УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛА ДЛЯ БЫСТРОЙ ТЕРМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО МАТЕРИАЛА
HEAT CONTROL DEVICES AND METHODS FOR FAST THERMAL PROCESSING OF CARBON-CONTAINING MATERIAL

Заявление приоритета
[0001] Данная заявка испрашивает приоритет на основании заявки США № 13/240570, поданной 22 сентября 2011 года, полное содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее изобретение в целом относится к устройствам и способам для термической переработки углеродсодержащего материала, и в частности относится к устройствам и способам регулирования тепла для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала.
Уровень техники изобретения
[0003] Переработка углеродсодержащего сырья (например, биомассы) для получения химических реагентов и/или топлива может осуществляться с помощью быстрого (мгновенного или флэш) пиролиза. Быстрый пиролиз представляет собой общий термин, который охватывает различные способы быстрого придания относительно высокой температуры сырью на очень короткое время, и затем быстрого понижения температуры первичных продуктов, прежде чем установится химическое равновесие. С помощью данного подхода сложные структуры углеродсодержащего сырья расщепляются на реакционноспособные химические фрагменты, которые формируются первоначально за счет реакций деполимеризации и испарения. Неравновесные продукты далее сохраняются с помощью быстрого снижения температуры.
[0004] Совсем недавно была разработана технология быстрой термической переработки (RTP) для проведения быстрого пиролиза углеродсодержащего материала. RTP использует реактор восходящего потока и подогревательное устройство и применяет теплоноситель из неорганических твердых частиц (например, обычно песок) для переноса и передачи тепла в процессе. RTP-реактор обеспечивает чрезвычайно высокую скорость нагревания и превосходную абляцию частиц углеродсодержащего материала, которые особенно подходят для переработки биомассы, в результате прямого турбулентного контакта между нагретыми неорганическими твердыми частицами и углеродсодержащим материалом, по мере их смешивания и перемещения вверх в реакторе. В частности, нагретые неорганические твердые частицы передают тепло для пиролиза углеродсодержащего материала, приводя к образованию древесного угля и газообразных продуктов, включая высококачественный пирогаз, которые удаляются из реактора в циклон. Циклон разделяет газообразные продукты и твердые вещества (например, неорганические твердые частицы и древесный уголь), и твердые вещества направляются в подогреватель.
[0005] Подогреватель представляет собой сосуд, который сжигает древесный уголь в золу и подогревает неорганические твердые частицы, которые затем возвращаются в реактор для пиролиза нового углеродсодержащего материала. Кислородсодержащий газ, обычно воздух, подают в подогреватель для сжигания древесного угля. Неорганические твердые частицы и древесный уголь содержатся в нижней части подогревателя и приводятся в псевдоожиженное состояние воздухом, образуя псевдоожиженный кипящий слой, также называемый плотной фазой. Подогреватель также имеет разбавленную фазу, которая находится над плотной фазой и содержит главным образом дымовой газ, увлеченные неорганические частицы и золу, которые являются побочными продуктами, образованными в результате сжигания древесного угля с воздухом. Дымовой газ, увлеченные неорганические частицы и зола удаляются из подогревателя в циклон, который отделяет твердые вещества от дымового газа.
[0006] В настоящее время желательны RTP-устройства большей производительности, которые способны поддерживать скорость переработки углеродсодержащего сырья до 400 метрических тонн сухой массы в день (BDMTPD) или более по сравнению с прежними более низкими скоростями переработки сырья менее 100 BDMTPD. Повышенная производительность приводит к образованию большего количества древесного угля в RTP-реакторе, и RTP-подогреватель и вспомогательное оборудование (например, циклон, воздуходувка и т.д.) должны быть больше по размерам, чтобы поддерживать возросшую скорость переработки сырья. В частности, многие более новые RTP-подогреватели требуют дополнительного объема, чтобы вмещать дополнительный воздух, подаваемый в подогреватели для охлаждения, чтобы регулировать возрастающие в противном случае температуры в результате сжигания дополнительного древесного угля, и могут иметь размеры до 12 метров (м) или более в диаметре и высоту до 25 м или более. К сожалению, более крупные размеры этих подогревателей существенно повышают стоимость и сложность доставки, установки и эксплуатации подогревателей.
