидролиза жидкого субстрата, с содержанием твердых веществ в диапазоне от 2 до 30%, предпочтительно от 14 до 20%, и температуре от 10 до 30°С, предназначенного для использования в анаэробной ферментации, сбраживании или ином процессе, направленном на получение или экстракцию метана или других ценных веществ, при этом указанная установка включает в себя:In a second aspect of the invention, there is provided an apparatus for hydrolyzing a liquid substrate having a solids content in the range of 2 to 30%, preferably 14 to 20%, and a temperature of 10 to 30° C., intended for use in anaerobic fermentation, digestion or other a process aimed at producing or extracting methane or other valuable substances, wherein said installation includes:
a) первый пульпер для перемешивания и предварительного нагрева упомянутого жидкого субстрата, в который переносится упомянутый жидкий субстрат и который работает при температуре от 40°С до 90°С и давлении от 0,2 до 0,9 бар абс. путем впрыска мгновенно образующегося пара из расположенного ниже по потоку испарительного резервуара;a) a first pulper for mixing and preheating said liquid substrate, into which said liquid substrate is transferred and which operates at a temperature of 40°C to 90°C and a pressure of 0.2 to 0.9 bar abs. by injecting flash vapor from a downstream evaporation tank;
b) вакуумная система для поддержания указанного давления от 0,2 до 0,9 бар абс., при котором работает указанный первый пульпер, вакуумная система которого работает для максимизирования конденсации любых конденсируемых паров, которые не конденсируются при прохождении через указанный жидкий субстрат в упомянутом первом пульпере, и для максимизирования сжатия любых оставшихся неконденсирующихся паров и оставшихся конденсирующихся паров;b) a vacuum system for maintaining said pressure of 0.2 to 0.9 bar abs. at which said first pulper is operated, the vacuum system of which is operated to maximize the condensation of any condensable vapors that do not condense when passing through said liquid substrate in said first pulper, and to maximize compression of any remaining non-condensable vapors and remaining condensable vapors;
c) блок впрыска, который способен впрыскивать указанные неконденсирующиеся пары в расположенный ниже по потоку анаэробный биореактор или устройство для обработки технологического газа, подключенное к указанной вакуумной системе;c) an injection unit that is capable of injecting said non-condensable vapors into a downstream anaerobic bioreactor or process gas treatment device connected to said vacuum system;
d) второй пульпер, который работает при температуре от 90 до 135°С и давлении от 0,7 до 3,3 бар абс., в который указанный предварительно нагретый жидкий субстрат переносится из упомянутого первого пульпера и в котором указанный жидкий субстрат подвергается дальнейшему перемешиванию и предварительному нагреву путем впрыска мгновенно образующегося пара из расположенного ниже по потоку испарительного резервуара;d) a second pulper, which operates at a temperature of from 90 to 135°C and a pressure of from 0.7 to 3.3 bar abs., into which said preheated liquid substrate is transferred from said first pulper and in which said liquid substrate is subjected to further mixing and preheating by injecting flash steam from a downstream flash tank;
e) один или более реакторов, работающих параллельно или последовательно, в которые из упомянутого второго пульпера переносится упомянутый дополнительный предварительно нагретый жидкий субстрат и в которых упомянутый жидкий субстрат нагревается до температур в диапазоне от 140 до 180°С и при давлении от 3,6 до 10 бар абс.;e) one or more reactors, operating in parallel or in series, into which said additional preheated liquid substrate is transferred from said second pulper and in which said liquid substrate is heated to temperatures ranging from 140 to 180°C and at a pressure from 3.6 to 10 bar abs.;
f) первый испарительный резервуар, в который указанный жидкий субстрат переносится из указанного одного или нескольких реакторов, работающих последовательно или параллельно, причем указанный первый испарительный резервуар работает при температуре от 100 до 140°С и давлении от 1 до 3,6 бар абс., посредством чего происходит снижение давления, и из которого мгновенно образующийся пар, полученный в результате указанного снижения давления, переносится в указанный второй пульпер, работающий при температуре от 90 до 135°С и давлении от 0,7 до 3,3 бар абс.;f) a first flash tank into which said liquid substrate is transferred from said one or more reactors operating in series or parallel, said first flash tank operating at a temperature of from 100 to 140° C. and a pressure from 1 to 3.6 bar abs., whereby a reduction in pressure occurs, and from which the instantly generated steam resulting from said reduction in pressure is transferred to said second pulper operating at a temperature of from 90 to 135° C. and a pressure from 0.7 to 3.3 bar abs.;
g) второй испарительный резервуар, в который указанный жидкий материал переносится из указанного первого испарительного резервуара, при этом указанный второй испарительный резервуар работает при температуре от 70 до 100°С и давлении от 0,3 до 1 бар абс., в результате чего происходит дальнейшее снижение давления, и из которого мгновенно образующийся пар, возникающий в результате указанного дальнейшего снижения давления во втором испарительном резервуаре, перемещают в указанный первый пульпер, работающий при температуре от 40 до 90°С и давлении от 0,2 до 0,9 бар абс. посредством указанной вакуумной системы.g) a second flash tank into which said liquid material is transferred from said first flash tank, wherein said second flash tank is operated at a temperature of from 70 to 100° C. and a pressure of from 0.3 to 1 bar abs., whereby further pressure reduction, and from which the instantly generated steam resulting from said further reduction in pressure in the second evaporation tank is transferred to said first pulper operating at a temperature of from 40 to 90° C. and a pressure of from 0.2 to 0.9 bar abs. through said vacuum system.
Эта установка увеличивает и/или оптимизирует потребление пара за счет достижения более низкого расхода пара по сравнению с процессами, описанными в известном уровне техники. Что касается температур и давлений, указанных в пунктах a), b), d), e) и f) выше, специалист легко поймет, что в идеальном сценарии парциальное давление пара, например, при 40, 90 и 140°С будет составлять 0,07, 0,7 и 3,6 бар абс. соответственно. Аналогично, в идеальном сценарии парциальное давление пара составляет 3,3 бар абс. при температуре 137, а не 135°С. Иными словами, указанные температуры и давления не со- 5 044578 ответствуют линии насыщения пара. Однако, поскольку процессы и способы настоящего изобретения во многих вариантах осуществления также будут включать присутствие других неконденсирующихся газов, давления и температуры, указанные в пунктах а), b), d), e) и f) выше, в определенной степени округлены, чтобы также учитывать возможное присутствие любых таких других неконденсирующихся газов.This installation increases and/or optimizes steam consumption by achieving lower steam consumption compared to processes described in the prior art. Regarding the temperatures and pressures specified in points a), b), d), e) and f) above, one skilled in the art will readily understand that in an ideal scenario the partial pressure of steam at, for example, 40, 90 and 140°C will be 0 .07, 0.7 and 3.6 bar abs. respectively. Likewise, in an ideal scenario, the steam partial pressure is 3.3 bar abs. at a temperature of 137, not 135°C. In other words, the indicated temperatures and pressures do not correspond to the steam saturation line. However, since the processes and methods of the present invention in many embodiments will also involve the presence of other non-condensable gases, the pressures and temperatures specified in paragraphs a), b), d), e) and f) above are rounded to a certain extent to also take into account the possible presence of any such other non-condensable gases.
В варианте реализации второго аспекта изобретения установка дополнительно содержит подключенный охладитель пара, работающий для удаления любых паров, конденсирующихся ниже рабочей температуры упомянутого первого пульпера, при этом указанная вакуумная система выполняет следующие функции:In an embodiment of the second aspect of the invention, the installation further comprises a connected vapor cooler operative to remove any vapors condensing below the operating temperature of said first pulper, said vacuum system having the following functions:
максимизирование конденсации любых конденсируемых паров, которые не конденсируются при прохождении через указанный жидкий субстрат в упомянутом первом пульпере или в упомянутом подключенном пароохладителе, работающем для удаления любых паров, конденсирующихся ниже рабочей температуры упомянутого первого пульпера; и максимальное сжатие любых оставшихся неконденсирующихся паров.maximizing the condensation of any condensable vapors that do not condense upon passage through said liquid substrate in said first pulper or in said connected desuperheater operating to remove any vapors condensing below the operating temperature of said first pulper; and maximum compression of any remaining non-condensable vapors.
Этот вариант осуществления дополнительно увеличивает и/или оптимизирует потребление пара за счет достижения более низкого расхода пара по сравнению с процессами, известными из уровня техники.This embodiment further increases and/or optimizes steam consumption by achieving lower steam consumption compared to prior art processes.
Любой из вариантов осуществления первого аспекта изобретения может быть объединен с любым из вариантов осуществления второго аспекта.Any of the embodiments of the first aspect of the invention may be combined with any of the embodiments of the second aspect.
В третьем аспекте изобретения предусмотрен способ для модернизации существующей установки для термического гидролиза жидкого субстрата, с содержанием твердых веществ в диапазоне от 2 до 30%, предпочтительно от 14 до 20% и температурой от 10 до 30°С, предназначенного для использования в анаэробной ферментации, сбраживания или иного процесса, направленного на создание или экстракцию метана и других ценных веществ, благодаря чему модернизация обеспечивает, что указанная установка включает как минимум следующие компоненты:In a third aspect of the invention, a method is provided for upgrading an existing thermal hydrolysis plant for a liquid substrate, with a solids content in the range of 2 to 30%, preferably 14 to 20% and a temperature of 10 to 30°C, intended for use in anaerobic fermentation, digestion or other process designed to create or extract methane and other valuable substances, whereby the upgrade ensures that the said plant includes at a minimum the following components:
a) первый пульпер для перемешивания и предварительного нагрева упомянутого жидкого субстрата, в который переносится упомянутый жидкий субстрат и который работает при температуре от 40 до 90°С и давлении от 0,2 до 0,9 бар абс. путем впрыска мгновенно образующегося пара из расположенного ниже по потоку испарительного резервуара;a) a first pulper for mixing and preheating said liquid substrate, into which said liquid substrate is transferred and which operates at a temperature of 40 to 90° C. and a pressure of 0.2 to 0.9 bar abs. by injecting flash vapor from a downstream evaporation tank;
b) вакуумная система для поддержания указанного давления от 0,2 до 0,9 бар абс., при котором работает указанный первый пульпер, при этом вакуумная система работает для максимизирования конденсации любых конденсируемых паров, которые не конденсируются при прохождении через указанный жидкий субстрат в упомянутом первом пульпере, и для максимизирования сжатия любых оставшихся неконденсирующихся паров;b) a vacuum system for maintaining said pressure of 0.2 to 0.9 bar abs at which said first pulper is operated, the vacuum system being operated to maximize the condensation of any condensable vapors that do not condense when passing through said liquid substrate in said the first pulper, and to maximize the compression of any remaining non-condensable vapors;
c) блок впрыска, который способен впрыскивать указанные неконденсирующиеся пары в расположенный ниже по потоку анаэробный биореактор или устройство для обработки технологического газа, подключенное к указанной вакуумной системе;c) an injection unit that is capable of injecting said non-condensable vapors into a downstream anaerobic bioreactor or process gas treatment device connected to said vacuum system;
d) второй пульпер, который работает при температуре от 90 до 135°С и давлении от 0,7 до 3,3 бар абс., в который указанный предварительно нагретый жидкий субстрат переносится из упомянутого первого пульпера и в котором указанный жидкий субстрат подвергается дальнейшему перемешиванию и предварительному нагреву путем впрыска мгновенно образующегося пара из расположенного ниже по потоку испарительного резервуара;d) a second pulper, which operates at a temperature of from 90 to 135°C and a pressure of from 0.7 to 3.3 bar abs., into which said preheated liquid substrate is transferred from said first pulper and in which said liquid substrate is subjected to further mixing and preheating by injecting flash steam from a downstream flash tank;
e) один или более реакторов, работающих параллельно или последовательно, в которые из упомянутого второго пульпера переносится упомянутый дополнительный предварительно нагретый жидкий субстрат, и в которых упомянутый жидкий субстрат нагревается до температур в диапазоне от 140 до 180°С и при давлении от 3,6 до 10 бар абс.;e) one or more reactors, operating in parallel or in series, into which said additional preheated liquid substrate is transferred from said second pulper, and in which said liquid substrate is heated to temperatures ranging from 140 to 180° C. and at a pressure from 3.6 up to 10 bar abs.;
f) первый испарительный резервуар, в который указанный жидкий субстрат переносится из указанного одного или нескольких реакторов, работающих последовательно или параллельно, причем указанный первый испарительный резервуар работает при температуре от 100 до 140°С и давлении от 1 до 3,6 бар абс., посредством чего происходит снижение давления, и из которого мгновенно образующийся пар, полученный в результате указанного снижения давления, переносится в указанный второй пульпер, работающий при температуре от 90 до 135°С и давлении от 0,7 до 3,3 бар абс.;f) a first flash tank into which said liquid substrate is transferred from said one or more reactors operating in series or parallel, said first flash tank operating at a temperature of from 100 to 140° C. and a pressure from 1 to 3.6 bar abs., whereby a reduction in pressure occurs, and from which the instantly generated steam resulting from said reduction in pressure is transferred to said second pulper operating at a temperature of from 90 to 135° C. and a pressure from 0.7 to 3.3 bar abs.;
g) второй испарительный резервуар, в который указанный жидкий материал переносится из указанного первого испарительного резервуара, при этом указанный второй испарительный резервуар работает при температуре от 70 до 100°С и давлении от 0,3 до 1 бар абс., в результате чего происходит дальнейшее снижение давления, и из которого мгновенно образующийся пар, возникающий в результате указанного дальнейшего снижения давления во втором испарительном резервуаре, перемещают в указанный первый пульпер, работающий при температуре от 40 до 90°С и давлении от 0,2 до 0,9 бар абс. посредством указанной вакуумной системы.g) a second flash tank into which said liquid material is transferred from said first flash tank, wherein said second flash tank is operated at a temperature of from 70 to 100° C. and a pressure of from 0.3 to 1 bar abs., whereby further pressure reduction, and from which the instantly generated steam resulting from said further reduction in pressure in the second evaporation tank is transferred to said first pulper operating at a temperature of from 40 to 90° C. and a pressure of from 0.2 to 0.9 bar abs. through said vacuum system.
