РЕАКТОРЫ ПЛАЗМЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ С МОДИФИЦИРОВАННЫМИ УГЛЕРОДНЫМИ СЛОЯМИ И ПОНИЖЕННОЙ ПОТРЕБНОСТЬЮ В КОКСЕ
PLASMA ARC GASIFICATION REACTORS WITH MODIFIED CARBON LAYERS AND COKE CONSUMPTION

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение относится к реакторам, которые могут применяться для газификации или витрификации самых разнообразных материалов и которые имеют реакционные слои из углеродсодержащего материала. Реакторы плазменной газификации являются одной из форм таких реакторов, к которым изобретение может быть применимо.
Уровень техники
[0002] Данный уровень техники представлен, чтобы дать краткое описание общего контекста изобретения.
[0003] Реакторы плазменной газификации (иногда называются РПГ) представляют собой тип пиролитического реактора, известный и применяемый для переработки любого широкого спектра материалов, включающих, например, металлический лом, опасные отходы, другие муниципальные или промышленные отходы и материал со свалок, и растительные отходы или биомассу, для получения полезного материала, например металлов или синтез-газа («сингаза»), или для витрификации нежелательных отходов для облегчения утилизации (в настоящем описании выражения «реактор плазменной газификации» и «РПГ» используются для обозначения реакторов одного и того же общего типа, применяемых для газификации или витрификации, или и того и другого. Если из контекста не следует иное, употребляемые в настоящем документе термины, такие как «газификатор» или «газификация», могут пониматься как применяемые альтернативно или дополнительно к терминам «витрификатор» или «витрификация», и наоборот).
th
[0004] РПГ и их различные применения описаны, например, в Industrial Plasma Torch Systems, Westinghouse Plasma Corporation, Descriptive Bulletin 27-501, опубликованном в или к 2005 году; в работе Dighe, опубликованной в Proceedings of NAWTEC16, May 19-21, 2008 (Extended Abstract #NAWTEC16-1938) под заголовком «Plasma Gasification: A Proven Technology»; в работе Willerton, опубликованной в Proceedings of the 27 Annual International Conference on Thermal Treatment Technologies, May 12-16, 2008, при финансовой поддержке Air & Waste Management Association, озаглавленной «Plasma Gasification - Proven and Environmentally Responsible» (2008); в патенте США 7632394, Dighe et al., опубликованном 15 декабря 2009 года, озаглавленном «System and Process for Upgrading Heavy Hydrocarbons»; заявке на патент США от Dighe et al., регистрационный номер 12/157751, поданной 14 июня 2008 и озаглавленной «System and Process for Reduction of Greenhouse Gas and Conversion of Biomass» (опубликованная патентная заявка 20090307974 от 17 декабря 2009), и в патентной заявке Dighe et al., регистрационный номер 12/378166, поданной 11 февраля 2009 года, озаглавленной «Plasma Gasification Reactor» (опубликованная патентная заявка 20100199557 от 12 августа 2010), все указанные документы включены в настоящий документ посредством ссылки на их описания РПГ и осуществляемых на практике способов.
[0005] Известна установка и эксплуатация таких РПГ с углеродсодержащим слоем в нижней части реакционного сосуда, где данный слой оборудован плазменными горелками, которые поднимают температуру слоя (например, по меньшей мере, до примерно 1000°C) для термической реакции с добавляемым материалом, который подлежит газификации или витрификации. Хотя высказывались предположения, что углеродный материал для такого углеродсодержащего слоя может быть представлен множеством других углеродсодержащих материалов, в прошлом был сделан сильный упор на использование кокса для таких целей, поскольку он содержит около 90% чистого углерода и имеет химические, термические и прочностные свойства, которые благоприятны для многих процессов, осуществляемых в таких реакторах. «Кокс» является термином для обозначения продукта из ископаемого вида топлива, например угля или нефти, подвергнутого высушиванию, например, спеканием с удалением летучих компонентов.
[0006] В то время как углеродсодержащий слой является важным компонентом в работе РПГ, другая известная разновидность реактора газификации представляет собой газификатор, использующий углеродсодержащий слой (кокса), но без использования плазменных горелок. Углеродсодержащий слой такого реактора выполняет все те же самые функции, что и в РПГ применительно к распределению газов и движению расплавленных материалов. Однако, в дополнение к этому, углеродный слой служит также для обеспечения тепловой энергии для газификации, которая иначе обеспечивалась бы плазменной горелкой. Углеродсодержащий слой такого реактора может быть первоначально активирован до температуры газификации, например, кратковременным воспламенением природного газа, подаваемого к слою.
[0007] Один из желательных критериев углеродсодержащего слоя РПГ и других реакторов заключается в том, что он состоит из частиц достаточно неправильной формы, чтобы оставлять пустоты, позволяющие газам поступать к поверхности частиц, где происходят реакции, и газообразным продуктам реакции подниматься из слоя. Пустоты также позволяют расплавленным металлам и другим жидкостям, образующимся в результате процесса, осуществляемого в реакторе, стекать вниз к выходному отверстию для металла и шлака. Пустоты слоя и пористость частиц слоя могут способствовать желательным реакциям и характеристикам потока. Кокс позволяет сформировать такой слой и имеет достаточную прочность частиц для многих процессов, исключающую разрушение во время работы под весом рабочего материала, помещаемого наверх слоя.
[0008] Несмотря на удовлетворительные результаты, которые кокс очень часто обеспечивает, иногда бывает, что такие факторы, как стоимость кокса и озабоченность влиянием на окружающую среду его производства и применения, поскольку кокс является ископаемым топливом, могут препятствовать или ограничивать его применение в некоторых процессах на некоторых реакторных площадках.
[0009] В известном уровне техники патента США 4828607, опубликованного 9 мая 1989 Dighe et al. и озаглавленного «Replacement of Coke in Plasma-Fired Cupola», описан способ, который включает предоставление угля вместо кокса, хотя он также является ископаемым топливом, вместе с металлоломом и флюсующим материалом в работающую на плазме купольную печь для производства железа или ферросплавов. Это свидетельствует о довольно давнем интересе к минимизации использования кокса в таких вариантах практического применения, хотя кокс по-прежнему остается единственной формой углеродного материала, который широко используется в действующих реакторах с углеродсодержащими слоями. Древесина или древесная продукция (например, древесный уголь) являются общеизвестными источниками углерода, но не находят практического применения в качестве значимой замены кокса в пиролитических реакторах.
Сущность изобретения
[0010] В данном разделе кратко охарактеризованы некоторые аспекты изобретения. Предполагается, что сделанные утверждения имеют в целом информативный характер в отношении примеров изобретения, хотя и не определяющий, как прилагаемая формула изобретения.
[0011] В изобретении предлагаются в различных формах и с помощью разных способов реакторы и углеродсодержащие слои, которые требуют меньше кокса, чем это обычно было в прошлом. Требуемый углерод может быть получен, по меньшей мере частично, за счет углеродсодержащих альтернатив коксу. Примеры включают слои, которые имеют по меньшей мере примерно 25% содержания углерода (оно может быть значительно больше, до 100%) в слое, выполненном из некоксовых компонентов, которые могут быть деревянными брусками из природной древесины и/или блоками, содержащими углеродсодержащие частицы или пыль и одно или несколько связующих веществ и, возможно, катализатор. Любые такие материалы могут использоваться в слое, также включающем кокс (хотя кокс может быть полностью заменен в некоторых случаях практического применения). Углерод слоя может дополнительно включать, при необходимости, например, при включении в загружаемый в углеродсодержащий слой материал, другие некоксовые материалы, такие как сырой уголь (антрацит или битуминозный уголь), древесный уголь, или перерабатываемые материалы, включающие биомассу (любые углеродсодержащие материалы).
[0012] Некоторые варианты осуществления изобретения используют преимущество и применяют углеродный материал, получаемый в виде отходов любого из множества других процессов (например, вынос из любого реактора газификации, зольная пыль из бойлеров, работающих на каменном угле, а также другие), что вносит вклад в снижение потребности в коксе в слое. Во-первых они могут выгодно использоваться в виде частиц или пыли при изготовлении указанных выше блоков. Такие углеродные отходы можно также включать в подаваемое в реактор сырье без формирования в блоки.
