RU2831121C2 - Способ получения биотоплива из осадков сточных вод - Google Patents

Способ получения биотоплива из осадков сточных вод Download PDF

Info

Publication number
RU2831121C2
RU2831121C2 RU2023110638A RU2023110638A RU2831121C2 RU 2831121 C2 RU2831121 C2 RU 2831121C2 RU 2023110638 A RU2023110638 A RU 2023110638A RU 2023110638 A RU2023110638 A RU 2023110638A RU 2831121 C2 RU2831121 C2 RU 2831121C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sludge
biofuel
sewage sludge
catalyst
dose
Prior art date
Application number
RU2023110638A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2023110638A (ru
Inventor
Юлия Владимировна Куликова
Станислав Алексеевич Сухих
Ольга Олеговна Бабич
Светлана Юрьевна Носкова
Владимир Николаевич Коротаев
Николай Игоревич Орлов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта)
Publication of RU2023110638A publication Critical patent/RU2023110638A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2831121C2 publication Critical patent/RU2831121C2/ru

Links

Abstract

Настоящее изобретение относится к способу получения биотоплива из осадков сточных вод, а именно осадка первичных отстойников и обезвоженного избыточного активного ила в чистом виде или смешанных в любом соотношении, заключающемуся в том, что биотопливо производится из осадков сточных вод в процессе гидротермального ожижения в реакторе периодического действия, отличающемуся тем, что для конверсии используют катализатор, состоящий из минеральной цеолитной декатионизированной матрицы, импрегнированной ионами никеля и меди в количестве 4 и 3% соответственно от массы минеральной матрицы при соблюдении следующих параметров процесса: доза биомассы по сухому веществу 1:15-1:5, температура 250-280°С, давление 3,5-6 МПа, доза катализатора 10-15% от массы осадка сточных вод в пересчете на сухое вещество. Настоящее изобретение обеспечивает увеличение выхода биотоплива при переработке осадков сточных вод методом гидротермального ожижения. 1 ил., 2 табл., 3 пр.