Этот способ модернизации увеличивает и/или оптимизирует расход пара за счет достижения более низкого расхода пара по сравнению с процессами известного уровня техники. Что касается температур и давлений, указанных в пунктах а), b), d), e) и f) выше, специалист легко поймет, что в идеальном сценарии парциальное давление пара, например, при 40, 90 и 140°С будет составлять 0,07, 0,7 и 3,6 бар абс. соответственно. Аналогично, в идеальном сценарии парциальное давление пара составляет 3,3 бар абс.This retrofit method increases and/or optimizes steam consumption by achieving lower steam consumption compared to prior art processes. Regarding the temperatures and pressures specified in points a), b), d), e) and f) above, one skilled in the art will readily understand that in an ideal scenario the partial pressure of steam at, for example, 40, 90 and 140°C will be 0 .07, 0.7 and 3.6 bar abs. respectively. Likewise, in an ideal scenario, the steam partial pressure is 3.3 bar abs.
- 6 044578 при температуре 137, а не 135°С. Иными словами, указанные температуры и давления не соответствуют линии насыщения пара. Однако, поскольку процессы и способы настоящего изобретения во многих вариантах осуществления также будут включать присутствие других неконденсирующихся газов, давления и температуры, указанные в пунктах a), b), d), e) и f) выше, в определенной степени округлены, чтобы также учитывать возможное присутствие любых таких других неконденсирующихся газов.- 6 044578 at a temperature of 137, not 135°C. In other words, the indicated temperatures and pressures do not correspond to the steam saturation line. However, since the processes and methods of the present invention in many embodiments will also involve the presence of other non-condensable gases, the pressures and temperatures specified in paragraphs a), b), d), e) and f) above are rounded to a certain extent to also take into account the possible presence of any such other non-condensable gases.
В варианте осуществления третьего аспекта изобретения способ модернизации дополнительно включает обеспечение того, чтобы указанная установка содержала подключенный охладитель пара, работающий для удаления любых паров, конденсирующихся ниже рабочей температуры упомянутого первого пульпера, и чтобы указанная вакуумная система выполняла следующие функции:In an embodiment of the third aspect of the invention, the retrofit method further includes ensuring that said installation includes a connected vapor cooler operative to remove any vapors condensing below the operating temperature of said first pulper, and that said vacuum system performs the following functions:
максимизировать конденсацию любых конденсирующихся паров, которые не конденсируются при прохождении через указанный жидкий субстрат в упомянутом первом пульпере или в упомянутом соединенном пароохладителе, работающем для удаления любых паров, конденсирующихся ниже рабочей температуры упомянутого первого пульпера; и максимизировать сжатие любых оставшихся неконденсирующихся паров.to maximize the condensation of any condensable vapors that do not condense upon passage through said liquid substrate in said first pulper or in said connected desuperheater operating to remove any vapors that condense below the operating temperature of said first pulper; and maximize compression of any remaining non-condensable vapors.
Этот способ модернизации дополнительно увеличивает и/или оптимизирует расход пара за счет достижения более низкого расхода пара по сравнению с процессами предшествующего уровня техники.This upgrade method further increases and/or optimizes steam consumption by achieving lower steam consumption compared to prior art processes.
Любой из вариантов осуществления первого аспекта и второго аспекта изобретения может быть объединен с любым из вариантов осуществления третьего аспекта.Any of the embodiments of the first aspect and the second aspect of the invention may be combined with any of the embodiments of the third aspect.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
На фиг. 1 и 2 показаны два различных варианта осуществления установки в соответствии с настоящим изобретением для выполнения способа в соответствии с настоящим изобретением.In fig. 1 and 2 show two different embodiments of an installation in accordance with the present invention for carrying out the method in accordance with the present invention.
На фиг. 3 и 4 показаны два различных, особенно предпочтительных варианта осуществления установки в соответствии с настоящим изобретением для выполнения способа в соответствии с настоящим изобретением, в котором используется барометрическая перекачка.In fig. 3 and 4 show two different, particularly preferred embodiments of the installation in accordance with the present invention for carrying out the method in accordance with the present invention, which uses barometric pumping.
Подробное описание изобретенияDetailed Description of the Invention
Ниже настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылкой на номенклатуру, также используемую на прилагаемых фиг. 1-4.The present invention will be described in more detail below with reference to the nomenclature also used in the accompanying FIGS. 1-4.
Настоящее изобретение относится к способам и установкам, в которых используются процессы термического гидролиза (ПТГ) в сочетании с паровым взрывом, в которых для предварительного нагрева и снижения давления соответственно используются пульперы и испарительные резервуары. Настоящее изобретение также относится к способам модернизации существующих установок, в которых используются процессы термического гидролиза.The present invention relates to methods and installations that use thermal hydrolysis (TTH) processes in combination with steam explosion, in which pulpers and flash tanks are used for preheating and pressure reduction, respectively. The present invention also relates to methods for upgrading existing plants that use thermal hydrolysis processes.
Как уже отмечалось выше, в настоящем изобретении используется вакуум в сочетании по меньшей мере с двумя последовательно расположенными пульперами и двумя испарительными резервуарами для ступенчатого предварительного нагрева и снижения давления соответственно.As noted above, the present invention uses a vacuum in combination with at least two pulpers and two flash tanks in series to stage preheat and depressurize, respectively.
Оптимальная температура и давление в отдельных сосудах в способе или установке в соответствии с настоящим изобретением будут зависеть от температуры при подаче в ПТГ. При температуре подачи ниже примерно 50°С давление во втором испарительном резервуаре и первом пульпере будет поддерживаться ниже температуры окружающей среды с помощью вакуумной системы, подключенной к первому пульперу. Как правило, температура в подаче на ПТГ составляет приблизительно 15°С, а нормальный диапазон составляет от 10 до 30°С, например 15-25°С. Это делает вакуумную систему необходимой для снижения расхода пара за счет использования двух пульперов и двух испарительных резевуаров. Если субстрат находится в нормальном диапазоне температур, первый пульпер поддерживается при давлении, которое значительно ниже давления окружающей среды, чтобы обеспечить передачу низкотемпературного пара из второго испарительного резервуара в первый пульпер. Это выполняется при одновременном регулировании давления в обоих пульперах, чтобы предотвратить кипение.The optimal temperature and pressure in the individual vessels in the method or installation in accordance with the present invention will depend on the temperature at the supply to the PTG. When the supply temperature is below about 50°C, the pressure in the second flash tank and first pulper will be maintained below ambient temperature by a vacuum system connected to the first pulper. Typically, the PTG supply temperature is approximately 15°C, and the normal range is 10 to 30°C, such as 15 to 25°C. This makes a vacuum system necessary to reduce steam consumption by using two pulpers and two evaporation tanks. If the substrate is within the normal temperature range, the first pulper is maintained at a pressure that is well below ambient pressure to allow low temperature steam to be transferred from the second flash tank to the first pulper. This is done by simultaneously adjusting the pressure in both pulpers to prevent boiling.
Мгновенно образующийся пар предпочтительно впрыскивается ниже уровня жидкости в оба пульпера. Это гарантирует, что пар конденсируется в жидкости, в то время как другие неконденсирующиеся газы проходят через жидкость и попадают в незаполненное пространство. Датчики температуры и давления используются для расчета парциального давления пара и других неконденсирующихся газов в незаполненном пространстве пульперов. Входные сигналы от этих приборов используются для управления клапаном, который выпускает газы из емкостей. Газы из второго (относительно горячего) пульпера выпускаются до уровня ниже уровня жидкости в первом (относительно холодном) пульпере. Это гарантирует, что пар, переносимый с технологическим газом, используется для предварительного нагрева в первом пульпере. Парциальное давление неконденсирующихся газов в первом пульпере будет поддерживаться на желаемом уровне. Оптимальное парциальное давление неконденсирующихся газов в незаполненном пространстве первого пульпера будет зависеть от конкретного используемого субстрата.The instantaneously generated steam is preferably injected below the liquid level into both pulpers. This ensures that the vapor condenses into the liquid while other non-condensable gases pass through the liquid and enter the void space. Temperature and pressure sensors are used to calculate the partial pressure of steam and other non-condensable gases in the empty space of the pulpers. Input signals from these devices are used to control a valve that releases gases from the containers. Gases from the second (relatively hot) pulper are released to a level below the liquid level in the first (relatively cold) pulper. This ensures that the steam carried with the process gas is used for preheating in the first pulper. The partial pressure of non-condensable gases in the first pulper will be maintained at the desired level. The optimal partial pressure of non-condensable gases in the void space of the first pulper will depend on the specific substrate used.
Как правило, температура жидкого субстрата, подаваемого на первый пульпер в способе или установке согласно настоящему изобретению будет находиться в диапазоне от 10 до 30°С, например 15-25°С, например 20-25°С, а температура гидролиза, используемая в одном или более реакторов, работающих параллельно или последовательно по потоку от второго пульпера, будет находиться в диапазоне от 140 до 180°С, например 155-165°С, приблизительно 160°С в зависимости от температуры и исходного сырья.Typically, the temperature of the liquid substrate supplied to the first pulper in the method or installation according to the present invention will be in the range from 10 to 30°C, for example 15-25°C, for example 20-25°C, and the hydrolysis temperature used in one or more reactors operating in parallel or in series downstream of the second pulper will be in the range of 140 to 180°C, for example 155-165°C, approximately 160°C depending on the temperature and feedstock.