[0013] В связи с использованием указанных здесь поступающих извне углеродных отходов, не имеет значения, были ли данные атомы углерода когда-либо прежде в какой-либо форме кокса. Таким образом, примеры слоев, включающих в себя некоксовые компоненты, такие как деревянные бруски и блоки с углеродным материалом, обычно подразумевают, что углеродный слой имеет такие некоксовые компоненты в диапазоне примерно от 25% до 100% и примерно от 0% до 75% кокса (имеются в виду содержания атомов углерода в соответствующих материалах), где некоторое количество из этих 0-75% кокса может быть заменено углеродом загружаемых материалов (кроме указанных некоксовых компонентов) до, например, примерно 10% от общего содержания углерода. В некоторых способах может быть предпочтительно запускать реактор со слоем кокса, как это использовалось прежде. По мере продолжения работы после пуска и расходования кокса могут добавляться все большие количества некоксовых компонентов.
[0014] Полагают, что углеродсодержащие слои с некоксовыми компонентами приведенных выше примеров подходят для использования во множестве пиролитических способов. Просто в качестве более конкретного примера, они подходят для использования в способе газификации биомассы или муниципальных отходов в РПГ с получением сингаза, но не ограничиваются этим.
[0015] Некоксовые компоненты имеют различную или неправильную форму и размер, чтобы оставлять пустоты в слое, которые необходимы для поступления газов к местам реакции с углеродом, подъема внутри слоя и выхода из слоя. Кроме того, пустоты дают возможность жидкостям, включая расплавленный шлак и расплавленные металлы, опускаться через слой к выпускному отверстию на дне.
[0016] Полагают, что указанные некоксовые компоненты превосходят коксовые альтернативы, такие как антрацитовый уголь или древесный уголь, в качестве значимых составляющих слоя в достижении лучших свойств, приближающихся к свойствам кокса по эффективности реакций при сохранении прочности для поддержания рабочего материала без разрушения, которое обычно приводит к закрыванию пустот в слое и затрудняет протекание желательных реакций и поток расплавленного шлака и металлов через слой. Традиционные брикеты древесного угля для приготовления пищи считаются относительно слабыми по прочности по сравнению с коксом или представленными здесь некоксовыми компонентами.
[0017] Кроме того, неуглеродные компоненты в материалах, замещающих кокс (т.е. указанных брусках или блоках), могут быть разработаны с возможностью быть полезными добавками в способах газификации и/или витрификации. Древесина, например, обычно содержит примерно 35-40% масс. кислорода, который может заменить часть окислителя, подаваемого в газификатор в виде газа. Кроме того, в процессах витрификации или газификации, в которых подаваемое сырье содержит инертные материалы, которые выйдут из процесса в виде шлака, добавки, которые необходимы для флюсования или модификации инертных материалов с образованием желаемого химического состава шлака, могут вместо этого добавляться в композицию блока вместе с источником углерода. Например, одно или более связующих в блоках могут быть выбраны, чтобы удовлетворять потребности в этих добавках, при этом связующие цементного типа, как правило, будут обеспечивать кальций для флюсующих свойств, тогда как силикатные связующие будут служить в качестве модификаторов химического состава шлака.
[0018] В практических применениях для плавки металлов, где химический состав шлака является неотъемлемой частью химического состава конечного металла, композиция блока может быть разработана с возможностью включения шлакообразующих ингредиентов, что приводит к уменьшению потребности в отдельной подаче этих ингредиентов и обеспечивает более тесный контакт данных материалов с углеродным восстановителем.
[0019] В дополнение к вышеизложенному, настоящее изобретение включает в себя, или в дополнение, или независимо от использования указанных некоксовых компонентов, различные другие способы конструирования или эксплуатации реактора, которые могут способствовать уменьшению количества кокса, требуемого для углеродного слоя (а также потреблению некоторых материалов, в других случаях попадающих в отходы). Они включают любое из перечисленного ниже.
[0020] Использование отработанного футеровочного материала алюминиевой промышленности. Графитовая оболочка футеровки имеет очень высокое содержание углерода. Ее соединяют с огнеупорным материалом, таким как керамика. Отработанный футеровочный материал включен в перечень опасных отходов, которые трудно или дорого утилизировать. По настоящему изобретению существует ряд способов использования этого материал в углеродных слоях реактора. Углерод может применяться в виде частиц в указанных выше блоках (как и любой другой углеродсодержащий материал), но футеровочный углеродный материал также может использоваться в частицах или кусках, которые заменяют кокс в слое. Огнеупорная часть футеровки (иногда доступна от производителей алюминия, вместе с графитовой оболочкой или отдельно) может быть помещена в частицах или кусках, или в блоках, или иным образом в слой в дополнение к углероду и являться полезной шлаковой добавкой (при использовании в количестве, которое отвечает потребностям в композиции для реакций, протекающих в слое).
[0021] Обеспечение реактора с поддержкой загрузочного слоя (или слоя подачи), которая также является распределителем газа и шлаковым экраном. Эта поддерживающая решетка может быть помещена горизонтально поперек внутреннего объема реактора ниже одного или нескольких основных загрузочных желобов и выше зоны, в которой образуется нагретый плазмой газ. Решетка в некоторых вариантах осуществления имеет близко расположенные элементы решетки из огнеупорного материала с охлаждением для увеличения срока службы, например, с помощью внутренних каналов для водяного охлаждения внутренней части элементов решетки. Эксплуатация реактора проводится таким образом, что охлаждение позволяет огнеупорному материалу сохраняться в течение достаточного периода времени, но без закупоривания щелей или других отверстий решетки остывающим шлаком или металлом внутри них. Поток горячего газа из зоны под решеткой через отверстия решетки будет газифицировать материал загрузочного слоя наверху решетки, и образующийся в результате шлак из газифицированного материала загрузочного слоя будет стекать вниз через отверстия (в данном конкретном примере очень небольшое количество (если имеется) негазифицированного материала загрузочного слоя будет проходить через маленькие отверстия решетки). Такая конструкция позволяет использовать меньшее количество материала углеродного слоя (кокса или другого), а также варианты осуществления желательных реакторов и их эксплуатацию без углеродного слоя. Кроме того, и в более общем плане, любая опора для материала загрузочного слоя над углеродным слоем, в том числе опора с отверстиями, которая позволяет сколько-нибудь заметному количеству, но не всему материалу загрузочного слоя падать на углеродный слой, будет опять же, до некоторой степени, уменьшать давление загрузочного слоя на углеродный слой и, следовательно, уменьшает прочность материалов углеродного слоя, необходимую для поддержки загрузочного слоя. Это, в свою очередь, позволяет выбирать из более широкого диапазона частиц углеродного материала или некоксовых компонентов, в том числе из тех, которые могут не обладать прочностью частиц кокса.
[0022] РПГ с инновационными подающими устройствами, выполненными с возможностью увеличения подачи отличных от кокса загружаемых материалов, которые могут работать относительно непрерывно и надежно. Примером в данной категории является использование эжектора для инжекции углеродной пыли в углеродный слой.
[0023] Другие конфигурации реактора, которые могут способствовать снижению расходования углерода в слое, например, позволяющие работать при более низкой температуре в сопле плазменной горелки. РПГ, сконструированный с одним или несколькими загрузочными желобами на высоте не более чем чуть выше верхнего уровня загрузочного слоя, является разновидностью реактора общего назначения, а также имеет возможность при необходимости работать при более низкой температуре слоя. В ряде случаев реакторы эксплуатируют с целью газификации загружаемых материалов, которые являются неуплотненными и представляют собой частицы, имеющие различный размер и массу (например, измельченная биомасса или муниципальные отходы, включая бумажную продукцию). Более высокое процентное содержание легких частиц загружаемого материала может взаимодействовать с горячими газами, поднимающимися от загрузочного слоя, когда загрузочные желоба находятся близко к поверхности загрузочного слоя (или под ней), в большей степени, чем в предшествующей практике, при которой загрузочные желоба располагались намного выше над загрузочным слоем в верхней части реактора, и когда большее количество более легких частиц загружаемого материала не опускалось в достаточной степени, чтобы достичь достаточно горячих газов для реакции. В этом случае большой процент легких частиц может выходить из реактора с отходящим газом. В новой конструкции любые легкие загружаемые материалы, которые не опускаются непосредственно на загрузочный слой, более определенно плавают непосредственно над загрузочным слоем и достигают высокой температуры от газов, поднимающихся из близкорасположенного загрузочного слоя, в силу чего происходит их газификация. Это способствует образованию доменного газа или сингаза в реакторе и позволяет понизить требования к углеродному слою, пока температура углеродного слоя остается по-прежнему достаточной для поддержания потока расплавленного шлака. Данная конструкция может быть применена, в качестве примера и без ограничения, там, где реактор также имеет, примерно на такой же высоте, что и поверхность загрузочного слоя и загрузочные желоба, одно или несколько газовпускных отверстий для кислорода (воздуха), который участвует в реакциях с плавающим загружаемым материалом и регулируется, чтобы способствовать образованию монооксида углерода из данного загружаемого материала.