Description

Изобретение относится к области получения жидкого углеводородного топлива из осадков сточных вод, а именно осадка первичных отстойников и избыточного активного ила, методом каталитического гидротермального ожижения.
Гидротермальное ожижение представляет собой процесс термохимической конверсии, используемый для превращения влажной биомассы и органических отходов в аналог сырой нефть, при умеренной температуре (250°С - 450°С) и высоком давлении (2,5-30 МПа) в присутствии воды.. В таких условиях вода действует растворитель, окислитель и источник радикалов.
Известна система для переработки органических отходов, в т.ч. осадков сточных вод с получением биоугля (RU 2 701 537 С1, 27.09.2019). Реакционной средой служит перегретая вода, имеющая температуру в диапазоне от 100°С до 374°С, но преимущественно в диапазоне от 200°С до 350°С, давление может иметь значение в диапазоне от 100 Па до 22 МПа, преимущественно оно составляет от 1,5 МПа до 17 МПа, но чаще лежит в диапазоне от 12 МПа до 16 МПа. Основным недостатком данного метода является отсутствие возможности получения жидкого топлива, т.к. именно этот продукт является наиболее востребованным.
Известен способ гидротермального ожижения и газификации биомассы, в т.ч. осадков сточных вод с получение топлива, биогаз и угля. Отличающийся тем, что процесс проводят за счет использования эффекта кавитации, что позволяет вести процесс при пониженном давлении и температуре (1,5 МПа и 250°С). Основным недостатком такого процесса можно считать наличие сложно контролируемого процесса кавитации (ЕЕ 202100001, 17.10.2022).
Известен способ конверсии осадков сточных вод с получением топлива при температуре 220-374°С, давлении 2,3-22 МПа с применением в качестве катализаторов смеси щелочей (NaOH, Са(ОН)2 или КОН) и цеолитов или катионообменной смолы для адсорбции аммиака, основным недостатком такого метода можно считать увеличение содержания доли растворимых органических соединений и, как следствие, снижение выхода топлива (CN 110510851 от 19.07.2022).
Авторы предлагают технологию получения биогаза и биосырой нефти из осадка сточных вод и лигноцеллюлозной биомассы с методом гидротермального сжижения (US 20190263700 23.06.2020) в качестве катализаторов авторы предлагают использование гомогенных катализаторов KOH, K2CO3, NaOH, Na2CO3, колеманита, FeSO4, Са(ОН)2, гидротальцита и MgO, обеспечивающими выход топлива на уровне 34% при одновременном повышении доли легко кипящих компонентов в составе нефти. Основной недостаток использования гомогенных катализаторов, по технологии предложенной в выше описанных патентах (US 20190263700 23.06.2020 и CN 110510851 от 19.07.2022) следует считать безвозвратную потерю катализатора и невозможность его регенерации.
Наиболее близким аналогом можно считать способ гидротермального ожижения биомассы с применением катализатора в виде металлов (кобальта и/или молибдена), нанесенных на пористую структуру минеральных сорбентов, например цеолитов и аттапульгитов (CN 113996302 от 01.02.2022), обеспечивающий повышение выхода биотоплива до 52,51% и снижение кислорода и азота в топливе.
Недостатками указанного способа получения биотоплива является применение в составе гетерогенного катализатора дорогостоящих металлов кобальта и молибдена.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение более высокого выхода биотоплива за счет применения регенерируемых дешевых гетерогенных катализаторов.
Указанная проблема решается за счет применения при производстве биотоплива из осадков сточных вод, комплексных регенерируемых катализаторов, состоящих из минеральной матрицы цеолита с нанесенными ионами никеля и меди. Катализаторы, содержащие никель и медь, как известно, катализируют реакции гидрирования, аналогично более дорогостоящим металлам (например, платине, кобальту и молибдену) и могут с успехом применяться для задач повышения выхода и качества топлива в процессах гидротермального ожижения. В качестве минеральной матрицы в предлагаемом катализаторе применяется декатионированный цеолит.
Способ производства биотоплива, заключающимся в том, что осадки сточных вод, а именно осадок первичных отстойников и обезвоженный избыточный активный ил в любом соотношении, без предварительной обработки смешивают с водой, которая используется выступает в качестве растворителя и источника радикалов, до достижения в пульпе дозы биомассы по сухому веществу на уровне 5-10%. Далее водится катализатор состоящий из минеральной цеолитной декатионированной матрицы, импрегнированной ионами никеля и меди в количестве 4 и 3% соответственно от массы минеральной матрицы, доза катализатора 10-15% от массы осадков сточных вод (в пересчете на сухое вещество). Процесс гидротермального ожижения проводят при температуре 250-280°С, давлении 3,5-6 МПа в течение 15-30 мин.
Достигаемый технический результат заключается в увеличении выхода биотоплива при переработке осадков сточных вод методом гидротермального ожижения, а также обеспечения возможности применения более дешевых регенерируемых гетерогенных катализаторов.