- 7 044578- 7 044578
Как видно из вышесказанного, особенно предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения является обеспечение способов и установок (новых или модернизированных), основанных на системе с двумя пульперами и двумя испарительными резервуарами, в которой первый пульпер соединен с вакуумной системой. Специалист, однако, легко поймет, что некоторые другие варианты осуществления, характеризующиеся теми же техническими признаками, могут быть легко получены путем незначительных изменений в предпочтительных способах и установках (новых или модернизированных) настоящего изобретения, т.е. тех, которые основаны на системе с двумя пульперами и двумя испарительными резервуарами, в которых первый пульпер подключен к вакуумной системе. Некоторые из этих дополнительных вариантов осуществления, также относящихся к настоящему изобретению, будут объяснены несколько подробнее ниже.As can be seen from the above, a particularly preferred embodiment of the present invention is to provide methods and installations (new or modified) based on a two-pulper, two-evaporation tank system in which the first pulper is connected to a vacuum system. One skilled in the art will, however, readily appreciate that certain other embodiments having the same technical features can be easily achieved by minor changes in the preferred methods and apparatus (new or modified) of the present invention, i.e. those based on a system with two pulpers and two evaporation tanks, in which the first pulper is connected to a vacuum system. Some of these additional embodiments, also related to the present invention, will be explained in some detail below.
Первый дополнительный вариант осуществления представляет собой систему, использующую два пульпера, но только один испарительный резервуар для достижения одинаково низкого расхода пара, как описано в предпочтительном варианте осуществления выше, с использованием системы с двумя пульперами и двумя испарительными резервуарами, в которой первый пульпер соединен с вакуумной системой. Это требует, чтобы первый пульпер был подключен к вакуумной системе и чтобы линия, соединяющая свободное пространство реактора (реакторов) со вторым пульпером, использовалась для разгерметизации реактора (реакторов) до тех пор, пока реактор (реакторы) и второй пульпер не будут в равновесии перед переносом жидкого субстрата из реактора (реакторов) в испарительный резервуар. В такой системе можно работать с количеством испарительных резервуаров на один меньше, чем количество пульперов, поскольку реактор будет играть аналогичную роль, как и первый испарительный резервуар в системе с четным числом пульперов и испарительных резервуаров, где жидкий субстрат переносится из реактора (реакторов) при максимальном давлении. В такой системе жидкий субстрат в реакторе (реакторах) будет кипеть по мере того, как пар будет передаваться из реактора на предварительно нагретый субстрат в пульпере. Таким образом, для предотвращения попадания жидкости в систему мгновенно образующегося пара важно, чтобы объем незаполненного пространства в реакторе (реакторах) в такой системе был большим и чтобы скорость передачи пара была низкой. Большой требуемый объем незаполненного пространства приводит к менее эффективному использованию доступного объема реактора (реакторов), а низкие скорости передачи пара увеличивают время цикла для каждого реактора. Оба эти эффекта снижают пропускную способность системы. Из-за этого более эффективно использовать четное количество пульперов и испарительных резервуаров и выгружать субстрат из реакторов при максимальном давлении.The first additional embodiment is a system using two pulpers, but only one flash tank to achieve equally low steam flow, as described in the preferred embodiment above, using a two pulper and two flash tank system, in which the first pulper is connected to a vacuum system. This requires that the first pulper be connected to the vacuum system and that a line connecting the headspace of the reactor(s) to the second pulper be used to depressurize the reactor(s) until the reactor(s) and the second pulper are in equilibrium before transferring the liquid substrate from the reactor(s) to the evaporation tank. In such a system it is possible to operate with one less number of flash tanks than the number of pulpers, since the reactor will play a similar role as the first flash tank in a system with an even number of pulpers and flash tanks, where the liquid substrate is transferred from the reactor(s) at maximum pressure. In such a system, the liquid substrate in the reactor(s) will boil as steam is transferred from the reactor to the preheated substrate in the pulper. Thus, to prevent liquid from entering a flash steam system, it is important that the ullage volume of the reactor(s) in such a system is large and that the steam transfer rate is low. The large ullage volume required results in less efficient use of the available reactor(s) volume, and low steam transfer rates increase the cycle time for each reactor. Both of these effects reduce system throughput. Because of this, it is more efficient to use an even number of pulpers and evaporation tanks and to unload the substrate from the reactors at maximum pressure.
Увеличение числа стадий мгновенного парообразования приведет к снижению общего расхода пара. В способе, основанном на а) подаче с содержанием твердых веществ 15°С и 16,5%, b) все точки впрыска мгновенно образующегося пара, погруженного на 2 м ниже уровня жидкости, с) температура реактора 165°С, d) неконденсирующиеся газы, составляющие 0,1 бар в первом пульпере, и с) отсутствие потерь тепла в окружающую среду, общий расход пара составит приблизительно 530 кг пара на тонну обработанных твердых веществ, если используются три стадии мгновенного парообразования. Для сравнения, процессы с двумя стадиями мгновенного парообразования или одной стадией мгновенного парообразования потребляют 640 и 900 кг насыщенного пара при давлении 14 бар абс. на тонну обработанных твердых веществ соответственно. Для процесса в условиях, аналогичных описанным выше, температура в первом пульпере составит приблизительно 43°С, если используются три стадии мгновенного парообразования, и 64°С, если используются две стадии мгновенного парообразования.Increasing the number of flash stages will reduce the overall steam consumption. In a process based on a) a feed with a solids content of 15°C and 16.5%, b) all injection points of flash steam immersed 2 m below the liquid level, c) a reactor temperature of 165°C, d) non-condensable gases 0.1 bar in the first pulper, and c) no heat loss to the environment, the total steam consumption will be approximately 530 kg of steam per tonne of solids processed if three flash stages are used. In comparison, processes with two flash stages or one flash stage consume 640 and 900 kg of saturated steam at 14 bar abs. per ton of solids processed, respectively. For a process under conditions similar to those described above, the temperature in the first pulper will be approximately 43°C if three flash stages are used, and 64°C if two flash stages are used.
Вязкость большинства жидких субстратов уменьшается с повышением температуры и увеличивается с увеличением содержания веществ. Например, для таких субстратов, как осадок очистных сооружений сточных вод, вязкость обычно значительно снижается при нагревании материала от температуры окружающей среды примерно до 60°С. Вязкость продолжает снижаться при нагревании до более высоких температур, но в несколько меньшей степени. При низкой температуре в первом пульпере может возникнуть необходимость в проведении процесса с более низким содержанием веществ в сырье, чтобы поддерживать вязкость на контролируемом уровне. При аналогичных технологических условиях, описанных выше, процессы с двумя или тремя стадиями мгновенного парообразования будут иметь одинаковый расход пара на тонну обработанных твердых веществ, если содержание сухих веществ в сырье составляет 13,8 и 16,5% соответственно. Из-за этого польза от использования трех стадий мгновенного парообразования может быть упущена, если возникнет необходимость снизить содержание твердых веществ в подаваемом сырье, чтобы сохранить вязкость на управляемом уровне.The viscosity of most liquid substrates decreases with increasing temperature and increases with increasing substance content. For example, for substrates such as sewage treatment sludge, viscosity typically decreases significantly when the material is heated from ambient temperature to approximately 60°C. Viscosity continues to decrease when heated to higher temperatures, but to a slightly lesser extent. When the first pulper temperature is low, it may be necessary to run the process with a lower feed content to maintain viscosity at a controlled level. Under similar process conditions described above, processes with two or three flash stages will have the same steam consumption per ton of solids processed if the feed solids content is 13.8 and 16.5%, respectively. Because of this, the benefit of using three flash stages may be lost if it becomes necessary to reduce the solids content of the feedstock to maintain viscosity at a manageable level.
Кроме того, как известно специалистам, можно предварительно нагреть поступающий жидкий субстрат, используя горячую воду для разбавления, теплообменники или тому подобное. В таких ситуациях, т.е. если и температура подачи жидкого субстрата в первый пульпер и температура гидролиза, применяемая в одном или нескольких реакторах, работающих параллельно или последовательно после второго пульпера, достаточно высоки, рабочее давление первого пульпера, как правило, будет более 1 бар абс. Одним из примеров этого может быть процесс, в котором жидкий субстрат предварительно нагревают до температуры 40°С с небольшим количеством неконденсирующихся газов и где гидролиз проводят при температуре 220°С (и 23,2 бар абс.). В этом случае первый пульпер, как правило, будет работать приAdditionally, as is known to those skilled in the art, it is possible to preheat the incoming liquid substrate using hot dilution water, heat exchangers, or the like. In such situations, i.e. If both the temperature of the liquid substrate feed to the first pulper and the hydrolysis temperature employed in one or more reactors operating in parallel or in series downstream of the second pulper are sufficiently high, the operating pressure of the first pulper will typically be greater than 1 bar abs. One example of this would be a process in which a liquid substrate is preheated to a temperature of 40°C with a small amount of non-condensable gases and where hydrolysis is carried out at a temperature of 220°C (and 23.2 bar abs.). In this case, the first pulper will usually operate at
- 8 044578 температуре 115°С и давлении около 1,8 бар абс. Также в варианте осуществления, основанном на таких условиях эксплуатации, специалисту сразу становится очевидным, что по меньшей мере некоторые преимущества настоящего изобретения все равно будут получены. Таким образом, настоящее изобретение также будет относиться к способам и/или установкам, использующим последовательно два пульпера и два испарительных резервуара и сырье, с температурами, достаточно высокими для того, чтобы первый пульпер работал при давлении выше давления окружающей среды. Другим примером такого способа и/или установки может быть способ/установка, основанная на сырье, имеющем температуру около 65-70°С и давление для удержания в реакторе около 7 бар. Кроме того, в таком сценарии может быть полезно использовать последовательно три пульпера и три испарительных резервуара, а не по два пульпера и испарительных резервуара, поскольку это также в такой ситуации позволило бы использовать пар ниже давления окружающей среды для предварительного нагрева любого поступающего жидкого субстрата. Настоящее изобретение также будет относиться к любым таким способам и/или установкам.- 8 044578 temperature 115°C and pressure about 1.8 bar abs. Also in an embodiment based on such operating conditions, it will be immediately apparent to one skilled in the art that at least some of the benefits of the present invention will still be obtained. Thus, the present invention will also relate to methods and/or installations using two pulpers and two flash tanks and feedstocks in series, with temperatures high enough to cause the first pulper to operate at a pressure above ambient pressure. Another example of such a process and/or plant would be a process/plant based on a feed having a temperature of about 65-70° C. and a reactor holding pressure of about 7 bar. Additionally, in such a scenario, it may be beneficial to use three pulpers and three flash tanks in series rather than two pulpers and flash tanks each, since this would also allow the use of steam below ambient pressure to preheat any incoming liquid substrate in such a situation. The present invention will also relate to any such methods and/or installations.
Однако в большинстве ситуаций в способе или установке в соответствии с настоящим изобретением не будет уместно использовать последовательно более двух пульперов и двух испарительных резервуаров, поскольку температура жидкого субстрата и температура гидролиза будут ниже 40 и 180°С соответственно.However, in most situations, it will not be appropriate to use more than two pulpers and two flash tanks in series in a process or plant according to the present invention, since the temperature of the liquid substrate and the hydrolysis temperature will be below 40 and 180° C., respectively.