[0024] Углеродные слои, описанные в приведенных выше примерах, обычно применяются в реакторах газификации (или витрификации) с неподвижным или стационарным слоем, но не обязательно ограничиваются ими, поскольку они могут также применяться в реакторах с кипящим слоем. В дополнение к этому, углеродсодержащие слои других термических реакторов, кроме РПГ, можно аналогичным образом модифицировать для уменьшения потребности в коксе.
[0025] Изложенное выше является только кратким описанием некоторых аспектов отдельных примеров изобретения.
Краткое описание чертежей
[0026] На фиг.1 представлен вид сбоку, частично в разрезе, примера реактора плазменной газификации в соответствии с изобретением.
[0027] На фиг.2 представлен частичный вид сбоку примера углеродсодержащего слоя.
[0028] На фиг.3 представлен вид сбоку примера слоя с некоксовыми деревянными брусками.
[0029] На фиг.4 представлен вид сбоку примера слоя с некоксовыми углеродсодержащими блоками.
[0030] На фиг.5 представлена блок-схема установки, которая является одним из примеров использования некоксового углерода в РПГ.
[0031] На фиг.6 представлен частичный вид сбоку в разрезе РПГ с примером пластины или решетки, поддерживающей загрузочный слой.
[0032] На фиг.7A и 7B представлены соответственно вид сверху и в плане примера РПГ с загрузочными желобами на или вблизи верхней части загрузочного слоя; и
[0033] На фиг.8 представлена принципиальная схема примера установки для инжекции частиц или пыли в слой углерода газификатора.
Дальнейшее описание вариантов осуществления
[0034] На фиг.1 представлен пример РПГ общего назначения для газификации и витрификации различных перерабатываемых материалов. Одним из способов работы такого РПГ является газификация материала для получения сингаза из загружаемого материала. Загружаемый материал может содержать, в качестве примеров, любой или несколько из таких материалов, как биомасса, муниципальные твердые отходы (МТО), уголь, промышленные отходы, медицинские отходы, опасные отходы, шины и зола инсинератора. Сингаз может содержать подходящие количества водорода и монооксида углерода для последующего использования в качестве топлива.
[0035] Реактор на фиг.1, показанный по всей высоте в левой половине, и в вертикальном разрезе - в правой половине, имеет реакционный сосуд 10, обычно из стали с огнеупорной футеровкой (футеровка не показана на чертеже специальным образом), главные части которого включают в себя или содержат углеродсодержащий слой 20, выше которого находится зона загрузочного слоя 30 для перерабатываемого материала, такого как биомасса, с зоной 40 свободного пространства 40 над загрузочным слоем 30, причем зона свободного пространства простирается до свода 50.
[0036] Часть реакционного сосуда 10, вмещающая углеродсодержащий слой 20, имеет одно или несколько (обычно от двух до четырех) сопел 22 (иногда альтернативно называются патрубками или фурмами) для помещения такого же числа плазменных горелок 24 (не показаны подробно) для инжекции нагретого плазмой высокотемпературного газа в слой 20. Плазменные сопла 22 дополнительно могут быть выполнены с возможностью введения дополнительного перерабатываемого материала, который может потребоваться, такого как газ или жидкость (например, пар) или некоторые твердые микрочастицы, для реакций внутри слоя 20 вместе с материалом загрузочного слоя 30 (такой дополнительный перерабатываемый материал может также добавляться непосредственно в слой 20 с помощью сопел, не имеющих плазменной горелки). Реакционный сосуд 10 также имеет в донной части выпускное отверстие 26 для расплавленного шлака и расплавленного металла.
[0037] Часть реакционного сосуда 10, которая окружает загрузочный слой 30 и находится над углеродсодержащим слоем 20, дополнительно включает в себя несколько дополнительных сопел или фурм 32, которые обычно не содержат плазменных горелок, но предусмотрены для введения при необходимости в загрузочный слой 30 дополнительного перерабатываемого материала, например, в виде газа, жидкости или твердых микрочастиц.
[0038] Верхняя загрузочная зона или зона 40 свободного пространства реакционного сосуда сконструирована с одним или несколькими загрузочными желобами 42 для перерабатываемого материала. Здесь один загрузочный желоб 42 показан в боковой стенке. В целом один или несколько загрузочных желобов могут находиться в любых местах в боковой стенке реакционного сосуда 10 или свода 50 для закладки загружаемого материала первоначально на углеродсодержащий слой 20, а также во время работы реактора для добавления в загрузочный слой 30, поскольку его перерабатываемый материал сокращается за счет реакций, которые происходят в реакторе.
[0039] Свод 50 закрывает верхнюю часть реакционного сосуда 10, за исключением одного или нескольких выпускных отверстий 52 для газообразных продуктов реакции (например, сингаза), выходящих из реакционного сосуда 10. Отверстия для выхода газа могут быть предусмотрены в разных местах, или в своде 50 или в боковой стенке реакционного сосуда 10. По меньшей мере там, где загружаемый материал, поступающий по любым загрузочным желобам, содержит микрочастицы, обычно желательно помещать любые выпускные отверстия 52 для газа достаточно далеко от места введения загружаемого материала, чтобы исключить чрезмерный вынос непрореагировавших пылевидных веществ через выпускные отверстия для газа.
[0040] Конфигурация РПГ, показанная на фиг.1, в целом соответствует примеру варианта осуществления совместно рассматриваемой заявки Dighe et al., с регистрационным номером 12/378166, поданной 11 февраля 2009 года, опубликованной патентной заявки 20100199557 от 12 августа 2010, который, среди прочего, включает в целом вверх и непрерывно расширяющуюся коническую стенку 12 реакционного сосуда 10, которая может обеспечить благоприятные характеристики потока газа в загрузочном слое 30 и в зоне 40 свободного пространства. Указанная заявка включена в настоящий документ посредством ссылки из-за описания конфигураций реактора, включая их варианты, показанные на фиг.1, и их работы. Настоящее изобретение, однако, не ограничивается реакторами с такими конфигурациями.
[0041] В применении на практике РПГ и в применении на практике других типов пиролитических реакторов с углеродсодержащим слоем по меньшей мере почти всегда использовался слой, состоящий практически полностью из кокса. Уголь иногда смешивали с коксом, но какой-либо другой углеродсодержащий материал был очень незначительным и случайным в конструкции и работе реактора. Кокс имеет состав с высоким содержанием углерода (около 90% масс.), он может быть сформован в различные формы и размеры, так что частицы кокса, например, со средними размерами поперечного сечения около 10-15 см могут иметь достаточные углеродные поверхности для реакций, обеспечивать пустоты для восходящего потока газа и нисходящего потока жидкостей и прочность, достаточную для сохранения пустот во время работы. Распределение полного размера или разброс частиц углеродного слоя с коксом предпочтительно составляет от более чем примерно 5 см, для предотвращения слишком малого размера пустот для надлежащего потока жидкости, до менее чем примерно 25 см, для сведения к минимуму проблем перемещения материала. Адекватные пустоты для потока жидкости могут сохраняться там, где примерно до 10% углерода в слое 20 представлено более тонкими частицами углерода (например, инжектированными непосредственно в слой 20).
[0042] В РПГ фиг.1 углеродсодержащий слой 20 (далее иногда называется «С-слой») в значительной степени содержит некоксовый материал, например, по меньшей мере примерно 25% от атомов углерода слоя содержится в некоксовых компонентах во время по меньшей мере некоторых операций. По этой причине на фиг.1 углеродсодержащий слой 20 дополнительно обозначен подписью «C-слой с некоксовыми компонентами».
