СПОСОБ ПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА В СИНТЕЗ-ГАЗ С НИЗКИМ СОДЕРЖАНИЕМ СМОЛЫ
METHOD OF CONVERTING CARBON-CONTAINING MATERIAL INTO SYNTHESIS GAS WITH LOW CONTENT OF RESIN

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001] Настоящее изобретение относится к области газификации углеродсодержащего сырья/топлива и, в частности, к способу и системе превращения углеродсодержащих топливных материалов в чистый высококачественный синтез-газ, существенно лишенный смол, и к производству чистой золы, существенно свободной от углерода.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0002] При газификации углеродсодержащие материалы превращаются в полезные химические продукты. Эти химические продукты обычно связаны с получением синтез-газа (сингаза), который может сжигаться для производства электроэнергии или участвовать в химических реакциях для получения оксигенатов или углеводородов в каталитических системах.
[0003] Было разработано несколько способов и устройств для эффективного превращения биомассы в чистые газообразные продукты. Многие из способов газификации известного уровня техники не увенчались успехом из-за недостаточного внимания к низкому содержанию смол, эффективному разрушению смолы и полной декарбонизации полукокса и золы.
[0004] Существующие воронкообразные газификаторы требуют очень высокого качества древесного топлива или биомассы, такой как беззольные полена или высококачественная древесная щепа, и не могут быть увеличены до экономически привлекательных масштабов без значительного выхода смолы. Также известны многостадийные понижающие газификаторы, включающие отдельные зоны для пиролиза топлива, частичного окисления и восстановления газа в слое; однако такие газификаторы известного уровня техники также приводят к значительному выходу смолы, значительным его уровням в синтез-газе и золе с очень высокими уровнями содержания неконвертированного углерода.
[0005] Патент CZ №295171 раскрывает трехзонный газификатор биомассы, состоящий из вертикально ориентированных взаимно вложенных цилиндрических емкостей, вмещающих соответственно сушильную камеру, дистилляционную камеру и комбинированную камеру восстановления и сжигания. Конструкция газификатора такова, что газообразная смесь, образующаяся в сушильных и дистилляционных камерах, выводится и подается через байпас в комбинированную камеру восстановления / сжигания для дополнительного сжигания и восстановления до желаемых компонентов газа. Этот газификатор имеет сложную конструкцию и недостаточную управляемость и гибкость в работе.
[0006] Публикация РСТ №WO 2015/090251 раскрывает устройство для многостадийной газификации углеродсодержащих видов топлива, состоящее из вертикально выполненного герметичного контейнера, выполненного с изоляцией. Внутри вертикального контейнера находится пиролизная камера, куда сверху поступает углеродсодержащее топливо. Под пиролизной камерой предусмотрена камера частичного окисления для окисления продукта пиролиза, ограниченная огнеупорной оболочкой, за которой следует зона восстановления для химического восстановления получаемого окисленного газа.
[0007] Устройства/системы, раскрытые в патентах CZ 295171 и WO 2015/090251, приводят к образованию значительного количества смолы, которая, в свою очередь, засоряет очистительные устройства, используемые для очистки получаемых газов. Кроме того, эти системы не имеют средства для эффективного управления реакцией восстановления и не могут обеспечить стабильный поток и качество синтез-газа.
[0008] Например, в системе, описанной в патенте WO 2015/090251, остатки, полученные после этапов пиролиза и/или окисления, стекают вниз и собираются в нижней части газификатора, образуя восстановительный слой. Как известно из известного уровня техники, пиролиз/окисление создает неровный / неравномерный слой из-за угла откоса падающего материала. Перепад высот между центральной и периферийной частями таких слоев настолько велик, что потери давления газов, проходящих через них, оказывают отрицательное воздействие и эффективная эндотермическая реакция для повышения калорийности получаемого газа не происходит.
[0009] Патент CZ 28354 раскрывает нисходящий газификатор, состоящий из вертикально сложенной пиролизной камеры, окислительной камеры и восстановительной камеры, где была предпринята попытка улучшить качество синтез-газа путем установки гомогенизатора на днище восстановительной камеры. Однако такое расположение также не обеспечивает равномерной толщины слоя полукокса и способствует каналообразованию синтез-газа, что приводит к нежелательным результатам.
[0010] Патент WO 2016/075362 раскрывает способ и устройство для газификации сырья с целью получения газообразных продуктов с низким содержанием смолы, в которых сырье пиролизуется в присутствии пиролизного воздуха для получения продукта пиролиза, который затем подается в нижнюю часть газификатора, куда противотоком вводится первичный воздух, и таким образом в нижней части газификатора происходит окончательная газификация. Затем газ, полученный в результате газификации, вводится в участок каталитического окисления и через слой катализатора участка каталитического окисления, реформируя газ, полученный в результате газификации, посредством каталитического окисления в присутствии воздуха риформинга на участке каталитического окисления, для получения газообразного продукта. В этой ссылке не упоминается какое-либо средство для эффективного управления реакциями восстановления, что не позволяет получить стабильный поток и качество получаемого газа.
[0011] Таким образом, существует необходимость в способе и системе газификации углеродсодержащего материала для получения стабильно чистых газов, таких как синтез-газ с существенно низким содержанием смол.
[0012] По мнению заявителя, такая справочная информация может иметь отношение к настоящему изобретению. Необязательно представлять и истолковать предшествующую информацию как известный уровень техники по отношению к настоящему изобретению.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0013] По настоящему изобретению предлагается способ превращения углеродсодержащего топливного материала в синтез-газ с низким содержанием смолы.