В известных технологических процессах в обычном вакуумном охладителе использовали бы вакуумный компрессор для создания вакуума после конденсационного охладителя. Затем охладитель конденсатора удаляет конденсирующиеся пары, чтобы вакуумный компрессор работал на оставшихся газах, часто называемых неконденсирующимися газами. В способе или установке согласно настоящему изобретению вакуумный компрессор не должен обрабатывать все пары, а работает только с неконденсируемыми газами и, следовательно, должен выполнять минимум работы. Конденсационный охладитель для использования в способе или установке в соответствии с настоящим изобретением может быть выполнен различными способами, например, как пластинчатый теплообменник, трубчатый теплообменник вертикальный или горизонтальный, реактор пленочного типа или другие решения, хорошо известные в конденсаторных технологиях, такие как вакуумные испарители. Общим для этих решений является то, что хладагент должен охлаждать поверхности нагрева, чтобы опосредованно охлаждать и конденсировать пары. Таким образом, настоящее изобретение в значительной степени устраняет необходимость в охладителе для конденсации за счет использования одного или нескольких дополнительных пульперов, обеспечивающих прямой контакт между холодным субстратом и конденсируемым паром. Благодаря этой конденсации при прямом контакте внутри пульпера холодный субстрат предварительно нагревается без каких-либо поверхностей нагрева, которые, как известно, подвержены образованию накипи. Кроме того, настоящее изобретение позволяет избежать проблем с ухудшением теплопередачи из-за образования накипи в теплообменниках. Кроме того, проблемы с теплопередачей сводятся к минимуму, так как нет тепловых поверхностей. Кроме того, настоящее изобретение сводит к минимуму необходимость в традиционных охладителях на теплых гидролизованных субстратах перед процессом ферментации, таким как анаэробное сбраживание, для получения метана.In prior art processes, a conventional vacuum cooler would use a vacuum compressor to create a vacuum after the condensing cooler. The condenser cooler then removes the condensable vapors to allow the vacuum compressor to operate on the remaining gases, often called non-condensable gases. In the method or installation according to the present invention, the vacuum compressor does not have to handle all the vapors, but only deals with non-condensable gases and therefore has to do a minimum of work. The condensation cooler for use in the method or installation according to the present invention can be implemented in various ways, for example as a plate heat exchanger, a vertical or horizontal tubular heat exchanger, a film type reactor or other solutions well known in condenser technology, such as vacuum evaporators. What these solutions have in common is that the refrigerant must cool the heating surfaces in order to indirectly cool and condense the vapors. Thus, the present invention largely eliminates the need for a condensation cooler by using one or more additional pulpers to provide direct contact between the cold substrate and the condensed vapor. Thanks to this condensation, direct contact within the pulper preheats the cold substrate without any heating surfaces, which are known to be susceptible to scale formation. In addition, the present invention avoids problems with heat transfer degradation due to scale formation in heat exchangers. In addition, heat transfer problems are minimized since there are no thermal surfaces. In addition, the present invention minimizes the need for traditional coolers on warm hydrolyzed substrates prior to a fermentation process, such as anaerobic digestion, to produce methane.
Важным аспектом настоящего изобретения является рекуперация тепла при температурах, которые ниже по сравнению с условиями, в которых работают существующие установки ПТГ. Крайне важно, чтобы весь пар, возвращаемый в сосуды предварительного нагрева, конденсировался в субстрат, который должен быть предварительно нагрет. Это становится особенно сложным в первом пульпере, работающем при самой низкой температуре, поскольку вязкость увеличивается с понижением температуры. Однако так называемого туннелирования пара, которое характеризуется тем, что пар проходит от точки впрыска через поверхность жидкости, можно избежать, обеспечив эффективное перемешивание субстрата в сосуде предварительного нагрева. Плотность пара уменьшается с уменьшением давления. В результате объем пара, подаваемого в первый сосуд предварительного нагрева, в большинстве сценариев будет большим. Этот эффект можно разрабатывать и использовать для перемешивания субстрата в сосуде предварительного нагрева путем впрыска пара в тщательно спроектированные точки впрыска. Это позволяет обрабатывать высоковязкие субстраты с высоким содержанием твердых веществ, например, выше 10%, несмотря на более низкие температуры по сравнению с существующими процессами термического гидролиза. Эффективное перемешивание важно не только для обеспечения конденсации всего пара, возвращаемого в сосуды предварительного нагрева, но и для гомогенизации субстрата перед дальнейшей обработкой. Таким образом, гомогенизация субстрата перед обработкой в реакторах также обеспечивает более полный гидролиз. Конденсация паров Н2О в холодном субстрате может вызвать сильные вибрации из-за взрывов. Сила взрывов зависит от давления и температуры в паровой фазе, а также размера пузырьков пара и температуры субстрата. Большая разница температур и перепад давления вызывают самые сильные вибрации. Обычным способом снижения разности температур и давлений между паром и жидкостью было бы снижение давления в парах с помощью механизма снижения давления, такого как редукционный клапан, регулирующий клапан или любой другой тип ограничения, который вызывает падение давления в линии подачи пара. Пары, которые были сброшены в испарительном резервуаре (резервуарах), не будут паром чистой воды и содержат компоненты, которые, как известно, вызывают образование накипи и закупорки при таких ограничениях. Вместо этого в способе или установке в соответстAn important aspect of the present invention is heat recovery at temperatures that are lower than the conditions under which existing steam generator installations operate. It is essential that all steam returned to the preheat vessels condenses into the substrate, which must be preheated. This becomes especially difficult in the first pulper, operating at the lowest temperature, since viscosity increases with decreasing temperature. However, so-called steam tunneling, which is characterized by steam passing from the injection point through the surface of the liquid, can be avoided by ensuring that the substrate is effectively mixed in the preheating vessel. Vapor density decreases with decreasing pressure. As a result, the volume of steam supplied to the first preheat vessel will be large in most scenarios. This effect can be engineered and used to agitate the substrate in a preheat vessel by injecting steam at carefully designed injection points. This makes it possible to process highly viscous substrates with high solids content, for example above 10%, despite lower temperatures compared to existing thermal hydrolysis processes. Effective mixing is important not only to ensure condensation of all steam returned to the preheat vessels, but also to homogenize the substrate before further processing. Thus, homogenization of the substrate before processing in reactors also ensures more complete hydrolysis. Condensation of H2O vapor in a cold substrate can cause strong vibrations due to explosions. The strength of the explosions depends on the pressure and temperature in the vapor phase, as well as the size of the vapor bubbles and the temperature of the substrate. Large temperature differences and pressure differences cause the strongest vibrations. A common way to reduce the temperature and pressure difference between steam and liquid would be to reduce the pressure in the vapor using a pressure reducing mechanism such as a pressure reducing valve, control valve, or any other type of restriction that causes a pressure drop in the steam line. Vapors that have been discharged in the evaporation tank(s) will not be pure water vapor and contain components known to cause scaling and plugging under such restrictions. Instead, in the method or installation according to
- 9 044578 вии с настоящим изобретением используется вакуумный компрессор для снижения давления и создания вакуума после удаления паров Н2О и загрязняющих веществ путем конденсации и впрыска через пульпер в непосредственном контакте с холодным субстратом с pH в диапазоне 3,5-8,5. Способ или установка согласно настоящему изобретению, таким образом, снижает давление пара без снижения давления в системе механизмов, происходящих в паровой фазе и до такой степени, что пульпер (пульперы) может работать при сравнительно низких температурах, как правило, 40-85°С, более типично 50-70°С, и даже, как правило, в диапазоне 58-68°С, с минимумом вибраций и обеспечивая большую степень рекуперации тепла. Одним примером конкретного полезного варианта реализации способа или установки согласно настоящему изобретению может быть обработка щелочного субстрата с pH в диапазоне 7,0-8,5. Другим примером конкретного полезного варианта осуществления способа или установки согласно настоящему изобретению будет обработка субстрата с pH в диапазоне 3,5-7,0.- 9 044578 The present invention uses a vacuum compressor to reduce pressure and create a vacuum after removing H2O vapors and contaminants by condensation and injection through a pulper in direct contact with a cold substrate with a pH in the range of 3.5-8.5. The method or installation according to the present invention thus reduces the steam pressure without reducing the pressure in the system of mechanisms occurring in the vapor phase and to such an extent that the pulper(s) can operate at relatively low temperatures, typically 40-85°C, more typically 50-70°C, and even typically in the range of 58-68°C, with a minimum of vibrations and providing a greater degree of heat recovery. One example of a particular useful embodiment of a method or installation according to the present invention may be the treatment of an alkaline substrate with a pH in the range of 7.0-8.5. Another example of a particular useful embodiment of the method or installation according to the present invention would be the treatment of a substrate with a pH in the range of 3.5-7.0.
Для большинства соответствующих субстратов вязкость увеличивается с увеличением концентрации твердых веществ, в то время как вязкость уменьшается с повышением температуры. Вязкость необработанных субстратов, таких как шлам, обычно значительно снижается при нагревании от температуры окружающей среды примерно до 60-65°С. Нагрев до еще более высоких температур приведет к дальнейшему снижению вязкости. Настоящее изобретение позволяет работать при высокой концентрации твердых веществ. Как известно специалистам, высокие концентрации твердых веществ сами по себе будут способствовать снижению расхода пара на величину примерно 10-30% в зависимости от характеристик субстрата. Кроме того, способ или установка в соответствии с настоящим изобретением с двумя пульперами и двумя испарительными резервуарами снижает общий расход пара по сравнению с ПТГ предшествующего уровня техники на 25-40% в зависимости от температуры при подаче в ПТГ.For most suitable substrates, viscosity increases with increasing solids concentration, while viscosity decreases with increasing temperature. The viscosity of untreated substrates, such as sludge, typically decreases significantly when heated from ambient temperature to approximately 60-65°C. Heating to even higher temperatures will further reduce the viscosity. The present invention allows operation at high solids concentrations. As those skilled in the art know, high solids concentrations alone will reduce steam consumption by approximately 10-30% depending on substrate characteristics. In addition, the method or installation in accordance with the present invention with two pulpers and two evaporation tanks reduces the total steam consumption compared to prior art STG by 25-40% depending on the temperature at the supply to the STG.
Еще один предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения заключается в том, чтобы пульпер (пульперы) включал систему ввода пара, которая обеспечивает высокоинтенсивное перемешивание за счет использования объемных паров в условиях вакуума. Это дает дополнительное преимущество настоящего изобретения, поскольку во второй пульпер (пульперы) будет поступать предварительно нагретое сырье при температуре примерно 50-80°С, а точнее 60-70°С, это снизит требования к перемешиванию и приведет к уменьшению расчетного объема по сравнению с пульперами в обычных системах ПТГ. Кроме того, уменьшилась бы необходимость в механическом перемешивании как таковом. Независимо от того, какие средства смешивания используются в определенном варианте реализации, улучшенное перемешивание может быть достигнуто за счет оптимизированной ориентации насадок и дополнительной перекачки. В типичном сценарии в первый пульпер обычно поступает сырье при температуре около 15°С, которое нагревается примерно до 65°С. Затем во второй пульпер поступает сырье при температуре около 65°С, которое затем дополнительно нагревается до температуры выше 100°СAnother preferred embodiment of the present invention is for the pulper(s) to include a steam injection system that provides high intensity mixing by using bulk vapor under vacuum conditions. This provides an additional advantage of the present invention in that the second pulper(s) will receive preheated feedstock at a temperature of approximately 50-80°C, more specifically 60-70°C, this will reduce mixing requirements and result in a reduced design volume compared to pulpers in conventional PTG systems. In addition, the need for mechanical mixing as such would be reduced. Regardless of which mixing means are used in a particular embodiment, improved mixing can be achieved through optimized nozzle orientation and additional pumping. In a typical scenario, the first pulper typically receives raw material at a temperature of about 15°C, which is heated to approximately 65°C. Then the second pulper receives raw materials at a temperature of about 65°C, which is then further heated to a temperature above 100°C
Еще один особенно предпочтительный вариант реализации способа или установки в соответствии с настоящим изобретением включает использование перепадов давления для перемещения жидких субстратов как в первый пульпер, так и между различными расположенными ниже по потоку сосудами, т. е. так называемое барометрическое перекачивание. В некоторых вариантах реализации барометрическое перекачивание будет использоваться на всех этапах, включающих перенос жидкого субстрата в первый пульпер и между различными расположенными ниже по потоку сосудами. В других вариантах реализации барометрическое перекачивание будет использоваться только на некоторых этапах, включающих перенос жидкого субстрата в первый пульпер и/или между различными расположенными ниже по потоку сосудами. В последнем случае перенос жидкого субстрата, таким образом, также может быть частично осуществлен обычными насосами (центробежными или полостными насосами с прогрессивной скоростью).Another particularly preferred embodiment of the method or installation in accordance with the present invention involves the use of pressure differences to move liquid substrates both into the first pulper and between various downstream vessels, i.e. so-called barometric pumping. In some embodiments, barometric pumping will be used during all steps involving the transfer of liquid substrate into the first pulper and between various downstream vessels. In other embodiments, barometric pumping will be used only during certain steps involving the transfer of liquid substrate into the first pulper and/or between various downstream vessels. In the latter case, the transfer of the liquid substrate can thus also be partially carried out by conventional pumps (centrifugal or cavity pumps with progressive speed).