[0043] Примеры некоксовых материалов для использования в качестве по меньшей мере части слоя 20 представляют собой бруски из природной древесины и также блоки, включающие частицы углеродсодержащего материала с одним или несколькими связующими веществами. Некоксовые материалы формуют в частицы или компоненты неодинакового размера и формы, так что при помещении или компоновке в слое они имеют открытые поверхности, обусловленные пустотами, которые появляются между некоторыми их частями. Некоксовые компоненты слоя 20, как правило, имеют те же самые размеры, что и частицы кокса для слоев реактора, как отмечалось выше, но не ограничиваются этим.
[0044] Исходный углеродсодержащий слой 20 РПГ, такой как на фиг.1, обычно помещают в донной части реакционного сосуда 10 перед эксплуатацией реактора с загружаемым материалом или включением плазменных горелок. Затем, когда исходный слой 20 находится на месте, начинается работа с активными плазменными горелками 24 и закладка загружаемого материала с образованием загрузочного слоя 30. Большинство таких процессов являются практически непрерывными в течение периода времени по меньшей мере в несколько часов при использовании дополнительного загружаемого материала, поступающего возможно непрерывно или по меньшей мере в виде частых порций. Реакция нагретого плазмой газа с С-слоем 20 по существу расходует углерод из С-слоя. Однако скорость, с которой углерод в донном углеродном слое 20 расходуется, оказывается значительно ниже, чем скорость, с которой газифицируется загружаемый материал. Таким образом, исходный С-слой 20 требует только незначительного добавления углеродного материала в процессе переработки гораздо большего количества загружаемого материала. Некоторые аспекты добавления углеродного материала в исходный С-слой описаны ниже.
[0045] Типичные операции, такие как производство сингаза, включают образование загрузочного слоя 30 над С-слоем 20 путем закладки сырья через загрузочные желоба 42, при этом сырьем может быть, например, биомасса, муниципальные отходы, уголь или их смеси. Во время или после образования исходного загрузочного слоя 30, который простирается над дополнительными соплами 32, эти сопла используются для инжекции флюидов, таких как воздух, кислород или пар, в загрузочный слой 30, в то время как плазменные горелки 24 работают с факельным газом, таким как воздух, и, возможно, с некоторым количеством пара или другого флюида, или мелкие частицы твердых веществ инжектируются в С-слой 20 через сопла 22.
[0046] Для получения сингаза, выходящего через выпускные отверстия 52, желательно работать таким образом, чтобы производить монооксид углерода и водород. В некоторой степени может образовываться углекислый газ, но монооксид углерода может быть предпочтительным в условиях, ограничивающих поступление воздуха или кислорода к углероду в реакторе.
[0047] Как указано выше, при такой работе реактор будет расходовать углерод С-слоя 20, и углерод желательно восполнять, чтобы количество углерода существенно не уменьшалось. Способ осуществления этого в прошлом для коксового слоя заключался в добавлении кокса к сырью загрузочного слоя над слоем кокса. Например, при получении сингаза из материала биомассы, кокс добавляли, например, в смеси или в альтернативных порциях с биомассой. Осуществлялись процессы, в которых количество такого добавленного кокса составляло до примерно 5% масс. от общего количества сырья, включая кокс.
[0048] Такое восполнение углерода также рассматривается, когда С-слой 20 должен включать описанный некоксовый материал. Следовательно, в соответствии с одним из вариантов осуществления, углеродный материал, подаваемый для восполнения С-слоя 20, может быть сходным по свойствам с исходным С-слоем с некоксовым материалом, и включает по меньшей мере примерно 25% добавляемого углерода из некоксовых материалов. В некоторых случаях, например, из-за более низкого содержания углерода некоксовых компонентов (по сравнению с коксом), которые могут использоваться, желательно, чтобы С-слой имел общее количество материала, большее, чем в предыдущей операции с одним только коксом, чтобы присутствовало эквивалентное количество атомов углерода в слое.
[0049] Описанные в данном документе усовершенствования С-слоя, такие как использование деревянных брусков или углеродсодержащих блоков в качестве некоторой части или всего слоя (вместо кокса), также могут применяться к С-слоям в реакторах без плазменных горелок. В таких реакторах С-слой можно первоначально активировать за счет воспламенения топлива, такого как природный газ, подаваемого в течение короткого времени, как ранее применялось на практике со 100% коксовым слоем такого реактора.
[0050] На фиг.2 показано увеличенное изображение только участка устройства фиг.1. С-слой 20 фиг.1 показан с некоторыми дополнительными подробностями, чтобы показать отдельные частицы 21 в слое 20 и пустоты 23, образующиеся в массе частиц 21 из-за разного размера и неправильной конфигурации частиц. Размер и форма частиц 21 могут значительно различаться. Так, например, частицы 21 могут иметь средние размеры в диапазоне от примерно 5 см до примерно 25 см, из которых размер примерно от 10 см до 15 см является примером среднего размера частиц кокса, и примерно от 10 см до 25 см является средним размером некоксовых частиц.
[0051] На фиг.3 показан дополнительный увеличенный участок С-слоя 120 с частицами 121 и пустотами 123, в том случае, когда частицы 121 представляют собой бруски из природной древесины.
[0052] Бруски из природной древесины или частицы 121 являются, например, отходами предыдущего производственного процесса, такого как производство деревянных паллет, или формируются специально для использования в С-слое 120. Как правило, нет необходимости сушить или обрабатывать частицы деревянных брусков (например, обугливанием любых участков их поверхности перед использованием в слое 120), хотя некоторое высушивание и/или обугливание может осуществляться при необходимости перед помещением в слой 120. Частицы 121 деревянных брусков могут добавляться к слою 120, который содержит частицы кокса, с перемешиванием материалов или без такового для получения какой-либо определенной степени однородности.
[0053] Древесина для деревянных брусков 121 может происходить из различных растений или деревьев. Древесина твердых пород, таких как дуб, является одним из подходящих древесных материалов. Такая древесина и деревянные бруски 121 имеют обычное содержание углерода примерно 50% масс.
[0054] На фиг.4 показан дополнительный увеличенный участок С-слоя 220 с частицами 221 и пустотами 223, где частицы 221 представляют собой блоки, образованные из углеродсодержащего измельченного материала (например, древесной щепы, углеродной пыли или смеси измельченного углеродсодержащего материала). Блоки 221 могут иногда называться «брикетами», но отличаются от обычных брикетов древесного угля, как объясняется далее.
[0055] Фиг.2-4 приводятся прежде всего, чтобы дать только общее представление о внешнем виде указанных частиц и пустот. Соответствующие С-слои 20, 120 и 220 не должны всегда полностью занимать донную часть реактора. Как правило, любой из углеродных слоев, обсуждавшихся для плазменного реактора, должен заходить по меньшей мере за местоположение плазменных горелок, таких как горелка, которая может быть расположена в плазменном сопле 222 фиг.4.
2
[0056] Блоки 221 фиг.4 могут быть сформованы без необходимости приложения какого-либо давления или тепла из смеси углеродных микрочастиц с одним или несколькими связующими веществами. Портландцемент является одним из подходящих связующих. Могут включаться другие составляющие, например, в качестве связующих, или в качестве разжижителей или стеклообразователей, и/или в качестве катализаторов. Некоторые примеры блоков 221 были сформованы из смеси, которая включала в приблизительных массовых процентах 40 частей углеродной пыли, 8 частей портландцемента, 4 части бентонитовой глины, 4 части песка (SiO), 12 частей силиката натрия и 32 части воды. Такие блоки были получены с содержанием углерода примерно 66% масс. в пересчете на сухое вещество.
[0057] Другие блоки 221 были сформованы из смеси, которая включала в приблизительных массовых процентах 23 части углеродной пыли, 21 часть портландцемента, 11 частей песка и оставшуюся часть (45 частей) воды.