На Фиг. 1 показана технологическая схема получения из осадков сточных вод биотоплива методом гидротермального ожижения с применением гетерогенных регенерируемых катализаторов.
Описанный способ осуществляют следующим образом:
В качестве сырья в данном способе возможно использовать осадки очистки сточных вод (1), в том числе осадок первичных отстойников, избыточный активный ил и их смесь различного срока хранения.
Процесс реализуется в реакторе высокого давления любого типа (периодического или постоянного действия) с постоянным перемешиванием (2). Давление достигается за нагревания смеси в замкнутом пространстве через стенку за счет циркуляции теплоносителя (3). Соотношение сырье: вода поддерживают на уровне 1:10-1:15, в связи с чем, при необходимости в реактор добавляется техническая вода (4) для достижения указанной влажности. Перед началом нагрева в реактор подается гетерогенный катализатор в гранулированной форме (5) в соотношении с биомассой по сухому веществу 1-1,5:10. Для нагрева могут быть использованы любые внешние системы, в том числе внешний электрический нагрев, нагрев теплоносителем и пр. После достижения требуемого уровня температуры (250-280°С) смесь выдерживают в реакторе 20-30 минут. После чего производится охлаждение смеси и отвод газовой фазы (6).
Далее к пульпе добавляется дихлорметан (7) для отделения нефтепродуктов методом экстракции. Полученная трехфазная смесь разделяется на декантере (8) с получением кека (9), сточных вод (10) и нефтепродуктов, растворенных в дихлорметане (11). Разделение дихлорметана и нефтепродуктов производится методом вакуумной перегонки (12).
Кек, содержащий катализатор в гранулированной форме направляется на разделение методом гидросепарации (13). Биоуголь (14) направляется на сушку (15) и далее на фасовку/хранение, а отработанный катализатор на регенерацию (16).
Водная фаза может быть повторно использована в технологическом процессе, в связи с чем, направляется в резервуар накопитель жидкой фазы (4), избыточная вода отводится в систему центральной канализации или на локальные очистные сооружения.
Пример 1. Избыточный активный ил после обезвоживания до влажности 85-96% смешивают с гетерогенным катализатором в количестве 10% от начальной массы ила и водой (при необходимости, если изначальная влажность ниже требуемых параметров), до достижения дозы биомассы по сухому веществу на уровне не более чем 1:10 и подвергают переработке способом описанным выше методом гидротермального ожижения при температуре 260°С и давлении 3,5 МПа, время обработки 30 минут. При указанных условиях выход биотоплива составил 48,7% от исходной массы ила в пересчете на сухое вещество. Теплотворная способность биотоплива составила 38,1±2,7 МДж/кг. Содержание легко кипящих фракций (до 350°С) составило 70,7%, что свидетельствует о высоком качестве получаемого топлива и эффективности работы катализаторов.
Пример 2. Осадок первичных отстойников исходной влажности 85-96% без предварительной обработки смешивают с гетерогенным катализатором и водой (при необходимости), до достижения дозы биомассы по сухому веществу на уровне не более чем 1:10 и подвергают переработке методом гидротермального ожижения выше описанным способом. При этом температуру поддерживают на уровне 260°С, давление на уровне 3,5 МПа, время обработки 30 минут. Выход жидкого топлива составил 42,8%) от исходной биомассы (в пересчете на сухое вещество). Теплотворная способность биотоплива составила 36,8±2,2 МДж/кг. Содержание легко кипящих фракций (до 350°С) составило 61,2%,
Пример 3. Смесь избыточного и ила и осадка первичных отстойников в соотношении 1:1 по массе исходной влажности 85-96% без предварительной обработки смешивают с гетерогенным катализатором и водой (при необходимости), до достижения дозы биомассы по сухому веществу на уровне не более чем 1:10 и подвергают переработке методом гидротермального ожижения выше описанным способом. При этом температуру поддерживают на уровне 260°С, давление на уровне 3,5 МПа, время обработки 30 минут. Выход жидкого топлива составил 44,2% от исходной биомассы (в пересчете на сухое вещество). Теплотворная способность биотоплива составила 37,2±1,8 МДж/кг. Содержание легко кипящих фракций (до 350°С) составило 55,9%,
Содержание серы составило во всех примерах не превышало 0,50% по массе, что соответствует параметрам малосернистой нефти (по ГОСТ 912-66).
Приведенные выше данные свидетельствуют, что эффективности предложенного способа получения бионефти с применением гетерогенного катализатора на основе декатионированного цеолита импрегнированного никелем и медью в процессе гидротермального ожижения осадков сточных вод (избыточного активного ила и осадка первичных отстойников) при температуре 250-280°С, времени процесса 20-30 минут и давлении 2-4 МПа позволяет обеспечить выход топлива на уровне 40-48% от исходной биомассы. При этом топливо отличается высоким содержанием легкокипящих фракций с температурой кипения до 280°С (до 70%) и низким содержанием азота (до 6,2%) и серы (до 0,5%) и удовлетворительной калорийностью (36,8-38,1 МДж/кг). При этом для легкокипящих фракций в топливе составляет 55,9-77,7%).