На фиг. 3 и 4 показаны два таких различных, особенно предпочтительных варианта реализации системы в соответствии с настоящим изобретением, в которых используется барометрическая перекачка.In fig. 3 and 4 show two such different, particularly preferred embodiments of the system in accordance with the present invention, which use barometric pumping.
В контексте способа или установки в соответствии с настоящим изобретением под барометрической откачкой следует понимать первую емкость под давлением, используемую для перекачки субстрата посредством разности давлений. Первый сосуд заполняется субстратом, подлежащим перекачке, и затем нагнетается газом под давлением. Это приведет к тому, что субстрат будет вытеснен из первого сосуда через трубопровод в нижней части сосуда, если трубопровод соединен со вторым сосудом, имеющим давление ниже давления первого сосуда. В способе или установке согласно настоящему изобретению такая конструкция обеспечит определенные преимущества по сравнению с механической перекачкой.In the context of the method or installation according to the present invention, barometric pumping is understood to mean a first pressurized container used for pumping a substrate by means of a pressure difference. The first vessel is filled with the substrate to be pumped and then pressurized with gas. This will cause the substrate to be forced out of the first vessel through a conduit at the bottom of the vessel if the conduit is connected to a second vessel having a pressure lower than the pressure of the first vessel. In the method or apparatus of the present invention, such a design will provide certain advantages over mechanical pumping.
Общие преимущества барометрической перекачки заключаются в следующем:The general benefits of barometric pumping are as follows:
a) нет необходимости в механической энергии;a) there is no need for mechanical energy;
b) никакие подвижные детали не соприкасаются с субстратом, что приводит к меньшему износу и снижению риска утечки через уплотнения и т.д.;b) no moving parts come into contact with the substrate, resulting in less wear and reduced risk of leakage through seals, etc.;
c) можно легко достичь относительно высокого давления (выше 5 бар абс.), что обеспечивает более высокие скорости потока.c) Relatively high pressures (above 5 bar abs.) can be easily achieved, allowing higher flow rates.
Дополнительные преимущества барометрического перекачивания независимо от конфигурации ПТГ будут включать в себя:Additional benefits of barometric pumping regardless of PTH configuration will include:
a) в периодическом ПТГ субстрат прерывисто перемещается между сосудами под давлением. По-a) In periodic PTG, the substrate moves intermittently between vessels under pressure. By-
- 10 044578 этому нет никакого недостатка в том, что барометрическое перекачивание обычно не может обеспечить постоянный поток;- 10 044578 There is no disadvantage to this in that barometric pumping usually cannot provide a constant flow;
b) объем сосуда под давлением, используемого для барометрического перекачивания, может быть равен желаемому объему заполнения реактора, и, таким образом, в реактор дозируется известный объем. Это заменяет контрольно-измерительные приборы ПТГ для обеспечения правильного объема заполнения реактора;b) The volume of the pressure vessel used for barometric pumping can be equal to the desired reactor fill volume, and thus a known volume is dosed into the reactor. This replaces PTG instrumentation to ensure correct reactor fill volume;
c) пар, используемый для нагнетания давления в сосуде под давлением, используемом для барометрической откачки, заменяет пар в расположенном ниже по потоку реакторе (реакторах). Следствием этого является то, что барометрическая откачка перед расположенным ниже по потоку реактором (реакторами) не влияет на общее потребление пара в процессе ПТГ;c) The steam used to pressurize the pressure vessel used for barometric pumping replaces the steam in the downstream reactor(s). The consequence of this is that barometric pumping upstream of the downstream reactor(s) does not affect the overall steam consumption of the STG process;
d) это выгодно при большом объеме пульпера для выравнивания колебаний температуры. Объем сосуда под давлением, используемого для барометрического перекачивания, можно рассматривать как часть объема пульпера. Преимуществом более крупных пульперов является более стабильная температура и увеличенное время пребывания в пульпере. Вязкость субстратов, таких как осадок, снижается с увеличением времени пребывания в импульсах;d) this is beneficial for large pulp volumes to even out temperature fluctuations. The volume of the pressure vessel used for barometric pumping can be considered as part of the volume of the pulper. The advantage of larger pulpers is more stable temperature and increased residence time in the pulper. The viscosity of substrates such as sludge decreases with increasing pulse residence time;
e) производительность установок ПТГ увеличивается, поскольку реактор может быть заполнен быстрее, чем это возможно с помощью механических насосов, используемых в существующих процессах ПТГ;e) the productivity of STG plants is increased because the reactor can be filled faster than is possible with mechanical pumps used in existing STG processes;
f) более высокие скорости потока, которые могут быть достигнуты при барометрическом перекачивании, что позволяет лучше перемешивать содержимое пульперов. С помощью барометрического монтежю можно достичь мощного пульсирующего перемешивания, которое обеспечивает эффективное смешивание и выравнивание температуры в пульпере;f) higher flow rates that can be achieved with barometric pumping, which allows better mixing of the contents of the pulpers. With the help of barometric monteju it is possible to achieve powerful pulsating mixing, which ensures effective mixing and equalization of temperature in the pulper;
g) процессы ПТГ выполняются с жидкостями, температура которых близка к температуре кипения. Таким образом, образование пустот на стороне всасывания насосов представляет собой сложную проблему. Барометрическое перекачивание не имеет аналогичных проблем с образованием пустот, свойственных механическим насосам;g) PTG processes are performed with liquids whose temperature is close to the boiling point. Thus, the formation of voids on the suction side of pumps is a complex problem. Barometric pumping does not have the same voiding problems associated with mechanical pumps;
h) при кратковременном подключении сосуда под давлением, используемого для барометрического перекачивания, к вакуумной системе, сосуд под давлением заполнится быстрее.h) When a pressure vessel used for barometric pumping is briefly connected to a vacuum system, the pressure vessel will fill more quickly.
Преимущества барометрического перекачивания специально для процессов ПТГ с двумя пульперами и двумя испарительными резервуарами включают в себя:The benefits of barometric pumping specifically for dual-pulp, dual-evaporation tank PTG processes include:
a) сложно найти прокладки вокруг осей вращения для насосов, работающих попеременно как при более низком, так и при более высоком давлении окружающей среды в центре точки кипения. Для работы с барометрическим насосом требования к качеству уплотнений менее строгие, поэтому сложные условия эксплуатации не влияют на общую стоимость системы в такой степени, как в случае с механическим насосом;a) It is difficult to find gaskets around the rotation axes for pumps operating alternately at both lower and higher ambient pressures at the center of the boiling point. For operation with a barometric pump, the seal quality requirements are less stringent, so difficult operating conditions do not affect the overall cost of the system to the same extent as in the case of a mechanical pump;
b) при использовании двух пульперов температура в первом пульпере низкая. При низкой температуре (первый пульпер) вязкость выше, и решение, включающее барометрическое перекачивание, лучше подходит для перекачивания высоковязких субстратов, таких как шлам;b) when using two pulpers, the temperature in the first pulper is low. At low temperature (first pulper) the viscosity is higher and a barometric pumping solution is better suited for pumping highly viscous substrates such as sludge;
c) в системе с двумя пульперами температура выше, чем в обычной системе. Сложно подобрать эластомеры (используемые в объемных насосах), которые выдерживают высокие температуры во втором пульпере (от 110 до 130°С). С барометрическим перекачиванием это не представляет проблему. Это дало бы дополнительные преимущества в виде снижения потребности в реакторных насосах для подачи.c) in a system with two pulpers the temperature is higher than in a conventional system. It is difficult to find elastomers (used in positive displacement pumps) that can withstand the high temperatures in the second pulper (110 to 130°C). With barometric pumping this is not a problem. This would have the added benefit of reducing the need for reactor feed pumps.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает способ непрерывного или периодического гидролиза материала путем использования постадийного предварительного нагрева и охлаждения с использованием впрыска мгновенно образующегося пара и упрощения мгновенного образования пара, соответственно. Кроме того, по меньшей мере один сосуд для предварительного нагрева и по меньшей мере один сосуд для снижения температуры поддерживаются ниже давления окружающей среды посредством соединительных трубопроводов. Это позволяет передавать горячий пар при температурах ниже 100°С для предварительного нагрева поступающего материала в резервуар для предварительного нагрева. В особо предпочтительном варианте осуществления способа или установки согласно настоящему изобретению перенос жидкого субстрата достигается барометрическим перекачиванием.Thus, the present invention provides a method for continuously or batch hydrolyzing a material by using staged preheating and cooling using flash steam injection and facilitating flash steam generation, respectively. In addition, at least one preheating vessel and at least one temperature reduction vessel are maintained below ambient pressure by means of connecting piping. This allows hot steam to be transferred at temperatures below 100°C to preheat the incoming material into the preheating tank. In a particularly preferred embodiment of the method or installation according to the present invention, the transfer of the liquid substrate is achieved by barometric pumping.
Вкратце, способ согласно настоящему изобретению может быть охарактеризован следующим образом:Briefly, the method according to the present invention can be characterized as follows:
a) жидкий субстрат переносят и предварительно нагревают путем впрыска мгновенно образующегося пара в пульпер, поддерживаемый ниже давления окружающей среды с помощью вакуумной системы;a) the liquid substrate is transferred and preheated by injecting flash steam into a pulper maintained below ambient pressure by a vacuum system;
b) вакуумная система состоит из вакуумного компрессора любого типа или вакуумного насоса, работающего на парах, которые не конденсируются при прохождении через жидкости в пульперах предварительного нагрева, и охладителя пара, предназначенного для удаления паров ниже температуры пульпера;b) the vacuum system consists of any type of vacuum compressor or vacuum pump operating on vapors that do not condense when passing through the liquids in the preheat pulpers, and a vapor cooler designed to remove vapors below the temperature of the pulper;
c) вакуумная система также сжимает неконденсирующиеся пары и подключена к устройству, которое впрыскивает неконденсирующиеся газы в расположенные ниже по потоку установки для анаэробно-c) The vacuum system also compresses non-condensable vapors and is connected to a device that injects non-condensable gases into downstream anaerobic digestion units.
- 11 044578 го сбраживания или другой биологической обработки;- 11 044578 fermentation or other biological treatment;
d) перенос субстрата во второй предварительно разогретый пульпер, в котором поддерживается давление выше давления окружающей среды;d) transferring the substrate to a second preheated pulper, which is maintained at a pressure above ambient pressure;
e) один или более реакторов, в которых субстрат обрабатывается при температурах в диапазоне отe) one or more reactors in which the substrate is processed at temperatures ranging from
140 до 220°С.140 to 220°C.