[0058] Блоки 221 могут быть сформованы любого размера (сходного по общему размеру с частицами кокса) и формы, с характеристиками для обеспечения желаемых пустот в массе слоя. Не является обязательным менять размер или форму блоков, сформованных для использования в качестве частиц слоя, таких как частицы 221 фиг.4. При необходимости использование одного размера и формы изложницы может быть подходящим, а также экономически целесообразным. Цилиндрические (или сферические) компоненты одинакового размера будут сами по себе обеспечивать пустоты в слое. Компоненты различных размеров также могут быть изготовлены и использованы вместе, при необходимости, предпочтительно с распределением по размеру поперечного сечения примерно 5-25 см для большинства или всех компонентов и только с незначительным количеством любых меньших по размеру углеродсодержащих компонентов, которые имеют тенденцию заполнять пустоты.
[0059] Давление и/или тепло также являются подходящими средствами для формования блоков достаточной прочности при малом количестве или полном отсутствии связующих веществ. В общем случае и без ограничения, примеры блоков, сформованных с цементным связующим, являются предпочтительными, когда прочность блоков имеет важное значение.
[0060] Углеродные микрочастицы в блоках 221 могут быть «уносимыми» частицами из реактора газификации и таким образом представляют средство рециклирования углерода, в противном случае теряемого в способе, что приводит к увеличению утилизации углерода и, следовательно, повышенной эффективности. Уносимые частицы являются непрореагировавшими или частично прореагировавшими частицами, которые выходят из реактора с газами. Их в большинстве случаев желательно приводить к минимуму, но некоторое количество почти наверняка будет образовываться в результате любого процесса газификации. Уносимые частицы могут быть использованы в качестве части некоксового содержимого С-слоя в блоках или вводимого в реактор как часть загружаемого материала (в желобах, таких как 42, фиг.1) или иным образом (например, через плазменные сопла 24 или сопла 32 на фиг.1).
[0061] В целом, углеродные микрочастицы (или «пыль»), используемые при изготовлении блоков 221, являются частицами, имеющими средние размеры поперечного сечения в диапазоне от приблизительно одного микрона до одного сантиметра, и в совокупности имеют общий весовой процент углерода по меньшей мере примерно 50%. Указанный диапазон средних размеров не исключает частицы за пределами данного диапазона; частиц менее одного микрона могут быть вполне подходящими.
[0062] В процессах сжигания, включающих использование котлов и инсинераторов, также образуются уносимые частицы, такие как зольная пыль, и эти материалы могут содержать полезные количества углерода, которые могут служить в качестве источника углерода для блоков углеродного слоя. В дополнение к этому, свойства зольной пыли также являются преимущественными для процесса формования блоков, позволяя сократить требуемое количество цементных связующих на основе кальция.
[0063] Добавление в блоки 221 материалов, которые ведут себя как катализаторы, таких как никель или железо, но не ограничиваясь ими, является еще одним преимуществом блоков над использованием одного только кокса в качестве материала углеродного слоя. Таким образом, блок может быть создан для обеспечения не только функционального источника углерода для способа плазменной газификации и флюсующих добавок, необходимых для надлежащей витрификации инертных материалов, содержащихся в газифицируемом сырье, но также и катализаторов, вызывающих определенные желательные химические реакции.
2
2
[0064] Одним из примеров включения катализатора в блоки 221 является добавление никеля или железа в блоки порядка нескольких процентов по массе, чтобы катализировать реакцию C+NO для уменьшения содержания NO в сингазе с образованием N+О. Это особенно важно в биореакторах, преобразующих сингаз в жидкое топливо. Ранее такие катализаторы при использовании для уменьшения содержания NOx должны были добавляться с загружаемым материалом в загрузочный слой.
[0065] В следующей таблице приведены дополнительные примеры композиций некоксовых блоков, таких как блоки 221 фиг.4.
Таблица I
Составляющее
Диапазон% масс.
КомпозицияА
КомпозицияB
КомпозицияC
КомпозицияD
КомпозицияE
КомпозицияF
Углерод
40-95
65
70
60
41
45
80
Диоксид кремния
0-30
6,5
7-14
10
19
15
Карбонат кальция
0-25
Зольная пыль
0-40
10
20
Портландцемент
0-20
13
39
20
Калиево-силикатный цемент
0-20
8-14
20
Алюмо-силикатный цемент
0-20
5
Каолиновая глина
0-20
Натриевый бентонит
0-20
Кальциевый бентонит
0-20
5,5
5-6
15
Калиевый бентонит
0-20
Силикат натрия
0-20
10
Гидроксид алюминия
0-10
2-3
Никель
0-5
Железо
0-5
1
100
100
100
100
100
100
Содержания и диапазоны содержаний приводятся в приблизительных массовых процентах от общей композиции, которая смешивается при добавлении воды (по меньшей мере, достаточной для гидратации цемента). Углерод берется из микрочастиц или пыли, как описано выше. Связующие вещества включают цементы и глину или перечисленные бентонитовые материалы. Диоксид кремния является стеклообразующей добавкой. Карбонат кальция (известь) является флюсующей добавкой. Зольная пыль также имеет флюсующие свойства; она также способствует поступлению некоторого дополнительного углерода в смесь (типичная зольная пыль содержит около 5% углерода). Силикат натрия (или жидкое стекло) также является стеклообразующей добавкой. Гидроксид алюминия способствует связыванию. Дополнительные указанные составляющие представляют собой никель и железо, которые в случае применения служат, чтобы помочь не допустить выбросов NOx, как это было описано выше.
[0066] В первом столбце из диапазонов (до столбцов с композициями А-F) показан верхний предел от примерно 95% масс. для углеродных частиц, и минимальное значение 0% масс. для всех других перечисленных составляющих. Это указывает, что в каждой конкретной композиции любой из вспомогательных ингредиентов является по отдельности не обязательным, но по меньшей мере примерно 5% масс. одного или нескольких из них (например, связующих веществ) будет включено вместе с частицами углерода. Кроме того, следует понимать, что композиции A-F являются лишь примерами, не исключающими другие, соответствующие диапазонам, приведенным в первом столбце. Поэтому, например, другие композиции могут включать некоторое количество карбоната кальция, каолиновой глины, натриевого бентонита, калиевого бентонита и/или никеля, даже если композиции A-F не включают ни одной из этих составляющих.
[0067] Пример способа формования блоков заключается в сухом смешивании ингредиентов композиции, такой как композиция А, с последующим добавлением воды в массовом соотношении примерно одна часть воды к двум частям сухой смеси. Смесь помещают в изложницы желаемого размера и формы и позволяют схватиться и высохнуть на воздухе.
[0068] Некоторые примеры были изготовлены в изложницах, которые дают короткие цилиндры различных размеров. Частицы 221 на фиг.4 представляют такие цилиндрические компоненты, при этом выглядящие прямоугольными компоненты являются или могут быть цилиндрами, видимыми сбоку.
[0069] Еще один пример обработки заключается в сухом смешивании составляющих композиции, такой как композиция F из таблицы, которая имеет относительно высокое содержание углерода, с последующим запрессовыванием смеси в изложницах под давлением, достаточным для отверждения блоков в желаемую форму и размер, и далее помещении или подачи в реактор в сыром состоянии. Рабочая температура реактора вызывает быстрое отверждение блоков к их конечной композиции.
[0070] Любые известные технологии изготовления блоков могут применяться для получения некоксовых блоков, таких как блоки 221, и композиции обычно включают частицы углерода в одном или нескольких связующих веществах, подходящих для получения прочных компонентов наряду с необязательными содержаниями флюсующих добавок, стеклообразующих добавок и катализаторов, наподобие или аналогичных таким добавкам в углеродных слоях с коксом прежних реакторов.
[0071] «Углеродные частицы», называемые также составляющими блока, не должны на 100% состоять из атомов углерода, но характер частиц может влиять на количество используемого материала частиц. Древесная щепа содержит достаточное количество углерода для использования в блоках, но, наиболее вероятно, в большем количестве, чем уносимые частицы углерода.
[0072] Дополнительный набор композиций для блоков может заменить более чистые микрочастицы углерода на частицы древесины, которые могут варьировать в размерах от опилок до древесной щепы. В таких композициях общий состав может содержать до примерно 95 частей (% масс.) древесины с меньшими количествами других составляющих, указанных в приведенной выше таблице, в дополнение к древесине. В качестве дополнительного примера, конкретная композиция данного типа включает в себя 5 частей диоксида кремния, 15 частей портландцемента, 5 частей кальциевого бентонита и 75 частей древесины. Все должно быть смешано, возможно, с водой, и подвергнуто формованию или прессованию, как описано выше. В целом, относительное содержание связующего вещества (и выбор определенного связующего) будут определяться размером частиц древесины с целью повышения количества древесины, и следовательно, углерода в блоках. Частицы древесины и другой биомассы обычно имеют некоторое количество летучих компонентов, которые улетучиваются при нагревании блока с такими частицами. Это является благоприятным для пористости блока.