[0007] Соответственно, желательно обеспечить устройства и способы регулирования тепла для быстрой термической переработки, которые могут адекватно поддерживать более высокие скорости углеродсодержащего сырья без превышения проектной температуры подогревателя из-за сжигания дополнительного древесного угля. Кроме того, желательно также обеспечить устройства и способы регулирования тепла для быстрой термической переработки без существенного увеличения стоимости и сложности доставки, установки и эксплуатации подогревателей. Кроме того, другие желательные признаки и характеристики настоящего изобретения станут ясны из последующего подробного описания изобретения и прилагаемой формулы изобретения, рассматриваемых вместе с сопровождающими чертежами и данным описанием уровня техники изобретения.
Сущность изобретения
[0008] В данном документе приводятся устройства и способы регулирования тепла для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала. В соответствии с примером осуществления, устройство регулирования тепла для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала включает в себя подогреватель, выполненный с возможностью вмещать псевдоожиженный кипящий слой, который содержит кислородсодержащий газ, неорганические частицы теплоносителя и древесный уголь и работающий при условиях горения, эффективных для сжигания древесного угля в золу и нагревания неорганических частиц теплоносителя с образованием нагретых неорганических частиц. Охладитель неорганических частиц находится в сообщении по текучей среде с подогревателем для приема первой части нагретых неорганических частиц и выполнен с возможностью приема охлаждающей среды для косвенного теплообмена с первой частью нагретых неорганических частиц с образованием первых частично охлажденных нагретых неорганических частиц. Подогреватель и охладитель неорганических частиц совместно выполнены с возможностью объединения первых частично охлажденных нагретых неорганических частиц со второй частью нагретых неорганических частиц в подогревателе с образованием вторых частично охлажденных нагретых неорганических частиц. Реактор находится в сообщении по текучей среде с подогревателем для приема вторых частично охлажденных нагретых неорганических частиц.
[0009] В соответствии с другим примером осуществления предлагается установка регулирования тепла для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала. Установка включает в себя реактор и подогреватель, который находится в сообщении по текучей среде с реактором для получения неорганических частиц теплоносителя и древесного угля. Подогреватель выполнен с возможностью формирования псевдоожиженного кипящего слоя, который содержит кислородсодержащий газ, неорганические частицы теплоносителя и древесный уголь, и работает при условиях горения, эффективных для сжигания древесного угля в золу и нагревания неорганических частиц теплоносителя с образованием нагретых неорганических частиц. Охладитель неорганических частиц находится в сообщении по текучей среде с подогревателем и включает в себя кожуховую часть и трубную часть, которая помещена в кожуховую часть. Охладитель неорганических частиц выполнен таким образом, что трубная часть принимает часть нагретых неорганических частиц, и кожуховая часть принимает охлаждающую среду для косвенного теплообмена с частью нагретых неорганических частиц, с формированием частично охлажденных нагретых неорганических частиц, которые передаются по текучей среде к подогревателю.
[0010] В соответствии с другим примером осуществления предлагается способ регулирования тепла для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала. Способ включает стадии объединения кислородсодержащего газа, неорганических частиц теплоносителя и древесного угля при условиях горения, эффективных для сжигания древесного угля в золу и нагревания неорганических частиц теплоносителя с образованием нагретых неорганических частиц. Тепло из первой части нагретых неорганических частиц косвенно передается к охлаждающей среде с образованием первых частично охлажденных нагретых неорганических частиц. Первые частично охлажденные нагретые неорганические частицы объединяются со второй частью нагретых неорганических частиц с образованием вторых частично охлажденных нагретых неорганических частиц.