На установках, работающих в периодическом режиме, реакторы могут периодически помещаться под вакуум с помощью линии, соединяющей реакторы с пульпером предварительного нагрева, который поддерживается ниже давления окружающей среды. Второй пульпер с предварительным нагревом работает при более высоком давлении, чем давление окружающей среды. Более высокое давление обеспечивает повышенную температуру внутри пульпера, что приводит к снижению вязкости. Полученная разница давлений при приемлемой вязкости может быть использована для переноса жидкого материала в реакторы без использования насосов. Однако может быть целесообразно использовать насосы для устранения потерь на трение в трубопроводах в случае, если вязкость субстрата слишком высока. Вместо механических насосов предпочтительно использовать барометрическое перекачивание для циркуляции в пульпере и переноса субстрата в реактор;In batch plants, the reactors may be periodically placed under vacuum by a line connecting the reactors to a preheat slurry, which is maintained below ambient pressure. The second preheated pulper operates at a higher pressure than ambient pressure. Higher pressure provides higher temperature inside the pulper, which leads to lower viscosity. The resulting pressure difference at an acceptable viscosity can be used to transfer liquid material into reactors without the use of pumps. However, it may be advisable to use pumps to eliminate friction losses in pipelines if the viscosity of the substrate is too high. Instead of mechanical pumps, it is preferable to use barometric pumping to circulate the pulper and transfer the substrate to the reactor;
f) после обработки в реакторе субстрат переносят в первый из двух испарительных резервуаров для понижения давления. Мгновенно образующийся пар, возникающий в результате снижения давления, перемещают во второй из двух пульперов с предварительным нагревом, который поддерживается при атмосферном или более высоком давлении;f) After processing in the reactor, the substrate is transferred to the first of two evaporation tanks to reduce the pressure. The flash steam resulting from the reduction in pressure is transferred to the second of two preheated pulpers, which are maintained at atmospheric or higher pressure;
g) субстрат из первого испарительного резервуара для понижения давления переносится во второй испарительный резервуар для понижения давления, который поддерживается при давлении ниже атмосферного. Мгновенно образующийся пар, возникающий в результате снижения давления во втором испарительном резервуаре, подается в первый пульпер с предварительным нагревом, который поддерживается при давлении ниже атмосферного, с помощью оборудования для создания вакуума.g) the substrate from the first pressure reduction flash tank is transferred to the second pressure reduction flash tank, which is maintained at sub-atmospheric pressure. The flash steam resulting from the depressurization of the second flash tank is introduced into the first preheated pulper, which is maintained at subatmospheric pressure by vacuum equipment.
Традиционное оборудование может быть использовано для создания вакуума на неконденсирующихся газах и парах, чтобы облегчить передачу мгновенно образующегося пара при давлении ниже атмосферного в устройство предварительного нагрева в процессе термического гидролиза.Conventional equipment can be used to apply a vacuum to non-condensable gases and vapors to facilitate the transfer of flash steam at sub-atmospheric pressure to the preheater during the thermal hydrolysis process.
Вакуумная система на пульпере предварительного нагрева низкого давления может быть подключена к устройству, которое впрыскивает неконденсирующиеся газы в установку для анаэробного сбраживания или других видов обработки технологических газов.A low pressure preheat pulper vacuum system can be connected to a device that injects non-condensable gases into an anaerobic digestion or other process gas treatment unit.
В другом предпочтительном варианте реализации способа или установки согласно настоящему изобретению объемные пузырьки пара низкого давления находятся при давлении ниже атмосферного и уменьшаются в размере в диапазоне 1-50 мм, предпочтительно менее 25 мм, более предпочтительно менее 10 мм, чтобы минимизировать вибрации и максимизировать рекуперацию тепла и перемешивание.In another preferred embodiment of the method or installation according to the present invention, the low pressure volumetric vapor bubbles are at sub-atmospheric pressure and are reduced in size in the range of 1-50 mm, preferably less than 25 mm, more preferably less than 10 mm, to minimize vibrations and maximize heat recovery and stirring.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа или установки в соответствии с настоящим изобретением оба пульпера предварительного нагрева могут быть оснащены насосами или мешалками для дальнейшего перемешивания в случае чрезвычайно высокой вязкости.In another preferred embodiment of the method or installation according to the present invention, both preheating pulpers can be equipped with pumps or agitators for further mixing in case of extremely high viscosity.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа или установки в соответствии с настоящим изобретением оба нагревательных пульпера оснащены выпускным отверстием для субстрата на уровне над точкой впрыска рециркулированного мгновенно образующегося горячего пара из первого или второго испарительного резервуара для понижения давления.In yet another preferred embodiment of the method or installation according to the present invention, both heating pulpers are provided with a substrate outlet at a level above the injection point of the recirculated flash hot steam from the first or second flash tank to reduce the pressure.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа или установки в соответствии с настоящим изобретением подача сырья в пульпер с предварительным нагревом осуществляется либо в нижнюю часть пульпера с предварительным нагревом, либо выше уровня жидкости в пульпере с предварительным нагревом в сочетании с системой уменьшения размера и распределения субстрата, которая увеличивает удельную площадь поверхности холодного субстрата, либо ниже уровня жидкости в пульпере предварительного нагрева в сочетании с системой уменьшения размера и распределения субстрата, которая увеличивает удельную площадь поверхности холодного субстрата.In yet another preferred embodiment of the method or installation in accordance with the present invention, the feed into the preheated pulper is carried out either at the bottom of the preheated pulper or above the liquid level in the preheated pulper in combination with a substrate size reduction and distribution system, which increases the specific surface area of the cold substrate, or below the liquid level in the preheating pulper in combination with a substrate size reduction and distribution system that increases the specific surface area of the cold substrate.
В еще одном предпочтительном варианте реализации способа или установки в соответствии с настоящим изобретением содержание инертных газов внутри пульперов контролируется с помощью системы управления путем мониторинга температуры, давления и открытия клапанов при расчете ложного давления, что означает отклонение от линии насыщения паром.In another preferred embodiment of the method or installation in accordance with the present invention, the content of inert gases inside the pulpers is controlled by a control system by monitoring temperature, pressure and opening of valves while calculating a false pressure, which means deviation from the steam saturation line.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления способа или установки в соответствии с настоящим изобретением используется блок термического перемешивания и переноса для переноса субстрата между двумя пульперами, пульпером а и пульпером е, а также может использоваться для переноса из пульпера e в расположенный ниже по потоку реактор (реакторы).In yet another preferred embodiment of the method or apparatus according to the present invention, a thermal mixing and transfer unit is used to transfer the substrate between two pulpers, pulper a and pulper e, and may also be used to transfer from pulper e to the downstream reactor(s). ).
В особо предпочтительном варианте реализации способа или установки в соответствии с настоящим изобретением такой блок термического перемешивания и переноса может включать в себя:In a particularly preferred embodiment of the method or installation in accordance with the present invention, such a thermal mixing and transfer unit may include:
A) сосуд, имеющий объем наполнения, используемый для переноса субстрата в реактор и его заполнения;A) a vessel having a filling volume used to transfer the substrate into the reactor and fill it;
B) пар, добавляемый в верхнюю часть сосуда для повышения давления;B) steam added to the top of the vessel to increase pressure;
C) клапаны для перекрытия подачи из пульпера;C) valves to shut off the supply from the pulper;
- 12 044578- 12 044578
D) клапаны для распределения выгружаемого материала в следующий сосуд;D) valves for distributing the discharged material to the next vessel;
E) клапаны для распределения выгружаемого материала по нижней части пульпера для перемешивания в пульпере;E) valves for distributing the discharged material along the bottom of the pulper for mixing in the pulper;
F) средство для переноса теплого субстрата с высокого уровня пульпера выше уровня заполнения 50% и более предпочтительно выше уровня заполнения 60% и еще более предпочтительно выше уровня заполнения 70% на более холодный субстрат в нижней части пульпера для перемешивания субстрата без использования насосов.F) means for transferring the warm substrate from a high level of the pulper above the 50% fill level and more preferably above the 60% fill level and even more preferably above the 70% fill level to the cooler substrate at the bottom of the pulper to mix the substrate without the use of pumps.
Реакторы способа или установки в соответствии с настоящим изобретением могут быть расположены последовательно или параллельно.The reactors of the method or installation in accordance with the present invention can be arranged in series or in parallel.
В особо предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения вакуум создается на неконденсирующихся газах после того, как все конденсирующиеся газы сначала конденсируются в высокотемпературном пульпере для предварительного нагрева субстрата, затем в низкотемпературном пульпере для предварительного нагрева субстрата с более низкой температурой и (опционально) в парогазовом охладителе, для минимизирования объема для создания вакуума и сжатия неконденсирующихся газов.In a particularly preferred embodiment of the present invention, a vacuum is created on the non-condensable gases after all condensable gases are first condensed in a high temperature pulper to preheat the substrate, then in a low temperature pulper to preheat the lower temperature substrate, and (optionally) in a vapor-gas cooler to minimizing volume to create a vacuum and compress non-condensable gases.
Пример 1.Example 1.
Установка в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения содержит, по меньшей мере, два вакуумных сосуда, один ранее по ходу тока в ПТГ (пульпер 1 (а)) и один расположен ниже по потоку в ПТГ (испарительный резервуар 2 (b)). Два сосуда соединены трубой с верхней части испарительного резервуара 2 (b) через трубки, распределенные в пульпере 1 (а). Вакуумный компрессор (с), например компрессор с гидравлическим поршнем, подключенный к незаполненному пространству пульпера 1 (а), создаст вакуум в незаполненном пространстве пульпера. Работа, производимая вакуумным компрессором, будет выполняться с газами, которые не конденсируются в пульпере 1 (а) и последующем охладителе конденсатора (d). Мгновенно образующийся пар из испарительного резервуара 2 (b) будет проходить через пульпер 1 (а) и конденсироваться по мере его поступления в жидкую фазу в пульпере 1 (а) через трубки для мгновенно образующегося пара. Парциальное давление пара в пульпере 1 составит около 0,2 бар абс., что означает температуру кипения около 60°С, в то время как общее давление может быть несколько выше из-за присутствия других неконденсирующихся газов. Некоторое количество пара последует за неконденсируемыми газами и покинет пульпер 1 (а) и будет конденсироваться в небольшом охладителе конденсатора перед вакуумным компрессором (с). Это сводит к минимуму необходимую работу вакуумного компрессора (с), поскольку он должен работать только с неконденсируемыми газами.An apparatus in accordance with a preferred embodiment of the present invention comprises at least two vacuum vessels, one upstream in the PTG (pulp 1 (a)) and one located downstream in the PTG (evaporator tank 2 (b)). The two vessels are connected by a pipe from the top of the evaporation tank 2 (b) through tubes distributed in the pulper 1 (a). A vacuum compressor (c), such as a hydraulic piston compressor, connected to the void space of the pulper 1 (a) will create a vacuum in the void space of the pulper. The work done by the vacuum compressor will be done on gases that do not condense in the pulper 1 (a) and the subsequent condenser cooler (d). Flash vapor from flash tank 2 (b) will pass through pulper 1 (a) and condense as it enters the liquid phase in pulper 1 (a) through flash tubes. The partial pressure of steam in pulper 1 will be about 0.2 bar abs., which means a boiling point of about 60°C, while the total pressure may be slightly higher due to the presence of other non-condensable gases. Some steam will follow the non-condensable gases out of pulper 1 (a) and will condense in a small condenser cooler before the vacuum compressor (c). This minimizes the required work of the vacuum compressor (c), since it only needs to handle non-condensable gases.
Два сосуда (пульпер 1 и испарительный резервуар 2) могут быть построены друг над другом для достижения компактного и экономичного решения, хотя это и не является абсолютно необходимым. Кроме того, благодаря расположению друг над другом, обеспечиваются важные преимущества процесса, такие как:Two vessels (pulper 1 and evaporation tank 2) can be built on top of each other to achieve a compact and economical solution, although this is not absolutely necessary. In addition, due to the stacking, important process advantages are provided, such as:
приподнятый испарительный резервуар 2 обеспечивает повышенное давление на входе в питающие насосы реактора для гидролиза (о), расположенные на уровне пола;the raised evaporation tank 2 provides increased pressure at the inlet to the hydrolysis reactor feed pumps (o), located at floor level;
в альтернативном варианте, приподнятый пульпер 1 обеспечивает повышенное давление на входе в насосную систему, предназначенную для переноса субстрата из пульпера 1 в пульпер 2;alternatively, the raised pulper 1 provides increased pressure at the inlet of the pumping system designed to transfer the substrate from the pulper 1 to the pulper 2;
короткие расстояния и меньший перепад давления в соединительных трубопроводах.short distances and lower pressure drop in connecting pipelines.