[0014] Настоящее изобретение предлагает непрерывный многостадийный способ газификации с вертикальной последовательностью для превращения твердого углеродсодержащего топливного материала в очищенный (с низким содержанием смолы) синтез-газ в газификаторе, состоящем из:
i) пиролизной зоны,
ii) зоны частичного окисления, расположенной по вертикали ниже пиролизной зоны и отделенной от нее разделительным элементом, состоящим из множества направленных под наклоном вверх газоотводящих каналов;
III) зоны восстановления, расположенной ниже по вертикали зоны частичного окисления и состоящей из наклоненного перфорированного днища, одного или нескольких отверстий, расположенных по центру относительно перфорированного днища, и отражателя, расположенного по центру; при этом днище наклонено вниз и внутрь в направлении одного или нескольких отверстий, причем размеры перфораций днища выполнены таким образом, чтобы, преимущественно, пропускать через себя синтез-газ и препятствовать прохождению пиролизного остатка из пиролизной зоны;
Способ состоит из следующих этапов:
а) подачи углеродсодержащего топливного материала через верхнюю часть
пиролизной зоны вниз по вертикали в нижнюю часть пиролизной зоны, при этом топливо пиролизуется в пары пиролиза, состоящие из углеводородсодержащего материала и неочищенного пиролизного остатка, состоящего из полукокса и золы;
б) добавления по выбору первого окислителя в нижнюю часть пиролизной зоны для получения температуры выше 200°С;
в) направления паров пиролиза в зону частичного окисления (ЧОК), а пиролизного остатка вниз в зону восстановления через разделительный элемент;
г) добавления второго окислителя в зону частичного окисления для получения температуры, достаточной для превращения паров пиролиза в неочищенный синтез-газ со значительно сниженным содержанием смолы;
д) формирования слоя пиролизного остатка равномерной толщины из неочищенного пиролизного остатка, образовавшегося на этапе в) на днище зоны восстановления;
2
2
е) пропускания неочищенного синтез-газа после этапа г) вниз через слой неочищенного пиролизного остатка, образованного на этапе д) и проведения эндотермической реакции между СО и/или НО в неочищенном синтез-газе и углеродом полукокса в слое пиролизного остатка, при контроле в зоне восстановления падения давления, времени пребывания и объемной скорости потока неочищенного синтез-газа в условиях эндотермической реакции с образованием существенно свободного от смолы усиленного синтез-газа и обезуглероженного пиролизного остатка;
ж) пропускания существенно свободного от смолы усиленного синтез-газа после этапа е) в восходящем противотоке, для нагрева пиролизной зоны и последующего охлаждения существенно свободного от смолы усиленного синтез-газа;
з) сбора усиленного синтез-газа; и
и) сбора обезуглероженного пиролизного остатка с днища газификатора.
[0015] По настоящему изобретению, предлагается система непрерывного многостадийного способа газификации с вертикальной последовательностью для превращения твердого углеродсодержащего топливного материала в очищенный (с низким содержанием смолы) синтез-газ, состоящая из:
i) пиролизной зоны для превращения топлива в пары пиролиза, состоящие из
углеводородсодержащего материала и пиролизного остатка с высоким содержанием углерода, состоящего из полукокса и золы;
ii) зоны частичного окисления, расположенной ниже пиролизной зоны по
2
2
вертикали, для превращения углеводородсодержащего материала в парах пиролиза в неочищенный синтез-газ, содержащий Н, СО и СО;
iii) зоны эндотермического восстановления, расположенной ниже зоны
частичного окисления по вертикали для превращения неочищенного синтез-газа в усиленный синтез-газ и снижения содержания углерода в неочищенном пиролизном остатке для получения обезуглероженного пиролизного остатка;
iv) разделительного элемента, расположенного между пиролизной зоной и зоной частичного окисления,
причем разделительный элемент состоит из множества направленных под наклоном вверх газоотводящих каналов для прохождения паров пиролиза в зону частичного окисления, препятствующих прохождению через себя неочищенного пиролизного остатка, и выполненного для направления пиролизного остатка в зону восстановления;
v) выпускного патрубка для обезуглероженного пиролизного остатка, расположенного ниже зоны восстановления;
vi) выпускного канала для усиленного синтез-газа, расположенного ниже зоны восстановления;
vii) зоны восстановления, состоящей из наклоненного перфорированного днища, одного или нескольких отверстий, расположенных по центру относительно перфорированного днища, и отражателя, расположенного по центру,
при этом днище наклонено вниз и внутрь в направлении одного или нескольких отверстий, причем размеры перфораций днища выполнены таким образом, чтобы, преимущественно, пропускать через себя синтез-газ к выпускному каналу для усиленного синтез-газа и препятствовать прохождению неочищенного пиролизного остатка, причем одно или несколько отверстий сообщаются по текучей среде с выпускным патрубком и выполнены с возможностью прохождения посредством этого обезуглероженного пиролизного остатка.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
[0016] Фиг. 1 представляет собой схематический чертеж, изображающий систему в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения.
[0017] Фиг. 2 представляет собой схематический чертеж, изображающий зону окисления и зону восстановления, в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения.
[0018] Фиг. 3 представляет собой схематический чертеж, изображающий зону окисления и зону восстановления, в соответствии с одним из вариантов воплощения настоящего изобретения.
[0019] Фиг. 4 представляет собой схематический чертеж, на котором изображены зоны окисления и восстановления газификатора известного уровня техники и способ;
[0020] Фиг. 5 представляет собой схематический чертеж, на котором изображены зоны окисления и восстановления другого газификатора известного уровня техники и способа;
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Определения терминов
[0021] В настоящем документе термин "приблизительно" означает отклонение +/-10% от номинального значения. Следует понимать, что такое отклонение всегда подразумевается для указанных в настоящем документе значений, независимо от того, конкретизируется оно или нет.