Краткое описание чертежей
[0011] Варианты осуществления настоящего изобретения будут дальше описаны вместе со следующими чертежами, где одинаковые позиции обозначают одинаковые элементы.
[0012] На фиг.1 схематически проиллюстрирована установка для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала в соответствии с примером осуществления.
[0013] На фиг.2 представлен частичный вид в разрезе установки, изображенной на фиг.1, включающий охладитель неорганических частиц в соответствии с примером осуществления
[0014] На фиг.3 представлен вид в разрезе по линии 3-3 охладителя неорганических частиц, изображенного на фиг.2.
Подробное описание
[0015] Нижеследующее подробное описание носит чисто иллюстративный характер и не имеет целью ограничить изобретение или применение и использование изобретения. Кроме того, не существует намерения быть связанным какой-либо теорией, представленной в предыдущем описании уровня техники изобретения или в нижеследующем подробном описании.
[0016] Различные варианты осуществления, рассмотренные в данном документе, касаются устройств и способов регулирования тепла для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала. В отличие от известного уровня техники описанные здесь примеры осуществления предлагают установку, включающую в себя реактор, подогреватель, который находится в сообщении по текучей среде с реактором, и охладитель неорганических частиц, который находится в сообщении по текучей среде с подогревателем. Реактор подвергает быстрому пиролизу углеродсодержащее сырье с помощью нагретых неорганических частиц, с образованием газообразных продуктов и твердых веществ, которые включают охлажденные неорганические частицы теплоносителя и древесный уголь. Циклон отделяет газообразные продукты от твердых веществ. Подогреватель получает твердые вещества и приводит в псевдоожиженное состояние охлажденные неорганические частицы теплоносителя и древесный уголь с помощью кислородсодержащего газа с образованием псевдоожиженного кипящего слоя. Подогреватель работает при условиях горения, эффективных для сжигания древесного угля в золу, и подогревает охлажденные неорганические частицы теплоносителя с образованием нагретых неорганических частиц.
[0017] В примере осуществления часть нагретых неорганических частиц и охлаждающей среды передаются по текучей среде к охладителю неорганических частиц. Некоторое количество тепла нагретых неорганических частиц подвергается косвенному обмену с охлаждающей средой для частичного охлаждения нагретых неорганических частиц, образуя нагретую охлаждающую среду и первые частично охлажденные нагретые неорганические частицы. Нагретая охлаждающая среда удаляется из охладителя неорганических частиц. Первые частично охлажденные нагретые неорганические частицы передаются по текучей среде к подогревателю и объединяются с оставшейся частью нагретых неорганических частиц для частичного охлаждения нагретых неорганических частиц, образуя вторые частично охлажденные нагретые неорганические частицы. Вторые частично охлажденные нагретые неорганические частицы передаются по текучей среде к реактору для продолжения быстрого пиролиза углеродсодержащего сырья. Авторы изобретения обнаружили, что частичное охлаждение нагретых неорганических частиц с помощью охладителя неорганических частиц способствует сдерживанию чрезмерного роста температур в подогревателе, даже если псевдоожиженный кипящий слой имеет повышенные содержания древесного угля. Соответственно, подогреватель не требует дополнительного объема, который в противном случае был бы необходим, чтобы вместить дополнительный воздух для охлаждения для регулирования температур подогревателя, и поэтому стоимость и сложность доставки, установки и эксплуатации подогревателя практически не меняется.