На фиг. 1 и 2 показаны два различных технических решения с различной степенью интеграции с процессом термического гидролиза. Фиг. 2 позволяет использовать вакуум для перемещения субстрата между сосудами и, таким образом, исключить насосы. В случае исключения насосов потребуется тщательный контроль перепада давления. Кроме того, паровые трубки должны быть оптимизированы для создания пульперов с мощным перемешиванием. Это относится как к пульперу 1 (а), так и к пульперу 2 (е). Подающие насосы (n) реактора также можно исключить. Заполнение реакторов также можно исключить, если незаполненное пространство реактора соединить с вакуумным компрессором (с) через клапан (t), чтобы минимизировать давление в реакторах во время наполнения субстратом.In fig. 1 and 2 show two different technical solutions with different degrees of integration with the thermal hydrolysis process. Fig. 2 allows the use of vacuum to move the substrate between vessels and thus eliminate pumps. If pumps are excluded, careful monitoring of pressure drop will be required. In addition, steam tubes must be optimized to create high-mixing pulpers. This applies to both pulper 1 (a) and pulper 2 (e). The reactor feed pumps (n) can also be eliminated. Filling of the reactors can also be avoided by connecting the reactor void space to a vacuum compressor (c) via a valve (t) to minimize the pressure in the reactors during substrate filling.
На реологию подложки влияет температура субстрата. В основном вязкость уменьшается с повышением температуры. Следствием работы установки в соответствии с настоящим изобретением является то, что высокотемпературный материал подается в пульпер 2 (е). Результатом повышения температуры подачи в пульпере 2 будет повышение температуры внутри пульпера 2 (е) во время работы. При более высокой температуре жидкость будет легче перемещаться между сосудами, и может сократиться время подачи в реактор (g). Поскольку время подачи в реактор составляет значительную часть общего времени цикла ПТГ, общая производительность ПТГ будет эквивалентно увеличиваться. Еще одним преимуществом работы при повышенных температурах является более легкое перемешивание в пульпере 2 (е).The rheology of the substrate is affected by the temperature of the substrate. In general, viscosity decreases with increasing temperature. A consequence of the operation of the installation in accordance with the present invention is that high-temperature material is supplied to the pulper 2 (e). The result of increasing the feed temperature in pulper 2 will be an increase in the temperature inside pulper 2 (e) during operation. At a higher temperature, the liquid will move more easily between vessels and the feed time into the reactor (g) may be reduced. Since the feed time to the reactor is a significant part of the total cycle time of the PTG, the overall productivity of the PTG will increase equivalently. Another advantage of operating at elevated temperatures is easier mixing in pulper 2 (e).
Пульпер 2 (е) представляет собой емкость непрерывной подачи с прерывистой выгрузкой при подаче в реакторы (g). Прерывистая выгрузка делает необходимым учитывать некоторое изменение уровня в пульпере 2 (е) во время цикла.Pulper 2 (e) is a continuous feed tank with intermittent unloading when fed into reactors (g). Intermittent discharge makes it necessary to take into account some level changes in pulper 2 (e) during the cycle.
Испарительный резервуар 1 (j) будет работать при несколько более высоком давлении, чем пульпер 2 (е). Разница давлений в основном будет определяться высотой трубок для выпариванияFlash tank 1 (j) will operate at a slightly higher pressure than pulper 2 (e). The pressure difference will mainly be determined by the height of the evaporation tubes
- 13 044578 пара (q) в пульпере 2 (е) и перепадом давления в линии мгновенного образования пара (ас) и трубках для мгновенного образования пара (q).- 13 044578 steam (q) in pulper 2 (e) and the pressure drop in the flash steam line (ac) and tubes for flash steam (q).
Испарительный резервуар 2 (b) будет работать при несколько более высоком давлении, чем пульпер 1 (а). Разница давлений в основном будет определяться высотой трубок (s) для мгновенного образования пара в пульпере 1 (а) и спадом давления в линии мгновенного образования пара (ab) и трубках (s) для выпаривания пара.Flash tank 2 (b) will operate at a slightly higher pressure than pulper 1 (a). The pressure difference will mainly be determined by the height of the flash tubes (s) in pulper 1 (a) and the pressure drop in the flash line (ab) and the flash tubes (s).
Пример 2.Example 2.
В настоящем примере дополнительный пульпер и испарительный резервуар, требуемые в способе или установке в соответствии с настоящим изобретением, будут называться пульпером (а) и испарительным резервуаром (b) соответственно. Установка ПТГ с изобретением также будет включать пульпер (e) и испарительный резервуар (j), которые аналогичны сосудам на существующих установках ПТГ. Основные технологические потоки показаны ниже.In the present example, the additional pulper and flash tank required in the method or installation according to the present invention will be referred to as pulper (a) and flash tank (b), respectively. The PTG installation of the invention will also include a pulper (e) and an evaporation tank (j), which are similar to the vessels in existing PTG installations. The main process flows are shown below.
На фиг. 1 и 2 показаны два различных варианта реализации системы в соответствии с настоящим изобретением.In fig. 1 and 2 show two different embodiments of a system in accordance with the present invention.
Пульпер (а).Pulper (a).
Все линии для вентиляции неконденсирующихся газов из пульпера e будут проходить ниже уровня жидкости в пульпере (а). Пульпер (а) будет оснащен вакуумным насосом и будет иметь самое низкое давление в системе. Температура и давление в незаполненном пространстве пульпера (а) будут измерены для расчета парциального давления пара и других газов. Цель состоит в том, чтобы контролировать общее давление в пульпере (а), чтобы предотвратить кипение субстрата при сохранении концентрации неконденсирующихся газов на низком уровне. Будет иметься линия от незаполненного пространства испарительного резервуара (b) до уровня ниже уровня жидкости в пульпере (а). Это делается для передачи мгновенно образующегося пара для предварительного нагрева субстрата в пульпере (а). Во время нормальной работы и при температуре подачи пульпера ниже примерно 50°С как пульпер (а), так и испарительный резервуар (b) находятся под давлением ниже атмосферного. Предварительно нагретый субстрат будет перенесен из пульпера (а) в пульпер (е). Для материалов с низкой вязкостью могут использоваться насосы. Однако риск кавитации значителен, а высота подъема насосов критична. Проблема становится существенной для субстратов с высокой вязкостью. Изобретение включает в себя блок теплопередачи и перемешивания, который заменит насосы. Однако любые средства для переноса субстрата из пульпера (а) в пульпер (e) могут быть использованы без какого-либо негативного влияния на весь процесс.All lines for venting non-condensable gases from pulper e will be below the liquid level in pulper (a). The pulper(s) will be equipped with a vacuum pump and will have the lowest pressure in the system. The temperature and pressure in the void space of the pulper (a) will be measured to calculate the partial pressure of steam and other gases. The purpose is to control the overall pressure in the pulper (a) to prevent boiling of the substrate while keeping the concentration of non-condensable gases low. There will be a line from the flash tank void (b) to below the liquid level in the pulper (a). This is done to transfer the instantly generated steam to preheat the substrate in the pulper (a). During normal operation and when the pulper supply temperature is below about 50°C, both the pulper (a) and the flash tank (b) are at subatmospheric pressure. The preheated substrate will be transferred from pulper (a) to pulper (e). For low viscosity materials, pumps can be used. However, the risk of cavitation is significant, and the lifting height of the pumps is critical. The problem becomes significant for substrates with high viscosity. The invention includes a heat transfer and mixing unit that will replace pumps. However, any means for transferring the substrate from pulper (a) to pulper (e) can be used without any negative impact on the entire process.
Блок теплопередачи и перемешивания будет представлять собой емкость, в которую поступает горячий субстрат из пульпера (а). Поскольку холодный субстрат имеет более высокую удельную плотность, чем теплый субстрат, самый теплый субстрат будет находиться в верхней части пульперов. По этой причине выход из пульпера (а) в блок теплопередачи и перемешивания находится на высоком уровне в пульпере чуть ниже максимального уровня жидкости. Теплый субстрат перетекает в блок теплопередачи и перемешивания. Как только блок перемешивания будет заполнен, емкость можно закрыть и добавить пар сверху для повышения давления. После создания давления теплый субстрат можно перенести в выбранный реактор. Теплый субстрат также может быть возвращен обратно в пульпер (а) для перемешивания.The heat transfer and mixing unit will be a container into which the hot substrate flows from the pulper (a). Since cold substrate has a higher specific gravity than warm substrate, the warmest substrate will be at the top of the pulpers. For this reason, the outlet from the pulper (a) to the heat transfer and mixing unit is at a high level in the pulper just below the maximum liquid level. The warm substrate flows into the heat transfer and mixing unit. Once the stirring block is full, the container can be closed and steam added to the top to increase the pressure. Once pressurized, the warm substrate can be transferred to the selected reactor. The warm substrate can also be returned back to the pulper(s) for mixing.
Блок теплопередачи и перемешивания может иметь второй вход с нижнего уровня пульпера для обеспечения заполнения, даже если пульпер не заполнен, и для обеспечения смешивания на более низком уровне без заполнения блока теплопередачи и смешивания до максимального уровня.The heat transfer and mixing unit may have a second input from a lower level of the pulper to provide filling even if the pulper is not full, and to provide mixing at a lower level without filling the heat transfer and mixing unit to the maximum level.
Блок теплопередачи и перемешивания имеет известный объем, который будет использоваться для регулирования потока при заполнении реакторов путем дозирования в реактор.The heat transfer and mixing unit has a known volume that will be used to control the flow when filling the reactors by dosing into the reactor.
Пульпер (е).Pulper (e).
Все линии для вентиляции неконденсирующихся газов из реакторов будут проходить ниже уровня жидкости в пульпере (е). В пульпер (e) субстрат поступает из пульпера (а), а мгновенно образующийся пар - из испарительного резервуара (j). Субстрат, предварительно нагретый в пульпере (е), будет подаваться в реакторы. Температура и давление в незаполненном пространстве пульпера (e) будут измерены для расчета парциального давления пара и других газов. Установлена линия для вентиляции газов из незаполненного пространства пульпера e до уровня ниже уровня жидкости в пульпере (а). Цель состоит в том, чтобы контролировать общее давление в пульпере (е), чтобы предотвратить кипение при сохранении концентрации других газов на низком уровне. Температура и давление в пульпере (e) будут зависеть от температуры подачи в пульпер (а) и выбранной температуры реактора. Однако во время нормальной работы температура будет значительно выше 100°С, а общее давление будет выше атмосферного.All lines for venting non-condensable gases from the reactors will pass below the liquid level in the pulper (e). In the pulper (e), the substrate comes from the pulper (a), and the instantly formed steam comes from the evaporation tank (j). The substrate, preheated in the pulper (e), will be fed into the reactors. The temperature and pressure in the pulp void (e) will be measured to calculate the partial pressure of steam and other gases. A line is installed to vent gases from the empty space of the pulper e to a level below the liquid level in the pulper (a). The goal is to control the overall pressure in the pulper (e) to prevent boiling while keeping the concentration of other gases low. The temperature and pressure in the pulper (e) will depend on the temperature of the supply to the pulper (a) and the selected reactor temperature. However, during normal operation the temperature will be well above 100°C and the overall pressure will be above atmospheric.