[0073] Очевидно, что другие композиции могут включать как частицы древесины, так и другие углеродные частицы в некоксовых компонентах, они могут подаваться в загрузочный слой 30 через загрузочный желоб, такой как загрузочный желоб 42 на фиг.1 или какой-либо другой, так же, как кокс в прошлом, и они будут (по меньшей мере почти полностью) оставаться неизрасходованными по мере опускания через загрузочный слой 30 к С-слою 20.
[0074] Любая из форм частиц-компонентов 21, 121 или 221, показанных на фиг.2, 3 и 4, представляет лишь некоторые подходящие примеры некоксовых компонентов, которые могут использоваться.
[0075] В качестве дополнительного пояснения примеров, любая из композиций, указанных выше, например, в обсуждении таблицы I, может быть изменена, чтобы включить частицы древесины (или другой биомассы), или другие углеродсодержащие материалы с другими элементами, вместо некоторых или всех более чистых углеродных частиц (например, угольной пыли), в этом случае композиция будет корректироваться, чтобы иметь сходное чистое содержание атомов углерода. В той степени, в которой древесина или другая биомасса используется вместо кокса или других минеральных источников содержания углерода, присутствует соответствующий отказ от использования ископаемого топлива.
[0076] Примером композиции, использующей частицы древесины в качестве источника углерода в блоках, является композиция, содержащая (в приблизительных % масс. без учета добавляемой воды) 75% частиц древесины, 5% диоксида кремния, 15% портландцемента и 5% кальциевого бентонита, в этом случае без какого-либо углерода из источника ископаемого топлива. Частицы древесины могут быть, например, опилками, древесной щепой или их смесью. Содержания связующего вещества можно менять, чтобы максимально увеличить количество древесины, и, следовательно, углерода в блоках, с учетом достаточного связывания используемых частиц древесины.
[0077] Другим благоприятным аспектом является устройство, в котором композиция С-слоя может меняться в ходе эксплуатации. Например, можно выбрать для запуска реактор с С-слоем из богатого углеродом источника, такого как кокс, чтобы ограничить первоначальное образование шлака. Это может иметь место в случае, когда С-слой используется для первоначального разогрева сосуда и перед тем, как он становится достаточно горячим для плавления более инертного материала. Затем, по мере продолжения и окончания нагревания, могут быть введены блоки, такие как описано выше, что приведет к большему шлакообразованию.
[0078] Некоторые примеры блоков, которые были изготовлены в соответствии с вышеприведенным описанием и использованы вместо некоторого количества кокса в РПГ при газификации биомассы (и образовании шлака, слитого из реактора) при удовлетворительной производительности, по существу соответствующей производительности всего коксового слоя, включают следующие композиции из таблицы II.
Таблица II
#1% сухой массы
#2% сухой массы
#3% сухой массы
Угольная пыль
68,6
77,1%
0,00%
Известь (CaCO<sub>3</sub>)
13,7%
16,7%
9,17%
Песок
11,8%
0,0%
10,94%
Цемент (портланд)
5,9%
6,2%
32,76%
Древесный уголь
0,0%
0,0%
47,18%
[0079] В таблице II приводятся проценты на сухую массу ингредиентов. Вода, добавленная и смешанная с сухими ингредиентами, составляла в случае порции #1 примерно 10% сухой массы смеси, для порции #2 примерно 20% сухой массы смеси и для порции #3 примерно 15% сухой массы смеси.
[0080] В целом композиции блоков относятся к исходным материалам, и полученные в результате композиции готовых блоков не отличаются существенно, кроме отсутствия воды.
[0081] Один из благоприятных аспектов использования блоков в соответствии с изобретением по сравнению с использованием кокса заключается в возможности изменять композицию блоков. Это может быть сделано по причинам, включающим природу и состав загружаемого в реактор материала. Примеры композиций из таблицы II в частности выбраны для использования с загружаемым материалом из биомассы.
[0082] Не ограничивая приведенное выше описание, приводятся следующие дополнительные примеры изготовления и испытания некоксовых блоков.
[0083] Исходные материалы включают, в приблизительных % на сухую массу:
Угольную пыль (размером в среднем менее 5 мм)
60%
Известь (СаСО<sub>3</sub>)
20%
Песок
10%
Портландцемент
10%
100%
[0084] Навески сухих ингредиентов (с общей массой 100-300 кг) смешиваются в сухом виде в цементосмесителе примерно 5-10 минут и становятся тщательно перемешанными. Воду медленно добавляют в смеситель, чтобы вода соединялась с сухими ингредиентами, и смесь имела влажность только в той степени, в какой она может схватиться, и не более (установлено, что избыток воды может привести к образованию блоков с более высокой плотностью и более ограниченной пористостью, чем обычно желательно). После того, как добавлено достаточное количество воды, перемешивание продолжают в течение примерно еще 5 минут, чтобы гарантировать готовность смеси (вода составляет до примерно 15-25% от общей массы смеси).
[0085] Изложницы выполнены из ПВХ трубы длиной около 12 см, имеющей внутренний диаметр около 10 см. Смесь помещают в изложницы и оставляют для схватывания примерно на 3-5 мин перед тем, как изложницы удаляют, снимая их со всех блоков, которые схватились.
[0086] Блокам затем дают возможность сохнуть на воздухе и отвердевать в течение примерно 72 часов. Образец блоков может быть подвергнут испытанию сбрасыванием для оценки прочности. Испытание сбрасыванием может заключаться в сбрасывании блоков с высоты около 3 метров на твердую (например, бетонную) поверхность и наблюдении того, крошатся ли блоки (т.е. распадаются на более чем 2-3 крупных куска). Если они крошатся, это свидетельствует о том, что они требуют большего высушивания или композицию будет лучше изменить путем увеличения количества цемента на дополнительные 1-2% на сухую массу.
[0087] После формирования достаточно прочных блоков их можно использовать в реакторе сразу же или позднее, если сохранять достаточно сухими.
[0088] Может быть выполнено сравнительное испытание, при котором в реакторе проводятся последовательные фазы работы, включающие:
Фаза 0 - базовая, С-слой из кокса; 1-3 дня работы;
Фаза I, 25% добавки углерода из блоков; 12 часов;
Фаза II; 50% C из блоков; 12 часов;
Фаза III; 75% C из блоков; 12 часов;
Фаза IV; 100% С из блоков; 12-24 часа, и
Фаза V; возвращение к 100% С из кокса; 24 часа.
[0089] Во время каждой фазы проводится мониторинг всех значимых параметров, включающих:
температуру и давление на нескольких уровнях в реакторе;
данные о скоростях загрузки;
количества и скорости образования шлака;
2
объем сингаза и его уровень О и СО; и
условия работы плазменных горелок, в том числе мощность горелки, сила тока, напряжение и воздух, в том числе воздух горелки, воздушная завеса и свободный воздух сопла.
[0090] Все вышеперечисленное, и аналогичные испытания с другими композициями блоков, подтверждают, что блоки способны заменять значительные количества кокса при удовлетворительной общей производительности реактора.
[0091] Как указано выше, углеродные частицы, включенные в блоки, такие как блоки 221, могут поступать из любого источника частиц углерода. Некоторые источники являются чрезвычайно привлекательными, поскольку они дают возможность экономичного использования углерода в смесях или формах, который иначе было бы трудно или дорого утилизировать.
[0092] В приведенном выше обсуждении упомянуто использование отработанного футеровочного углеродного материала алюминиевой промышленности. При обычном производстве алюминия такой материал загрязнен цианидом (CN). Его часто можно забирать от производителя бесплатно или с оплатой забирающей стороне. Кроме того, футеровочный углерод можно использовать в качестве частиц в блоках и/или в качестве кусков, наподобие частиц 21 на фиг.2, в виде материала С-слоя без переработки в блоки. Кроме того, огнеупорный (керамический) материал также доступен для использования в блоках или непосредственно в слое, выступая в качестве флюса.