[0018] На фиг.1 приводится схематическое изображение установки 10 для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала в соответствии с примером осуществления. Установка 10 включает в себя реактор 12 восходящего потока, подогреватель 14 и охладитель 15 неорганических частиц. Реактор 12 выполнен с возможностью достижения относительно высокой температуры за минимальный промежуток времени, а также обеспечения относительно короткого времени пребывания при высокой температуре, чтобы воздействовать на быстрый пиролиз углеродсодержащего сырья 20 (например, биомассы, в том числе отходов биомассы). Относительно высокая температура достигается в нижней части 16 реактора 12 с помощью нагретых неорганических частиц теплоносителя 18 (например, нагретого песка), которые подаются из подогревателя 14 для осуществления процесса пиролиза.
[0019] Как проиллюстрировано и будет описано более подробно ниже, осушитель 13 удаляет воду из содержащего влагу углеродсодержащего сырья 11 с образованием углеродсодержащего сырья 20, которое предпочтительно имеет содержание влаги 6 массовых процентов (% мас.) или менее. Углеродсодержащее сырье 20 подается в загрузочный бункер 22, из которого загрузочный конвейер 24 реактора вводит углеродсодержащее сырье 20 в нижнюю часть 16 реактора 12. Транспортирующий газ 25, который может быть рециркуляционным газом, отобранным из подходящего местоположения в установке 10, также вводится в нижнюю часть 16 реактора 12. Транспортирующий газ 25 предпочтительно содержит менее 1% мас. кислорода, и более предпочтительно менее 0,5% мас. кислорода, так что присутствует очень небольшое количество кислорода или он отсутствует, тем самым приводя к минимуму или предотвращая окисление и/или горение углеродсодержащего сырья 20 в реакторе 12.
[0020] Быстрое перемешивание нагретых неорганических частиц теплоносителя 18 и углеродсодержащего сырья 20 происходит в нижней части 16 реактора 12. По мере того как смесь продвигается вверх реактора 12 в турбулентном потоке с транспортирующим газом 25, тепло передается от нагретых неорганических частиц теплоносителя 18 к углеродсодержащему сырью 20. В примере осуществления перемешивание и быстрая теплопередача происходят в пределах 10% желаемого общего времени пребывания в реакторе. Соответственно, время перемешивания составляет предпочтительно менее 0,1 с, а более предпочтительно находится в пределах 0,015-0,030 с. В примере осуществления температура в нижней части 16 реактора 12 составляет 600-780°С, и скорость нагревания углеродсодержащего сырья 20 составляет предпочтительно 1000°С в секунду или более. Использование песка или других подходящих неорганических частиц в качестве твердого теплоносителя повышает теплопередачу из-за более высокой теплопроводной способности неорганических частиц и способность неорганических частиц механически подвергать абляции поверхность реагирующего углеродсодержащего материала.
[0021] По мере того, как нагретая смесь переносится к верхней части 17 реактора 12 с помощью транспортирующего газа 25, происходит быстрый пиролиз углеродсодержащего сырья 20. В примере осуществления температура в верхней части 17 реактора 12 составляет 450-600°C. Песок или другие неорганические частицы теплоносителя и транспортирующий газ 25 вместе с парами 30 продукта и древесным углем образуют поток 26 продукта, который выносится из верхней части 17 реактора 12 в циклон 28. Циклон 28, предпочтительно противоточный циклон, удаляет твердые вещества 32, например, песок и древесный уголь, из паров 30 продукта, которые содержат транспортирующий газ 25, неконденсируемые газообразные продукты и первичные конденсируемые парообразные продукты. Пары 30 продукта удаляются из циклона 28 и подаются в закалочную башню (не показана), например, для быстрого охлаждения или закалки, чтобы сохранить выход ценных неравновесных продуктов в парах 30 продукта. Твердые вещества 32 удаляются из циклона 28 и поступают в подогреватель 14.