[0022] В настоящем документе термин "углеводородсодержащий материал" охватывает такие углеводороды, как метан, и другой материал, содержащий углеводород, полученный пиролизом топлива, который обычно называют смолами, органическими смолами, или биосмолами.
[0023] Под термином "полукокс", используемом в настоящем документе, подразумевается твердый материал, который остается после удаления или выделения легких газов и смолы из углеродсодержащего материала на начальной стадии разложения биомассы, известного как карбонизация, обугливание, выход летучих или пиролиз.
[0024] Если не определено иное, все технические и научные термины, используемые в данном описании, имеют значение понятное любому специалисту в той области техники, к которой относится данное изобретение.
[0025] В одном варианте настоящего изобретения предлагается непрерывный многостадийный способ газификации с вертикальной последовательностью для превращения твердого углеродсодержащего топливного материала в неочищенный (с низким содержанием смолы) синтез-газ в газификаторе, состоящем из пиролизной зоны, зоны частичного окисления, расположенной по вертикали ниже пиролизной зоны и зоны восстановления, расположенной по вертикали ниже зоны частичного окисления, и содержащем наклоненное перфорированное днище /основание, одно или более отверстий, направленные радиально внутрь перфорированного днища, и расположенный по центру отражатель. При этом днище наклонено вниз и внутрь в направлении одного или нескольких отверстий, причем размеры перфораций днища выполнены таким образом, чтобы, преимущественно, пропускать через себя синтез-газ и препятствовать прохождению пиролизного остатка из пиролизной зоны.
[0026] Способ по настоящему изобретению осуществляют путем подачи углеродсодержащего топливного материала через верхнюю часть пиролизной зоны вниз по вертикали в нижнюю часть пиролизной зоны, при этом топливо пиролизуется в пары пиролиза, содержащие углеводороды, такие как метан и смолу, и неочищенный пиролизный остаток, состоящий из полукокса, и золы и углерода. Первый окислитель добавляется по выбору в нижнюю часть пиролизной зоны для получения температуры выше 200°С;
[0027] Пары пиролиза поступают в зону частичного окисления (ЧОК), а неочищенный пиролизный остаток, образующийся в зоне пиролиза, направляется вниз в зону восстановления через разделительный элемент, расположенный между пиролизной зоной и зоной частичного окисления. Разделительный элемент состоит из множества направленных под наклоном вверх газоотводящих каналов, обеспечивающих попадание паров пиролиза только в зону частичного окисления. Затем в зону частичного окисления добавляется второй окислитель для получения температуры выше 900°С и превращения паров пиролиза в неочищенный синтез-газ со значительно сниженным содержанием смолы;
2
2
[0028] На днище /основании зоны восстановления образуется слой пиролизного остатка одинаковой толщины, а сырьевой синтез-газ, образующийся преимущественно в зоне частичного окисления и по выбору в зоне пиролиза, проходит через слой пиролизного остатка для осуществления эндотермической реакции между СО и НO синтез-газа и углеродом полукокса в слое пиролизного остатка, при контроле падения давления в зоне восстановления, времени пребывания и объемной скорости потока синтез-газа в условиях эндотермической реакции для получения существенно свободного от смолы неочищенного синтез-газа, снижения содержание углерода в пиролизном остатке, образуя тем самым обезуглероженный пиролизный остаток. Этот этап может также снизить температуру неочищенного синтез-газа по сравнению с температурой зоны частичного окисления. После этого существенно усиленный синтез-газ, не содержащий смолы, перемещается в восходящем противотоке в непрямом тепловом контакте с пиролизной зоной для нагрева пиролизной зоны и последующего охлаждения существенно свободного от смолы синтез-газа до его сбора.
В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения способ включает перемешивание и/или вращение остаточного слоя пиролиза.
[0029] В некоторых вариантах настоящего изобретения способ осуществляется под давлением, предпочтительно в полном вакууме, частичном вакууме и под давлением менее 600 фунтов /кв. дюйм, более предпочтительно между частичным вакуумом и давлением 100 фунтов /кв. дюйм.
2
2
[0030] В некоторых вариантах первый и второй окислители независимо содержат воздух, обогащенный воздух, кислород с чистотой более 85 вес. %, кислород с чистотой более 95 вес.% или их комбинацию. В некоторых вариантах первый окислитель и/или второй окислитель также включают НO (пар) и/или СО.
[0031] В некоторых вариантах второй окислитель такой же, как и первый. В некоторых вариантах первый и второй окислители различаются по составу.
2
2
[0032] В некоторых вариантах первый окислитель содержит воздух, обогащенный воздух, кислород с чистотой более 85 вес. %, кислород с чистотой более 95 вес. % или их комбинацию, а второй окислитель содержит, по меньшей мере, комбинацию из воздуха, обогащенного воздуха, кислорода с чистотой более 85 вес. %, кислорода с чистотой более 95 вес. %, предварительно смешанный с НО и/или СО.
2
[0033] В некоторых вариантах осуществления способа по настоящему изобретению соотношение Н:СО в синтез-газе колеблется приблизительно от 0,5:1 до приблизительно 1,5:1, предпочтительно приблизительно от 0,8:1 до приблизительно 1:1.