2
2
3
2
[0093] Известно, что отработанный футеровочный материал (или SPL) в общей композиции углерода и огнеупорного материала содержит около 23% чистого углерода. Другие составляющие включают оксиды металлов, например, SiO, AlO и NaO, которые также могут быть полезными до некоторой степени в газификаторе.
[0094] SPL, доступный от производителей алюминия, может быть выделен в так называемый «первый срез», который содержит примерно 55-65% углерода и меньшее количество оксидов металлов. Он является опасным материалом, который нужно утилизировать в соответствии с государственными нормативами. После такого выделения существует «второй срез» неопасного материала, который содержит больше огнеупорного материала футеровки и имеют только примерно 1-5% C и более существенные количества оксидов металлов, каждое из которых может использоваться в определенных количествах и относительных содержаниях в газификаторах, которые работают на углеродном слое и флюсующих и стеклообразующих добавках, способствующих потоку флюидов через слой.
[0095] Еще одним источником нежелательных в других случаях углеродных отходов, которые могут использоваться в некоксовых блоках, является сажевая вода, производимая газификаторами. Ряд действующих в настоящее время газификаторов (например, для газификации угля, тяжелых нефтей и т.д.) производят используемый и желательный сингаз, но также создают побочный продукт сажевой воды, который нужно утилизировать. В настоящем контексте «сажевая вода» может включать любые негазифицированные топливные компоненты, а также металлы и шлаковые элементы, которые могут сопровождать негазифицированное топливо.
[0096] На фиг.5 показана блок-схема одного примера, связанного с такой сажевой водой. В этом примере сажевую воду, образующуюся в результате какой-либо другой («традиционной») газификации (этап 510), подвергают фильтрации с отведением воды (этап 512) и рециркулированием некоторого количества отфильтрованного углерода обратно в вышерасположенный газификатор (возвратная линия 514). Остальные твердые частицы образуют фильтрационный кек (из фильтрации 512), который прежде утилизировался, например, на свалку, но теперь вместо этого подается в РПГ (этап 514) с получением дополнительного сырьевого газа (сингаза) 516, шлака и металлов 518 (которые могут иметь промышленную ценность).
[0097] В соответствии с настоящим изобретением осадок сажевой воды, такой как фильтрационный кек, образующийся в результате фильтрации сажевой воды, может использоваться в качестве углеродных частиц в блоках (подобных блокам 221 на фиг.4), а также вводится другими путями в РПГ) (фильтрационный кек может быть сформован или измельчен для получения частиц углерода подходящего размера).
[0100] Как указано выше, широкий спектр углеродных частиц может использоваться в блоках, применяемых в качестве некоксовых компонентов в С-слое. Дополнительными к другим указанным источникам являются пластмассы. Пластиковые предметы (например, отходы пластмассовой тары) могут быть уменьшены механическим путем (например, измельчением) для образования частиц для включения в блоки. Некоторые распространенные пластмассы, которые могут использоваться вместо или в смеси с другими углеродными частицами из таких источников, как уголь или биомасса, являются следующими и имеют следующий состав:
Таблица III
ПНД (HDPE)
ПЭТ (PET)
ПВХ (PVC)
ПЭНП (LDPE)
Углерод
84,38%
62,28%
45,04%
67,13%
Водород
14,14%
4,14%
5,60%
9,70%
Кислород
0,00%
32,88%
1,56%
15,80%
Азот
0,06%
0,00%
0,08%
0,46%
Хлор
0,00%
0,00%
45,32%
0,00%
Сера
0,03%
0,00%
0,14%
0,07%
Зола
1,19%
0,50%
2,06%
6,64%
Вода
0,20%
0,20%
0,20%
0,20%
ИТОГО
100,00%
100,00%
100,00%
100,00%
[0101] Когда такие материалы используются, например, в композициях блоков, таких как композиции таблицы I, их содержания могут корректироваться для обеспечения желаемого количества углерода. Благодаря летучим компонентам пластмасс, они, как и частицы биомассы, теряют летучие компоненты и обеспечивают дополнительную пористость при нагревании.
[0102] Нагревание блоков (независимо от источника углерода) может осуществляться или перед использованием в газификаторе или в процессе работы газификатора. В последнем случае реакция на месте связующих элементов и выделение летучих компонентов экономит энергозатраты.
[0103] На фиг.6 проиллюстрирован один пример РПГ с решеткой или распределительной пластиной 600, в целом раскрытый в вышеприведенном описании. Показана только нижняя часть 610 РПГ с зоной 620 термического слоя и зоной 630 загрузочного слоя. Пластина 600 служит в качестве опоры для слоя подачи 630, в качестве газораспределителя для газа, нагретого в зоне 620 термического слоя, и в качестве шлакового экрана для нисходящего расплавленного материала. Для этих различных целей пластина 600 имеет конструкцию наподобие экрана с элементами 601 решетки из огнеупорного материала и отверстиями 602 (для прохождения газа и жидкости). Экран или пластина 600 из огнеупорного материала снабжена охлаждающим устройством, таким как внутренние каналы 604 для охлаждающей воды. Отверстия 602 в данном примере являются специально достаточно малыми, например, не более примерно 10 мм, чтобы ограничить или исключить падение загружаемого материала из слоя 630 в нижнюю зону 620. Но отверстия 602 являются достаточно большими, например, по меньшей мере, примерно 3 мм, чтобы позволить легкое прохождение газов (например, окислителя, нагретого плазменной горелкой в сопле 622 из зоны 620) вверх в загрузочный слой 630, и легкое стекание вниз расплавленного шлака и металла через экран 600 в зону 620 для выхода через выпускное отверстие 626 на дне зоны 620.
[0104] Зона 620 может содержать углеродный слой. Если она содержит углеродный слой, он может быть меньше, чем в обычных слоях РПГ и может содержать любой тип углеродного материала, без учета того, является ли этот материал достаточно прочным, чтобы поддерживать загрузочный слой без разрушения и уничтожения пустот, позволяющих проходить газу и жидкости. Здесь загрузочный слой 630 по существу поддерживается на пластине 600.
[0105] В альтернативных вариантах осуществления, в которых применяется решетка или пластина с более широкими отверстиями, позволяющими некоторому количеству твердого загружаемого материала проходить вниз к С-слою в нижней зоне, такая решетка или пластина может по-прежнему давать некоторую повышенную гибкость в выборе материала углеродного слоя вследствие по меньшей мере частичной поддержки решеткой.
[0106] РПГ 610 на фиг.6, и в более общем плане любой РПГ с зоной 620 нагретого плазмой газа на уровне, с которого горячие газы поднимаются в перерабатываемый материал, может работать с очень небольшим углеродным слоем или без него, по прежнему приводя к газификации перерабатываемого материала. Конструкция на фиг.6 с распределительной пластиной или решеткой 600 может быть предпочтительной для работы без С-слоя, поскольку прохождение газа и жидкости не зависит от пустот, существующих либо в С-слое, либо внутри перерабатываемого материала. Данная форма эксплуатации, с использованием РПГ на фиг.6 или какого-либо другого реактора, такого как на фиг.1, но без С-слоя, означает, что введение нагретого плазмой газа в нижнюю зону обеспечивает всю энергию для реакций, вместо того, чтобы получать основной вклад тепловой энергии от нагретого С-слоя, а также означает, что атомы углерода для образования желаемого газообразного продукта, такого как СО, все поступают из загружаемого материала в отсутствие С-слоя. Любой такой режим работы позволяет, конечно, полностью избежать необходимости в использовании кокса в реакторе.
[0107] На фиг.7А и фиг.7В представлены виды сверху и в плане РПГ реактора 700, который имеет общее назначение и, кроме того, может эксплуатироваться способом, который является благоприятным в некоторых отношениях для общей эффективности полных реакций перерабатываемого материала с меньшей зависимостью от энергии из С-слоя.