В периодическом процессе общее давление в реакторах может быть снижено до уровня ниже давления окружающей среды до подачи субстрата из пульпера (е). Это делается с помощью вентиляционных линий от незаполненного пространства реакторов до уровня ниже уровня жидкости в пульпере (а). Результирующая разница давлений между пульпером (e) и реакторами может быть использована для переноса жидкого субстрата в реакторы без использования насосов. При необходимости, и время цикла реактора это позволяет, в незаполненное пространство пульпера (e) может нагнетаться пар, чтобы увелиIn a batch process, the total pressure in the reactors can be reduced to below ambient pressure before the substrate is supplied from the pulper (e). This is done by using vent lines from the reactor headspace to a level below the liquid level in the pulper (a). The resulting pressure difference between the pulper (e) and the reactors can be used to transfer liquid substrate to the reactors without the use of pumps. If necessary, and the reactor cycle time allows it, steam can be injected into the empty space of the pulper (e) to increase
- 14 044578 чить разность давлений между пульпером (e) и реактором, принимающим жидкий субстрат для облегчения заполнения реактора. При желании насосы можно использовать для заполнения реактора без негативного влияния на остальную часть процесса. Вместо обычных насосов для циркуляции в пульпере и подачи в реактор можно также использовать барометрическое монтежю, например, с одним барометрическим монтежю, установленным на каждом пульпере. В таком сценарии клапаны будут контролировать, подается ли субстрат в реакторы через монтежю или поступает обратно в пульпер для перемешивания. Во время наполнения барометрического монтежю пространство над барометрическим монтежю может быть подключено к вакуумной системе для увеличения скорости наполнения. В незаполненное пространство в барометрическом монтежю будет нагнетаться пар для выгрузки содержимого в реакторы или для циркуляции обратно в пульпер для перемешивания. Последовательность заполнения барометрического монтежю, перемешивания в пульпере и подачи в реактор (реакторы) будет представлять собой последовательный пошаговый процесс.- 14 044578 read the pressure difference between the pulper (e) and the reactor receiving the liquid substrate to facilitate filling the reactor. If desired, pumps can be used to fill the reactor without negatively affecting the rest of the process. Instead of conventional pumps, a barometric monteju can also be used to circulate the pulper and feed into the reactor, for example with one barometric monteju mounted on each pulper. In such a scenario, valves will control whether the substrate is fed into the reactors through the monteju or fed back into the pulper for mixing. During filling of the barometric monteju, the space above the barometric monteju can be connected to a vacuum system to increase the filling rate. Steam will be injected into the empty space in the barometric plant to discharge the contents into the reactors or to circulate them back to the pulper for mixing. The sequence of filling the barometric monteju, mixing in the pulper and feeding into the reactor(s) will be a sequential step-by-step process.
Во время запуска или в других необычных ситуациях может потребоваться либо предварительно нагреть жидкий субстрат в пульпере (е), либо создать давление в незаполненном пространстве емкости для переноса субстрата в реакторы. По этой причине может быть полезно подготовить пульпер e для впрыска пара в реальном времени ниже и выше уровня жидкости.During startup or other unusual situations, it may be necessary to either preheat the liquid substrate in the pulper(s) or pressurize the void space of the vessel to transfer the substrate to the reactors. For this reason, it may be useful to prepare the pulper e for real-time steam injection below and above the liquid level.
Реакторы (f, g, h, i).Reactors (f, g, h, i).
Реакторы оснащены паровыми трубками для впрыска горячего пара в жидкий субстрат. Кроме того, они оснащены клапаном и линией для подачи газа из незаполненного пространства в пульпер (a). Эта же линия может использоваться для установки реакторов при давлении ниже окружающего перед заполнением реактора.The reactors are equipped with steam tubes to inject hot steam into the liquid substrate. In addition, they are equipped with a valve and line to supply gas from the ullage to the pulper (a). The same line can be used to install reactors at subambient pressure before filling the reactor.
Общая производительность.Overall performance.
Фактический расход пара, температура и давление зависят от нескольких факторов. Некоторые из них включают температуру и состав сырья, выбранную температуру и давление в реакторе, уровень жидкости над паровыми трубками пульпера, потери давления в трубопроводах, потерю тепла в окружающую среду и динамические эффекты. Однако общая производительность может быть рассчитана с достаточной точностью.Actual steam flow, temperature and pressure depend on several factors. Some of these include the temperature and composition of the feedstock, the selected temperature and pressure in the reactor, the liquid level above the steam tubes of the pulper, the pressure loss in the piping, the loss of heat to the environment and dynamic effects. However, the overall performance can be calculated with reasonable accuracy.
В таблице ниже в качестве приблизительных значений приведены типичные температуры и давления в сосуде. В качестве основы для расчета предполагается содержание твердых веществ в сырье 16,5%, температура подачи 5, 15 и 40°С и температура реактора 140, 165 и 220°С.The table below shows typical vessel temperatures and pressures as approximate values. As a basis for the calculation, a feed solids content of 16.5%, feed temperatures of 5, 15 and 40°C and reactor temperatures of 140, 165 and 220°C are assumed.
В расчеты включены типичные потери давления в трубопроводах, влияние неконденсирующихся газов и гидравлические давления в точках впрыска пара. При меньших потерях температуры и давления в пульперах 1 и 2 будут несколько выше, в то время как температуры и давления в резервуарах 1 и 2 будут ниже. При более высоких потерях температуры и давления в пульперах 1 и 2 будут несколько ниже, в то время как температуры и давления в резервуарах 1 и 2 будут несколько выше. Кроме того, пар может быть выпущен из пульпера 2 в пульпер 1 для нагрева пульпера 1 до более высоких температур, если это желательно. Это повлияет на температуру и давление в других сосудах. Приведенные ниже цифры являются примерами реальных средних температур и давлений во время работы установки в устойчивом режиме. Следует обратить внимание на то, что указанное давление включает наличие неконденсирующихся газов и что температуры округляются до ближайшего целого числа, в то время как давление округляется до одного десятичного, знака.____________________________________________Calculations include typical pressure losses in pipelines, the influence of non-condensable gases and hydraulic pressures at steam injection points. With smaller losses, the temperatures and pressures in pulpers 1 and 2 will be slightly higher, while the temperatures and pressures in tanks 1 and 2 will be lower. With higher losses, the temperatures and pressures in pulpers 1 and 2 will be slightly lower, while the temperatures and pressures in tanks 1 and 2 will be slightly higher. In addition, steam can be released from pulper 2 into pulper 1 to heat pulper 1 to higher temperatures if desired. This will affect the temperature and pressure in other vessels. The figures below are examples of actual average temperatures and pressures during plant operation at steady state. Please note that pressures stated include the presence of non-condensable gases and that temperatures are rounded to the nearest whole number while pressures are rounded to one decimal place.____________________________________________
- 15 044578- 15 044578
- 16 044578- 16 044578
При наиболее типичных условиях, в которых температура подачи составляет 15°С и температура реактора составляет 165°С, общий расход пара составит приблизительно 640 или 100 кг/т или кг/м3 подачи, соответственно. Это ниже, чем при любых других существующих процессах термического гидролиза с паровым взрывом, в которых для передачи тепла используется впрыск горячего пара. Низкое потребление пара становится возможным благодаря использованию мгновенно образующегося пара ниже давле ния окружающей среды для предварительного нагрева. Кроме того, использование перепада давления или барометрического монтежю вместо насосов для заполнения реактора облегчает сокращение времени заполнения. Кроме того, предварительный нагрев до более высоких температур сокращает время впрыска пара в реакторы. Эти два фактора способствуют увеличению производительности на объем реактора по сравнению с существующими установками на ПТГ.Under the most typical conditions, in which the feed temperature is 15°C and the reactor temperature is 165°C, the total steam consumption will be approximately 640 or 100 kg/t or kg/m 3 feed, respectively. This is lower than any other existing steam explosion thermal hydrolysis processes that use hot steam injection to transfer heat. Low steam consumption is made possible by using flash steam below ambient pressure for preheating. Additionally, using differential pressure or barometric montage instead of pumps to fill the reactor makes it easier to reduce filling time. In addition, preheating to higher temperatures reduces the steam injection time into the reactors. These two factors contribute to an increase in productivity per reactor volume compared to existing PTG installations.
Пример 3.Example 3.
В большинстве юрисдикции по всему миру установку или систему, содержащую сосуды под давлением, необходимо проверять на регулярной основе, например, на ежегодной основе, в рамках сертификации промышленных объектов (например, установки или системы в соответствии с настоящим изобретением), в которых используются сосуды под давлением. Национальные или региональные нормативные акты могут регулировать конкретную требуемую частоту проверок. Вследствие времени, необходимого для таких проверок, при эксплуатации установки в соответствии с настоящим изобретением, как описано в примерах 1 и 2, будут периоды простоя, вследствие которых снижается мощность обработки жидких субстратов. В таких ситуациях стабильная работа установки или системы согласно одному из примеров 1In most jurisdictions around the world, an installation or system containing pressure vessels must be inspected on a regular basis, for example, on an annual basis, as part of the certification of industrial facilities (for example, an installation or system in accordance with the present invention) in which pressure vessels are used. pressure. National or regional regulations may regulate the specific frequency of inspections required. Due to the time required for such checks, when operating a plant in accordance with the present invention as described in Examples 1 and 2, there will be periods of downtime that reduce the processing capacity of liquid substrates. In such situations, stable operation of the installation or system according to one of the examples 1
--
Claims (13)
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP18213186.2 | 2018-12-17 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
EA044578B1 true EA044578B1 (en) | 2023-09-07 |
Family
ID=
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN103449699B (en) | Device and method for realizing continuous pyrohydrolysis treatment of organic material | |
CN102471093B (en) | Pyrohydrolysis and the method and apparatus of vapour explosion for biomass | |
CN106795022B (en) | Hydrothermal carbonization method and apparatus for optimizing energy efficiency | |
EP2003241A2 (en) | Two vessel reactor system and method for hydrolysis and digestion of wood chips with chemical enhanced wash method | |
KR101145700B1 (en) | Sludge treating system | |
US20070254089A1 (en) | Method and apparatus for the treatment of byproducts from ethanol and spirits production | |
KR20170018012A (en) | Method and facility for thermal hydrolysis of organic matter having short residence times and no pumps | |
CN106348368A (en) | Heat pump evaporation system and heat pump evaporation method used for processing low-activity liquid waste in nuclear plant | |
DK2233442T3 (en) | A method for thermal hydrolysis of sludge | |
CN102428044A (en) | Sludge hydrolysis device, a sludge hydrolysis method using the same, and a contact type of heat exchange unit and steam type of heat exchange unit provided in the sludge hydrolysis device | |
JP7411658B2 (en) | 2x2 tank process and system | |
US10647605B2 (en) | Method and device for the treatment of organic matter, involving recirculation of digested sludge | |
EA044578B1 (en) | METHOD (OPTIONS) AND INSTALLATION (OPTIONS) FOR THERMAL HYDROLYSIS OF LIQUID SUBSTRATE, AND ALSO METHOD (OPTIONS) FOR MODERNIZING AN EXISTING INSTALLATION FOR HYDROLYSIS OF LIQUID SUBSTRATE | |
CN1966692A (en) | Process for purification, pressurized storage, and transportation of marsh gas | |
CN102443122B (en) | Production method for refining polyetheretherketone | |
CN214735134U (en) | Energy-conserving evaporation crystal system of MVR | |
WO2010067302A2 (en) | Apparatus and method for waste biomass pre-digestion | |
CN210656931U (en) | Negative pressure difference spraying system equipment for producing biological fermentation feed or fertilizer | |
CN217830025U (en) | Steam source or water heat source reaction device for preparing sodium polyacrylate water treatment agent | |
CN217830024U (en) | Sequencing batch alternating type hydrothermal reaction device for preparing sodium polyacrylate water treatment agent | |
CN218692549U (en) | Wet garbage water thermal recycling treatment system | |
WO2014171832A1 (en) | Method and installation for the thermal hydrolysis of biomass | |
CN217909009U (en) | Pentosan MVR evaporation concentration system | |
CN212387745U (en) | Evaporation concentration processing system | |
NZ777258B2 (en) | Thermal hydrolysis methods and plants |