[0034] В некоторых вариантах осуществления способа по настоящему изобретению углеродсодержащий топливный материал состоит из биотоплива (биомассы), образованного из древесной щепы, щепы железнодорожных шпал, древесных отходов, отходов лесозаготовок, шлама сточных вод, нефтяного кокса, угля, твердых бытовых отходов (ТБО), топлива из твердых отходов (ТТО) или любой их комбинации.
[0035] В некоторых вариантах осуществления способа по настоящему изобретению биотопливо формируется путем измельчения, дробления, экструзии, механической обработки, уплотнения, таблетирования, гранулирования или раздавливания. В некоторых вариантах используется биотопливо на которое напыляется, или которое покрывается или пропитывается жидкими или твердыми углеродистыми материалами.
[0036] В некоторых вариантах осуществления способа по настоящему изобретению температура стадии ЧОК выше 1250°С или выше температуры плавления золы для получения жидкого шлака.
[0037] В некоторых вариантах настоящего изобретения, способ дополнительно включает камеру отделения шлака для удаления и охлаждения жидкого шлака для получения невыщелачиваемого побочного продукта для целей безопасной утилизации.
[0038] В некоторых вариантах настоящего изобретения этот способ дополнительно включает переработку и охлаждение свободного от смолы синтез-газа, используемого для производства электроэнергии и химических продуктов, таких как метанол, бензин ДМЭ и жидкости Фишера-Тропша, такие как дизельное топливо, синтетическое авиационное топливо и синтетический воск.
[0039] Способ по настоящему изобретению может быть осуществлен целиком в одной камере, либо в отдельных камерах, либо в комбинации камер в вертикальной конфигурации.
2
2
[0040] Другой вариант настоящего изобретения предлагает систему непрерывного многостадийного способа газификации с вертикальной последовательностью для превращения твердого углеродсодержащего топливного материала в очищенный (с низким содержанием смолы) синтез-газ. Система по настоящему изобретению включает в себя пиролизную зону для превращения топлива в пары пиролиза, состоящие из углеводородов и пиролизного остатка с высоким содержанием углерода, состоящего из полукокса и золы, зону частичного окисления, расположенную по вертикали ниже пиролизной зоны для превращения углеводородов в парах пиролиза в неочищенный синтез-газ, содержащий Н, СО и СO, а также зону эндотермического восстановления, расположенную по вертикали ниже зоны частичного окисления для превращения неочищенного синтез-газа в усиленный синтез-газ и снижения содержания углерода в неочищенном пиролизном остатке для получения обезуглероженного пиролизного остатка.
[0041] В некоторых вариантах системы по настоящему изобретению пиролизная зона, зона частичного окисления и зона восстановления выполнены в одном контейнере/камере. В некоторых вариантах пиролизная зона, зона частичного окисления и зона восстановления выполнены в отдельных камерах, расположенных в вертикальной конфигурации.
[0042] В некоторых вариантах периметр нижней части пиролизной зоны больше периметра верхней части. В некоторых вариантах периметр пиролизной зоны постепенно увеличивается в направлении к нижней части.
[0043] В некоторых вариантах изобретения, любая часть или все части стенок камеры, вмещающей пиролизную зону, слегка и/или постепенно наклоняются кнаружи от верха уровня заполнения биомассы до самой нижней точки, где находится восстановленный полукокс, а площадь/периметр нижней части камеры больше, чем площади/периметра верхней части камеры. Это позволяет материалу биомассы продвигаться без задержек и зависания, что в дальнейшем обеспечивает непрерывный стабильный поток поступающего биотоплива и получаемого синтез-газа.
[0044] Разделительный элемент располагается между пиролизной зоной и зоной частичного окисления. Разделительный элемент состоит из множества направленных под наклоном вверх газоотводящих каналов или отверстий для прохождения паров пиролиза в зону частичного окисления, препятствуя прохождению через них неочищенного пиролизного остатка. Разделительный элемент выполнен таким образом, чтобы направлять неочищенный пиролизный остаток в зону восстановления. Система дополнительно содержит выпускной патрубок для обезуглероженного пиролизного остатка, расположенный ниже зоны восстановления, и выпускной канал для усиленного синтез-газа за зоной восстановления.
[0045] В некоторых вариантах разделительный элемент представляет собой перевернутую или наклонную полусферическую или коническую керамическую нагреваемую мембрану.
[0046] Разделительный элемент физически поддерживает топливо, падающее вниз во время пиролиза, направляя неочищенный пиролизный остаток, состоящий из полукокса и золы, в зону восстановления, и нагревая завершающие стадии в пиролизной зоне.
[0047] Зона восстановления выполнена с возможностью формирования слоя пиролизного остатка равномерной высоты/толщины и радиальной ширины. Зона восстановления имеет наклоненное перфорированное днище, одно или нескольких отверстий, расположенных по центру перфорированного днища, и отражатель, расположенный по центру. Отражатель может быть любого размера и формы, например, квадратный, прямоугольный, конический или цилиндрический.
[0048] Днище в зоне восстановления наклонено вниз и внутрь в направлении одного или нескольких отверстий, причем размеры перфораций в нем выполнены таким образом, чтобы, преимущественно, пропускать через себя неочищенный синтез-газ в направлении к выпускному каналу для усиленного синтез-газа и препятствовать прохождению неочищенного пиролизного остатка. Одно или несколько отверстий сообщаются по текучей среде с выпускным патрубком для пропуска через него обезуглероженного пиролизного остатка.
[0049] Угол наклона днища колеблется от 0° до значения большего, чем у угла откоса неочищенного пиролизного остатка. В некоторых вариантах перфорированное днище наклонено в пределах 30% в сторону уменьшения и 30% в сторону увеличения от угла естественного откоса пиролизного остатка. В некоторых вариантах наклон днища приближается к естественному углу откоса пиролизного остатка.