[0108] Реактор 700 аналогичен реактору на фиг.1 в нескольких аспектах, но с определенными отличиями. Реакционный сосуд 710 снабжен зоной 720 углеродного слоя, выше которой находится зона 730 загрузочного слоя и зона 740 свободного пространства до свода 750 с отверстием 752 для выхода газа. В данном примере стенка реакционного сосуда 710 имеет цилиндрический участок, который охватывает зону 720 С-слоя, первый конический участок с расширением вверх, который охватывает зону 730 загрузочного слоя, и также зону 735 непосредственно над загрузочным слоем в зоне 730 (верхняя граница которого представлена линией 731 на фиг.7A). Стенка реакционного сосуда 710 имеет второй конический участок с расширением вверх, охватывающий зону 740 свободного пространства. Конический участок зоны 740 в данном примере направлен под меньшим углом к осевой линии реакционного сосуда 710, чем участок зон 730 и 735, что является особенностью, которая может способствовать благоприятному потоку газа в этих зонах.
[0109] В примере реактора 700 имеется одно или несколько сопел 722 плазменной горелки в зоне 720 углеродного слоя, и имеются дополнительные сопла или фурмы 732 к зоне 730 загрузочного слоя, все из которых могут быть подобны или аналогичны таким деталям на фиг.1. Имеется также выпускное отверстие 726 для расплавленного шлака и металла из зоны 720 С-слоя. Однако, в реакторе 700 присутствует один или несколько (показано три) загрузочных желоба 736, расположенных в зоне 735 над загрузочным слоем, а не намного выше, как загрузочный желоб 42, показанный на фиг.1. Более низкие загрузочные желоба 736 обычно считаются достаточными для замены любых более высоких загрузочных желобов, но не обязательно исключают установку одного или нескольких дополнительных загрузочных желобов в любом месте реакторной стенки или свода 750 к зоне 740.
[0110] Каждый из загрузочных желобов 736 к зоне 735 над загрузочным слоем имеет механизмы 737 подачи материала снаружи реактора 700 для подачи загружаемого материала по желобам 736. Обычно предпочтительно, например, для экономичной работы, чтобы механизмы 737 давали возможность практически непрерывной подачи загружаемого материала в реактор 700 при относительно постоянной скорости, и что материал может подаваться без необходимости дополнительных стадий для уплотнения загружаемого материала в более плотные блоки материала. Например, таким образом можно перерабатывать рыхлую биомассу или муниципальные отходы. Одним из примеров подающего механизма 737 является шнековый питатель, коммерчески доступные устройства которого существуют для перемещения материалов.
[0111] В качестве дополнительного примера, реактор 700, показанный на фиг.7А и фиг.7В, может быть (по внешним размерам) примерно 20-30 м общей высоты, с цилиндрической донной частью зоны 720 С-слоя высотой примерно 3-5 м, зоной 730 загрузочного слоя, имеющей стенку под углом к оси около 10-15°, расширяющуюся вверх от С-слоя 720 примерно на 4-6 м, и зоной 735, простирающейся приблизительно на 2-3 м над загрузочным слоем при таком же угле наклона стенки, как для зоны 730, в пределах которой отверстия загрузочных желобов 737 имеют вертикальный размер примерно 0,5-1,5 м. Высоты по вертикали, приведенные для зон 730 и 735, могут перекрываться до некоторой степени в зависимости от условий загрузочного слоя. Можно ожидать, что вместе они в данном примере могут составлять в целом примерно 8-12 м полной высоты первого конического участка стенки между уровнями 738 и 739. Высота зоны 740 с углом стенки примерно 5-10° (или примерно на 3-6° меньше, чем угол зоны 730 загрузочного слоя), может находиться в диапазоне примерно 8-12 м над зоной 735. В данном примере, и в целом для РПГ с аналогичными низкими загрузочными желобами, имеет место, что загрузочные желоба расположены не выше примерно половины расстояния вверх от самого дна реакционного сосуда, и/или не более примерно 1 м над обычной высотой загрузочного слоя в реакторе.
[0112] Как следствие расположения загрузочных желобов 737 оказывается, что частицы легкого загружаемого материала, такие как мелкие частицы биомассы и бумаги материала муниципальных отходов, которые как правило плавают над загрузочным слоем в результате восходящего потока газа, имеют большую вероятность взаимодействия с горячими газами. В противоположность этому, реакторы с загрузочными желобами, такие как показанный на фиг.1, при работе с тем же видом загружаемого материала, могут иметь большую долю легких частиц, выносимых из реактора через выпускные отверстия или плавающих в реакторе на большой высоте, на которой поднимающиеся газы охлаждены до степени, при которой эффективность реакции является низкой.
[0113] В то время как реактор, такой как реактор на фиг.7A и фиг.7B, может работать с углеродным слоем из кокса или любого из некоксовых компонентов, описанных в данном документе, и углеродный слой будет содержать примерно такое же количество атомов углерода, как и прежде, также может быть, что степень, до которой энергия горячего газа активизирует реакции этих легких частиц и частиц загружаемого материала и способствует образованию сингаза, может привести к несколько сниженной потребности (меньшему расходу) углерода в углеродном слое, и в результате к общему уменьшению использования углерода в виде кокса или некоксового материала.
2
[0114] Дополнительная особенность реактора 700 фиг.7B заключается в том, что в зоне 735 над загрузочным слоем существует одно или несколько впускных отверстий 734 для газа в зону 735. В дополнение к воздуху или любым другим газам, которые могут вводиться в реактор через загрузочные желоба 736 (как правило, большой объем не является предпочтительным), впускные отверстия 734 для газа могут использоваться для регулирования количества газа, такого как воздух или кислород, чтобы дополнительно способствовать реакции легких материалов, которые плавают в зоне 735. По существу это всегда имеет место, когда целью является получение полезного сингаза, для работы в условиях регулирования относительных содержаний углерода и кислорода, чтобы способствовать окислению углерода с образованием монооксида углерода (CO), а не углекислого газа (CO).
[0115] Подача материала в загрузочный слой, например, в зону 730 на фиг.7A, может альтернативно или дополнительно осуществляться способом, который может называться «недостаточная подача». В данном случае загрузочный желоб (т.е. какой-либо один или несколько таких желобов), такой как описано выше или другое устройство подачи, будет расположен с возможностью подачи загружаемого материала на уровень, находящийся ниже уровня обычной верхней границы загрузочного слоя, но все еще выше С-слоя реактора. Примерные варианты осуществления такой конструкции включают варианты, в которых загрузочный желоб, подобный или аналогичный загрузочному желобу 736 на фиг.7A по форме, но не по расположению, помещен с его отверстием в реактор 700 ниже уровня линии 731 на фиг.7А. Таким образом, переработка мелких частиц или вещества малой плотности в загружаемом материале, подаваемом в загрузочный слой, может быть еще более полной, до такой степени, что практически все оказывается полностью переработанным и практически ничего не выходит из реактора с выходом газа.
[0116] На фиг.8 проиллюстрирована новая конструкция для введения углерода в реактор-газификатор 800, который может являться РПГ, как обсуждалось выше, или другой разновидностью газификатора с С-слоем 820. Установка включает в себя подачу углеродной пыли 801, показанной здесь в виде смеси песка и угольной пыли, которая подается самотеком через устройство, такое как поворотный воздушный шлюз 802, чтобы ограничить поступление воздуха. Твердое вещество из шлюза 802 опускается к стыку 803, где линия 804 рецикла доменного газа подпитывает в некоторой степени газом, образованным в газификаторе 800. Твердое вещество и доменный газ проходят вместе по трубопроводу 804 в эжектор 805 (известный тип устройства для откачивания газа низкого давления, такого как доменный газ, с подачей его в зону повышенного давления). Эжектор 805 получает сжатый газ, предпочтительно инертный газ, такой как азот, 806, поток которого вводится в поток доменного газа и твердых веществ таким образом, чтобы объединенный поток 807 находился под достаточно высоким давлением для введения в С-слой 820 газификатора. Это позволяет осуществлять регулируемое введение углеродных микрочастиц, таких как угольная пыль, и дополнительных флюсующих или стеклообразующих добавок, таких как песок, в С-слой 820 (через любое отверстие сопла, с плазменной горелкой или без нее). Это может привести к эффективному использованию такой пыли и восполнению углерода углеродного слоя до такой степени, которая помогает уменьшить потребность в другом углероде, таком как кокс.
[0117] Следовательно, по-видимому существует множество способов утилизации некоксовых и отличных от ископаемого топлива компонентов в углеродсодержащих слоях реакторов плазменной газификации и других подобных реакторов. В приведенном выше описании приводится несколько примеров, но не обязательно все формы и варианты способов практического осуществления изобретения.