[0022] Подогреватель 14 получает кислородсодержащий газ 34, который обычно является воздухом. Твердые вещества 32 содержатся в нижней части 36 подогревателя 14 и приводятся в псевдоожиженное состояние кислородсодержащим газом 34 из газораспределителя 86 (см. фиг.2) с образованием псевдоожиженного кипящего слоя из древесного угля, неорганических частиц теплоносителя и кислородсодержащего газа 34. Подогреватель 14 работает при условиях горения со сжиганием древесного угля в золу и дымовой газ. Энергия, выделяющаяся при горении древесного угля, нагревает неорганические частицы теплоносителя с образованием нагретых неорганических частиц. В примере осуществления нагретые неорганические частицы имеют температуру 600-780°C.
[0023] Дымовой газ, увлекаемый песок и зола поднимаются к верхней части 37 подогревателя 14 и выносятся из подогревателя 14 в виде выходящего потока 41 в циклон 43. Циклон 43, предпочтительно противоточный циклон, удаляет песок и золу из дымового газа. Дымовой газ передается виде газового потока 51 для выпуска, последующей обработки, рециркуляции или их сочетания, и песок и зола передаются в виде потока 49, содержащего твердые вещества, для удаления или последующей переработки.
[0024] Обращаясь также к фиг.2, в примере осуществления часть нагретых неорганических частиц 38 удаляется из подогревателя 14 и вводится в охладитель 15 неорганических частиц. Как проиллюстрировано, часть нагретых неорганических частиц 38 удаляется из нижней части 36 подогревателя 14 и передается во впускную трубу 40 охладителя через по меньшей мере одну разрушающую пузырьки решетку 39 к обменной емкости 42. Разрушающая пузырьки решетка 39 разрушает любые крупные воздушные пузырьки, например, из псевдоожиженных неорганических частиц, которые в противном случае могут передаваться противотоком к части нагретых неорганических частиц 38, обратно к кипящему слою в нижней части 36 подогревателя 14. Крупные пузырьки в кипящем слое влияют на производительность подогревателя 14 и увлечение твердых частиц. Разрушающая пузырьки решетка 39 также служит в качестве просеивателя для предотвращения непосредственного блокирования или закупоривания трубной части 45 более крупными кусками материала, такими как футеровка, и снижения производительности охладителя неорганических частиц.
[0025] В примере осуществления обменная емкость 42 выполнена в виде теплообменника и включает в себя кожуховую часть 44 и трубную часть 45, которая расположена в кожуховой части 44. Часть нагретых неорганических частиц 38 проходит через трубную часть 45. Кожуховая часть 44 обменной емкости 42 получает охлаждающую среду 52 для косвенного теплообмена с частью нагретых неорганических частиц 38, проходящих через трубную часть 45, с образованием частично охлажденных нагретых неорганических частиц 54 и нагретой охлаждающей среды 53. В примере осуществления частично охлажденные нагретые неорганические частицы 54 имеют температуру 500-680°C.
[0026] Предпочтительно охлаждающая среда 52 содержит воздух, и нагретая охлаждающая среда 53 содержит нагретый воздух. Как показано на фиг.1, нагретая охлаждающая среда 53 (например, нагретый воздух) может передаваться в осушитель 13 для удаления воды из содержащего влагу углеродсодержащего сырья 11. В качестве альтернативы, охлаждающая среда 52 может быть любой другой теплопроводной текучей средой, известной специалистам. Предпочтительно охлаждающая среда 52 имеет температуру 40°С или менее, и нагретая охлаждающая среда 53 имеет температуру 125°С или более.
[0027] Как видно из фиг.3, в примере осуществления трубная часть 45 включает в себя множество трубок 58, которые расположены рядом, отстоят друг от друга и в продольном направлении расположены практически параллельно вертикальной оси. Каждая из трубок 58 имеет внешнюю поверхность с одним или несколькими ребрами охлаждения 60, которые могут распространяться, например, в радиальном или в продольном направлении наружу от внешней поверхности. Охлаждающие ребра 60 способствуют косвенному теплообмену между частью нагретых неорганических частиц 38, продвигающихся через трубную часть 45, и охлаждающей средой 52, продвигающейся через кожуховую часть 44.