[0050] В некоторых вариантах наклон перфорированного днища колеблется от 0° до приблизительно 60°. В некоторых вариантах угол перфорированного днища колеблется от приблизительно 30° до приблизительно 40°.
[0051] В некоторых вариантах зона восстановления дополнительно оснащена первым механизмом, позволяющим периодическое или непрерывное перемещение пиролизного остатка от перфорированного днища к одному или нескольким отверстиям. В некоторых вариантах механизм состоит из одного или нескольких толкателей, выполненных с возможностью перемещения по траектории вокруг отражателя, причем толкатель расположен непосредственно около перфорированного днища и направлен кнаружи от одного или нескольких отверстий. В некоторых вариантах толкатель состоит из одной или нескольких штанг, вытянутых кнаружи радиально от одного или нескольких отверстий. В некоторых вариантах радиальные штанги имеют наклонную поверхность, выполненную для контактирования и перемещения части пиролизного остатка к одному или нескольким отверстиям при движении толкателя. В некоторых вариантах механизм перемещается на заданное расстояние по траектории.
[0052] В некоторых вариантах механизм связан с контроллером, приводящим в действие механизм в зависимости от перепада давления, измеренного в точке перед слоем пиролизного остатка и в точке за перфорированным днищем.
[0053] В некоторых вариантах зона восстановления включает в себя также второй механизм, способный выталкивать обезуглероженный пиролизный остаток из нижней части своего слоя в направлении выпускных патрубков.
[0054] В некоторых вариантах первый и второй механизмы работают независимо друг от друга. В некоторых вариантах первый и второй механизмы интегрированы. В некоторых вариантах осуществления днище зоны восстановления выполнено с возможностью перемешивания.
[0055] В некоторых вариантах изобретения система далее включает в себя внешнюю оболочку, имеющую впускное отверстие оболочки, которое сообщается с выпускным каналом для синтез-газа и выпускное отверстие оболочки, где внешняя оболочка охватывает / окружает пиролизную зону, зону частичного окисления и зону восстановления, формируя канал для направления синтез-газа к выпускному отверстию оболочки. В некоторых вариантах выпускное отверстие оболочки выполнено на верхней части оболочки, что позволяет синтез-газу двигаться вверх по каналу, обеспечивая непрямой тепловой контакт между синтез-газом и пиролизной зоной.
[0056] В некоторых вариантах системы по настоящему изобретению пиролизная зона, зона частичного окисления и зона восстановления выполнены в отдельных контейнерах/камерах.
[0057] Дальнейшие подробности, касающиеся системы и способа по настоящему изобретению, рассматриваются со ссылками на фигуры.
Система и устройство
[0058] Фиг. 1 иллюстрирует упрощенную схему общей конфигурации системы для непрерывного многостадийного способа газификации с вертикальной последовательностью для превращения твердого углеродсодержащего топливного материала в очищенный (с низким содержанием смолы) синтез-газ. Фигуры 2 и 3 иллюстрируют упрощенную схему компонентов системы по настоящему изобретению.
[0059] Как показано на Фиг. 1, система (1) включает пиролизную зону с вертикальной последовательностью (20), зону частичного окисления (ЧОК) (30) и зону восстановления (40) в пределах удлиненной камеры (10). Пиролизная зона (20) и зона ЧОК (30) отделены разделительным элементом (32), например, перевернутой или наклонной полусферической или конической керамической нагреваемой мембраной. Разделительный элемент дополнительно содержит направленные под наклоном вверх газоотводящие каналы (34) для разделения паров пиролиза (26), таким образом направляя пары пиролиза (26) в зону ЧОК, в которой те поднимаются вверх, и для предотвращения прохождения через них пиролизного остатка (24), направляя его в зону восстановления. Газоотводящие каналы могут наклоняться под любым углом, от существенно горизонтального до существенно вертикального.
[0060] Зона восстановления (40) состоит из наклоненного перфорированного днища / основания (42), одного или более одного, или нескольких отверстий (46), расположенных по центру относительно перфорированного днища, и отражателя / диффузора, расположенного по центру (48). Днище наклонено вниз и внутрь в направлении одного или нескольких отверстий, причем размеры перфораций (44) в нем выполнены таким образом, чтобы, преимущественно, пропускать через себя неочищенный синтез-газ к выпускному каналу (50) для усиленного синтез-газа (49) и препятствовать прохождению пиролизного остатка, причем одно или несколько отверстий (46) сообщаются по текучей среде с выпускным патрубком (56), и выполнены с возможностью прохождения через них обезуглероженного пиролизного остатка (52) к выпускному патрубку (56).
[0061] Как показано на Фиг. 2, перфорированное днище / основание располагается на расстоянии (D) от разделительного элемента таким образом, чтобы пиролизный остаток, содержащий сырую золу/полукокс (24), падающий из пиролизной зоны под действием силы тяжести, поступал на наклонное перфорированное днище с образованием слоя полукокса (28), имеющего требуемую равномерную толщину (d), (где значение «d» равно или меньше значения "D") и требуемую одинаковую радиальную ширину "h".
[0062] Наклон днища (9) варьирует от 0° до значения большего, чем у угла материального откоса неочищенного пиролизного остатка или в пределах 30% в сторону уменьшения и 30% в сторону увеличения от естественного угла откоса пиролизного остатка. В некоторых вариантах наклон днища приближается к естественному углу откоса пиролизного остатка.