Claims (1)

  1. Способ получения биотоплива из осадков сточных вод, а именно осадка первичных отстойников и обезвоженного избыточного активного ила в чистом виде или смешанных в любом соотношении, заключающийся в том, что биотопливо производится из осадков сточных вод в процессе гидротермального ожижения в реакторе периодического действия, отличающийся тем, что для конверсии используют катализатор, состоящий из минеральной цеолитной декатионизированной матрицы, импрегнированной ионами никеля и меди в количестве 4 и 3% соответственно от массы минеральной матрицы при соблюдении следующих параметров процесса: доза биомассы по сухому веществу 1:15-1:5, температура 250-280°С, давление 3,5-6 МПа, доза катализатора 10-15% от массы осадка сточных вод в пересчете на сухое вещество.
RU2023110638A 2023-04-24 Способ получения биотоплива из осадков сточных вод RU2831121C2 (ru)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2023110638A RU2023110638A (ru) 2024-10-24
RU2831121C2 true RU2831121C2 (ru) 2024-12-02

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487920C1 (ru) * 2011-11-24 2013-07-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" Способ получения биодизельного топлива из илов водоемов и/или осадков канализационных очистных сооружений
US20190263700A1 (en) * 2016-10-27 2019-08-29 The University Of Western Ontario Hydrothermal liquefaction co-processing of wastewater sludge and lignocellulosic biomass for co-production of bio-gas and bio-oils
RU2701537C1 (ru) * 2015-09-28 2019-09-27 Гренол Ип Гмбх Система переработки органических побочных продуктов
CN110510851A (zh) * 2019-08-30 2019-11-29 同济大学 一种提高水热液化制油所得的油品品质的方法及其在污泥水热液化处理的原位控氮中的应用
CN113996302A (zh) * 2021-11-12 2022-02-01 天津理工大学 一种金属负载型催化剂及其制备方法和应用

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2487920C1 (ru) * 2011-11-24 2013-07-20 Федеральное Государственное Автономное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Сибирский Федеральный Университет" Способ получения биодизельного топлива из илов водоемов и/или осадков канализационных очистных сооружений
RU2701537C1 (ru) * 2015-09-28 2019-09-27 Гренол Ип Гмбх Система переработки органических побочных продуктов
US20190263700A1 (en) * 2016-10-27 2019-08-29 The University Of Western Ontario Hydrothermal liquefaction co-processing of wastewater sludge and lignocellulosic biomass for co-production of bio-gas and bio-oils
CN110510851A (zh) * 2019-08-30 2019-11-29 同济大学 一种提高水热液化制油所得的油品品质的方法及其在污泥水热液化处理的原位控氮中的应用
CN113996302A (zh) * 2021-11-12 2022-02-01 天津理工大学 一种金属负载型催化剂及其制备方法和应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Yu et al. Conversion of low-grade coals in sub-and supercritical water: A review
Nguyen et al. Conversion of lignocellulosic biomass to green fuel oil over sodium based catalysts
RU2535343C2 (ru) Гидропиролиз биомассы для получения высококачественного жидкого горючего
Mullen et al. Role of potassium exchange in catalytic pyrolysis of biomass over ZSM-5: formation of alkyl phenols and furans
US9399836B2 (en) Biomass treatment for hydrothermal hydrocatalytic conversion
US9399837B2 (en) Biomass treatment for hydrothermal hydrocatalytic conversion
US9593448B2 (en) Biomass treatment for hydrothermal hydrocatalytic conversion
Elliott et al. Conversion of a wet waste feedstock to biocrude by hydrothermal processing in a continuous-flow reactor: grape pomace
Dong et al. Review on the progress in the production of aromatic hydrocarbons by co-catalytic pyrolysis of biomass and plastics
EA038838B1 (ru) Способ получения низкосернистой кислородсодержащей возобновляемой нефти
US9404044B2 (en) Biomass treatment for hydrothermal hydrocatalytic conversion
US20150167238A1 (en) Biomass treatment for hydrothermal hydrocatalytic conversion
CN108350365B (zh) 生物质向液态烃材料的转化
CN108026451A (zh) 生物质向甲烷的转化
CN105829499A (zh) 用于水热加氢催化转化的生物质处理
EP3083897A2 (en) Biomass treatment for hydrothermal hydrocatalytic conversion
WO2014003943A1 (en) Decontamination of deoxygenated biomass-derived pyrolysis oil using ionic liquids
EP2995672B1 (en) Method for modifying biomass pyrolysis oil
Wei et al. Low-temperature hydrothermal liquefaction of pomelo peel for production of 5-hydroxymethylfurfural-rich bio-oil using ionic liquid loaded ZSM-5
David Evaluation of Na-13X zeolites activity in the catalytic pyrolysis of rapeseed oil cake to produce bio-oil
Pedersen Hydrothermal liquefaction of biomass and model compounds
RU2831121C2 (ru) Способ получения биотоплива из осадков сточных вод
WO2010045928A2 (de) Verfahren zur katalytischen umsetzung von feststoffartigen kohlenwasserstoffen
Wei et al. Integrating molten carbonates pyrolysis and catalytic reforming with modified HZSM-5 for monophenols produced from digestate
CN117616103A (zh) 使生物质原料经受加氢热解的方法