[0063] В варианте, показанном на Фиг. 1, камера, вмещающая пиролизную зону, зону ЧОК и зону восстановления, окружена оболочкой (60) с впускным отверстием оболочки (62) в нижней части, сообщающимся по текучей среде с выпускным каналом для усиленного синтез-газа (50) ниже пиролизного слоя (28), причем выпускное отверстие оболочки (64) в ее верхней части, где впускное отверстие оболочки (62) принимает усиленный синтез-газ (49) из выпускного канала для синтез-газа (50), и оболочка образуют канал для движения синтез-газа вверх к выпускному отверстию оболочки (64).
[0064] На Фиг. 3 показан пример, где зона восстановления системы содержит первый механизм (70), состоящий из толкателя (72), состоящего из двух или более штанг (74), простирающихся в радиальном направлении кнаружи относительно отверстия (46) для периодического или непрерывного перемещения пиролизного остатка из перфорированного днища (28) к отверстию (46). Система также включает в себя второй механизм (80), способный перемещать обезуглероженный пиролизный остаток (52) из нижнего слоя (54) в направлении выпускных патрубков (56).
СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ
СТАДИЯ 1: Реакция пиролиза в Зоне (10)
4
[0065] Как показано на Фиг. 1, углеродсодержащий топливный материал/биотопливо (12/16) подается в верхнюю часть (18) пиролизной зоны при температуре приблизительно от 50°С до 100°С, причем процесс пиролиза начинается с постепенного нагрева пиролизной зоны более чем до 100°С, предпочтительно выше 200°С, более предпочтительно выше 400°С, где образуются пары пиролиза (26) (преимущественно метан (СН), водород и смола) и неочищенный пиролизный остаток (24), содержащий золу и полукокс, продвигающийся вниз по вертикали под действием силы тяжести. Первый окислитель (22), который может быть чистым или смешанным, добавляется по выбору в нижнюю и среднюю часть пиролизной зоны (20) для контроля температуры зоны и ускорения процесса восстановления пиролизной биомассы. Реакция пиролиза показана на схеме ниже.
2
4
2
Биотопливо + тепловая энергия + окислитель по выбору → Н + СН + СО + полукокс + смола
[0066] Пары пиролиза обычно содержат относительно высокую долю летучих смол, образующихся в процессе пиролиза, что обычно приводит к значительным проблемам с закупоркой и засорением при конденсации и охлаждении в последующих системах, что приводит к очень низкой надежности и эффективности работы газификатора.
[0067] По мере продвижения по вертикали углеродсодержащего топливного материала/биотоплива к нижней части пиролизной зоны (20), расположенной по вертикали, топливо будет уменьшаться более чем на 70% от своего веса до полукокса, известного как древесный уголь, с плотностью значительно меньшей, чем у исходного биотоплива. Вертикальная конфигурация с увеличивающимся периметром, раскрытая в настоящей заявке, позволяет гравитации последовательно и равномерно продвигать биотопливо по вертикали через стадию пиролиза. Это, по существу, обеспечивает стабильное и надежное производство синтез-газа.
[0068] Пиролизный остаток (24) под действием силы тяжести продвигается вниз и распределяется по внешней области нагретой мембраны и падает через горизонтальные щели на внешней периферии мембраны вниз по вертикали, образуя слой пиролизного остатка (28) в зоне эндотермического восстановления. Керамическая мембрана обычно обеспечивает устойчивую максимальную рабочую температуру более 2000°С (3600°F).
[0069] У поверхности (18) пиролизной зоны (20) можно установить подходящий вращающийся механический распределитель (не показан) для равномерного распределения подаваемой биомассы (16) по верхней части пиролизной зоны. Равная или ровная по высоте биомасса позволяет при снижение ее массы последовательно и стабильно проходить через стадию пиролиза, производя требуемый стабильный поток синтез-газа.
СТАДИЯ 2: Частичное окисление (ЧОК) в Зоне (30)
2
2
4
2
[0070] Второй окислитель (36), чистый или смешанный, добавляется ниже нагретой мембраны (32) в зоне ЧОК (30) для получения температуры частичного окисления выше 900°С, более предпочтительно выше 1000°С, более предпочтительно до 1250°С для предотвращения шлакования и выше 1250°С или температуры плавления золы для шлакования. Пары пиролиза (26) проходят через направленные под наклоном вверх газоотводящие каналы (34) из пиролизной зоны и частично окисляются вторым чистым окислителем для превращения паров пиролиза в неочищенный синтез-газ (38), состоящий преимущественно из СО, СО и Н, с более низкой концентрацией СН и таких инертных веществ как N и Аr и существенно сниженной концентрацией смолы. Состав инертных веществ в неочищенном синтез-газе (38) зависит, главным образом, от состава и качества окислителя.
2
2
2
2
2
2
2
2
[0071] Чистым или смешанным окислителем может быть воздух (содержащий азот), обогащенный воздух (содержащий азота меньше), О относительно высокой чистоты (>85 вес. % О, предпочтительно более 95 вес. % и еще предпочтительнее более 98 вес. %, во избежание проблем из-за неэффективной очистки от инертных веществ), воздух или О смешанный с СО и/или паром (НО). СО и НО могут предварительно смешиваться со вторым окислителем и использоваться в зоне ЧОК для контроля температуры, если используется О или обогащенный воздух. При необходимости, внешний метан СЩ также может смешиваться с окислителем для добавления тепловой энергии для контроля температуры зоны ЧОК.
СТАДИЯ 3: Эндотермическое восстановление в зоне (40):
2
2
[0072] Равномерный слой пиролизного остатка (28) равномерной толщины (d) и ширины (h), когда объемная скорость потока неочищенного синтез-газа постоянна, а падение давления небольшое и последовательное, максимально увеличивает преимущества и эффект эндотермической реакции в зоне восстановления. Пары неочищенного синтез-газа (38), обогащенные СО и/или паром (НО) и содержащие пониженную концентрацию смол, контактируют с равномерным горячим слоем (28) золы/полукокса, обогащенных углеродом, в результате чего происходят следующие реакции с образованием усиленного синтез-газа (49):
2
С + СО→2СО (1) ΔН= +13,369 кДж/кг
2
2
С + НO→СО+Н (2) ΔН= +9,846 кДж/кг
2
2
2
2
2
2
2
2
[0073] Высокая температура неочищенного синтез-газа при ЧОК обладает достаточной физической энтальпией, СО и/или НО для проведения эндотермических реакций карбонизации. Более высокие концентрации сырья и различные количества СО и пара (НO) могут быть добавлены во второй окислитель на стадии 2 для оптимизации реакций (1) и (2) на стадии 3 и максимальной конверсии углерода из полукокса. В окислитель также можно добавить объемы СО и НО, превышающие стехиометрические уровни, для охлаждения зоны ЧОК до температуры ниже 1250°С, если в качестве окислителя используется концентрированный О, с низким или нулевым уровнем N.
[0074] Неочищенный синтез-газ (38), с пониженным содержанием смол при температуре выше 900°С, направляется вниз по вертикали через равномерно распределенный слой полукокса (28) в восстановительной зоне. Это приводит к следующим весьма желательным результатам:
1. Неочищенный синтез-газ охлаждается благодаря эндотермическим реакциям (1) и
(2) до температуры ниже температуры зоны ЧОК. В некоторых вариантах температура усиленного синтез-газа, выходящего из зоны восстановления, составляет приблизительно 600°С или менее.
2. Неочищенный синтез-газ существенно очищается от всех оставшихся смол до усиленного синтез-газа без смолы, во избежание дальнейших проблем, связанных с закупоркой или засорением используемого далее оборудования.
3. Синтез-газа получается больше, что повышает общую эффективность конверсии углерода и эффективность холодного газа по предлагаемому способу.
4. Получается чистый усиленный синтез-газ с повышенной теплотворной способностью.
5. Содержание углерода в неочищенной золе или полукоксе значительно снижается, образуя обезуглероженный остаток, что позволяет безопасно использовать их в качестве удобрений или безопасно утилизировать.
6. Содержание углерода в золе можно дополнительно регулировать путем сокращения времени пребывания на стадии 3 специально для получения золы с углеродом, известной как углеродная зола, которая используется для промышленного производства брикетов или биоудобрения Биочар.
[0075] Как показано на Фиг. 1, чистый усиленный синтез-газ (49) при температуре приблизительно 600°С, существенно лишенный каких-либо смол и твердых частиц, концентрически проходит от восстановительной/эндотермической стадии и поднимается вертикально в канал, образованный оболочкой (60), где тепловая энергия от синтез-газа непрямо противотоком передается в обратной вертикальной последовательности на стадию пиролиза, еще более охлаждая неочищенный синтез-газ и обеспечивая энергией стадию пиролиза. Усиленный синтез-газ выходит из газификатора с температурой ниже 600°С, предпочтительно в диапазоне от 500°С до 600°С. Для обеспечения максимальной теплопередачи можно использовать любую форму усовершенствованной конфигурации теплообмена или средства, известного специалистам в данной области техники. Охлажденный усиленный синтез-газ (66) собирается наверху газификатора и передается для дальнейшей очистки и переработки. Чистый синтез-газ, существенно лишенный каких-либо смол, может использоваться в машинах для производства электроэнергии и/или химической продукции, такой как ДМЭ, метанол или таких продуктов синтеза Фишера-Тропша, как синдизель.
[0076] Изобретатели настоящего изобретения неожиданно обнаружили, что конфигурация разделительного элемента для направления неочищенного пиролизного остатка / полукокса в зону восстановления при наличии наклоненного перфорированного днища, одного или более отверстий, расположенных внутри/по центру перфорированного днища и отражателя, расположенного в центре зоны восстановления (см. Фиг. 2), приводит к образованию восстановительного слоя пиролизного остатка, равномерно распределенного по толщине (d) и ширине (h).
[0077] Равномерный слой обеспечивает критический равномерный перепад давления и распределение потока неочищенного синтез-газа из пиролизной зоны по всему слою остатка или полукокса, что обеспечивает равномерность потока и стабильное качество неочищенного синтез-газа и чистой золы.
2
2
[0078] Равномерный слой пиролизного остатка способствует эффективной эндотермической реакции между СО и НО в синтез-газе и углеродом, содержащемся в остатке пиролиза, а регулирование времени пребывания в зоне восстановления и объемной скорости потока синтез-газа в условиях эндотермической реакции со снижением риска каналообразования приводит к образованию неочищенного синтез-газа, существенно лишенного смолы, снижению содержания углерода в пиролизном остатке, снижению температуры неочищенного синтез-газа по сравнению с температурой зоны частичного окисления.
[0079] В некоторых вариантах, синтез-газ, существенно лишенный смолы, содержит менее 200ррm смолы. В некоторых вариантах смолы содержится менее 100ррm, в других вариантах - менее 50ррm. В некоторых вариантах синтез-газ, существенно лишенный смолы, содержит менее 10ррm смолы.
[0080] В варианте, когда на Стадии 2 устанавливается температура выше температуры плавления золы, обычно выше 1200°С, образуется жидкий шлак, который может быть отделен, охлажден и превращен в стекло, которое не выщелачивается и безопасно утилизируется обычными методами. Зола в любой форме удаляется из газификатора и охлаждается для хранения и утилизации.
[0081] Как показано на Фиг. 4, в газификаторах известного уровня техники без отражателя в центре днища зоны восстановления (142), образовывался неровный слой полукокса (128). Из-за очень большого угла откоса падающего осадка пиролиза/полукокса (124) разница высот между центральной частью восстановительного слоя и периферийными частями настолько велика, что неочищенный синтез-газ просто проходит по пути наименьшего падения давления и эффект восстановления исчезает. Как показано на Фиг. 4, потери давления газа в критическом количестве неочищенного синтез-газа (138), проходящего через центральную часть восстановительного слоя, куда входят большая часть газов или все газы, значительно ниже, чем на краю, и газ, проходящий через него, не сможет пройти через эндотермическую реакцию для достижения желаемых результатов в виде усиленного синтез-газа и обезуглероженного пиролизного остатка.
[0082] На Фиг. 5 изображен другой газификатор известного уровня техники, который включает гомогенизационный цилиндр (148) в центре днища зоны восстановления. Однако такое расположение также не приводит к получению слоя полукокса равномерной толщины и способствует каналообразованию синтез-газа, что приводит к нежелательным результатам. Как видно из этого фигуры, неочищенный пиролизный остаток (124) падает, образуя значительный угол откоса и неровный слой [128], что также приводит к неэффективной восстановительной реакции, приводящей к снижению качества синтез-газа (149) и пиролизного остатка (152).
[0083] Типичное сырье (12) может включать щепу, гранулированную, измельченную или механически обработанную древесину, строительные древесные отходы, уголь, нефтяной кокс, древесные отходы лесозаготовок с зеленым ветками и корой или без них, твердый шлам сточных вод, раздельные твердые бытовые отходы (ТБО), топливо из контролируемых твердых отходов (ТТО), состоящее из особых видов пластика и биомассы, сельскохозяйственные отходы или любые их смеси или комбинации указанных выше материалов. Теплотворная способность этих материалов варьируется от 3000 до 6000 БТЕ/фунт для ТБО, до 7000 БТЕ/фунт для ТТО, до 7000 БТЕ/фунт для древесной щепы, до 10000 БТЕ/фунт для угля, и до 13000 БТЕ/фунт для нефтяного кокса. В другом варианте жидкие или твердые углеродсодержащие материалы могут напыляться на биотопливо, покрывать или пропитывать его для улучшения способа газификации. Все виды сырьевой биомассы (12) могут иметь влажность от 0 до 50 вес. %, поэтому тепло, вырабатываемое газификатором, используется для сушки материалов до 5-15 вес. %, предпочтительно до 10-12 вес. % перед подачей в газификатор. Встроенные средства сушки (14), использующие избыточную тепловую энергию низкого уровня, вырабатываемую в процессе газификации биомассы, повышают общий термический кпд установки. Содержание влаги в биомассе может колебаться в зависимости от времени года. Размер биомассы обычно составляет от +1 мм до -100 мм, что, как хорошо известно специалистам в данной области техники, обеспечивает благоприятные условия для погрузо-разгрузочных и разливочных работ, производимых с материалами.
[0084] Физические размеры и форма каждой стадии и зоны процесса газификации могут варьироваться и регулироваться специалистами в данной области техники и могут быть или не быть физически одинаковыми для каждой стадии. Главное, чтобы стадии и зоны были выполнены в правильной последовательности или, что более предпочтительно, в правильной вертикальной последовательности для достижения желаемых результатов, как это было раскрыто в описании.
[0085] Способ газификации биомассы может осуществляться в отдельных емкостях или группах емкостей или, что более предпочтительно, в одной емкости, если соблюдаются последовательность способа и вертикальная последовательность потока в соответствии с раскрытым описанием, позволяющим получить желаемое, отличающееся новизной, исполнение способа.
[0086] Способ может работать под любым давлением для обеспечения экономической интеграции с последующими процессами или способ газификации биомассы должен быть соответствующим образом оснащен средствами сжатия синтез-газа. Например, способ может работать в условиях от слабого вакуума до давления, близкого к атмосферному для производства электроэнергии, где используется вентилятор нагнетателя чистого синтез-газа для создания давления от 1 до 10 фунт/кв. дюйм для подачи в генераторы синтез-газа, приводящие в действие электрогенераторы. В другом примере способ газификации биомассы может работать при давлении от 10 до 100 фунтов /кв. дюйм, подавая синтез-газ в подходящий газовый компрессор, хорошо известный специалистам в данной области техники, для повышения давления до 300-500 фунтов /кв. дюйм для проведения процесса в установке Фишера-Тропша, используемом для производства синтетических продуктов, таких как синдизель.
[0087] Для удаления мелких частиц из неочищенного синтез-газа добавляются и другие функции, например различные операции, включая производимые с помощью устройств по очистке синтез-газа, например, высокоэффективным высокотемпературным сепаратором твердых частиц или керамическим фильтром. Для осуществления способа эти функции могут быть интегрированы непосредственно в газификатор или установлены непосредственно за ним.
[0088] Очевидно, что приведенные выше варианты осуществления изобретения являются примерами и могут быть самыми разными. Такие нынешние или будущие изменения не должны рассматриваться как отклонение от сущности и объема изобретения, и все изменения, которые были бы очевидны для специалиста в данной области техники, должны быть включены в объем следующих пунктов формулы.