[0028] Как показано на фиг.2, частично охлажденные нагретые неорганические частицы 54 отводятся из обменной емкости 42 и направляются по стояку 73 охладителя. Стояк 73 охладителя имеет расширительный скользящий клапан 74 для регулирования скорости поступления частично охлажденных нагретых неорганических частиц 54. Подъемный стояк 76 находится ниже по потоку от обменной емкости 42 и соединен по текучей среде со стояком 73 охладителя для получения частично охлажденных нагретых неорганических частиц 54. В нижней части 78 подъемного стояка 76 расположено воздушное сопло 80, которое выполнено с возможностью направления частично охлажденных нагретых неорганических частиц 54 через подъемный стояк 76 в верхнюю часть 82 подъемного стояка 76.
[0029] Распределитель 84 песка - воздуха расположен в подогревателе 14 и соединен по текучей среде с подъемным стояком 76 для получения частично охлажденных нагретых неорганических частиц 54. Распределитель 84 песка - воздуха выполнен с возможностью распределения частично охлажденных нагретых неорганических частиц 54 в подогреватель 14, предпочтительно над газораспределителем 86, для частичного охлаждения оставшейся части нагретых неорганических частиц и формирования нагретых неорганических частиц теплоносителя 18. Как видно также на фиг.1, в примере осуществления нагретые неорганические частицы теплоносителя 18 имеют температуру 600-780°С и передаются в реактор 12 для быстрого пиролиза дополнительного углеродсодержащего материала.
[0030] Таким образом, описаны устройства и способы регулирования тепла для быстрой термической переработки углеродсодержащего материала. В отличие от известного уровня техники, примеры осуществления, описанные в настоящем документе, предлагают установку, включающую в себя реактор, подогреватель и охладитель неорганических частиц. Реактор подвергает быстрому пиролизу углеродсодержащее сырье с помощью нагретых неорганических частиц с образованием пиролизного масла и твердых веществ, которые включают в себя охлажденные неорганические частицы теплоносителя и древесный уголь. Подогреватель получает твердые вещества и приводит в псевдоожиженное состояние охлажденные неорганические частицы теплоносителя и древесный уголь с помощью кислородсодержащего газа с образованием псевдоожиженного кипящего слоя. Подогреватель работает при условиях горения, эффективных для сжигания древесного угля в золу, и нагревает охлажденные неорганические частицы теплоносителя с формированием нагретых неорганических частиц. Охладитель неорганических частиц получает часть нагретых неорганических частиц и отводит некоторое количество тепла с помощью косвенного теплообмена с образованием частично охлажденных нагретых неорганических частиц, которые объединяются с оставшейся частью нагретых неорганических частиц для частичного охлаждения нагретых неорганических частиц. Обнаружено, что частичное охлаждение нагретых неорганических частиц с помощью охладителя неорганических частиц способствует сдерживанию чрезмерного роста температур в подогревателе, даже если псевдоожиженный кипящий слой имеет повышенные содержания древесного угля. В связи с этим, подогреватель не требует дополнительного объема, который в противном случае был бы необходим, чтобы вместить дополнительный воздух для охлаждения для регулирования температур подогревателя, и поэтому стоимость и сложность доставки, установки и эксплуатации подогревателя практически не меняются.
[0031] Несмотря на то, что в вышеизложенном подробном описании был представлен один пример осуществления, следует принимать во внимание, что существует огромное количество вариантов. Также следует принимать во внимание, что пример осуществления или примеры осуществления являются всего лишь примерами, и не имеют целью ограничить объем, применимость или конфигурацию изобретения каким бы то ни было образом. Скорее вышеизложенное подробное описание снабдит специалистов подходящей последовательностью действий для реализации примера осуществления изобретения при том понимании, что различные изменения могут быть сделаны в функции и компоновке элементов, описанных в примере осуществления, в пределах объема изобретения, как изложено в прилагаемой формуле изобретения и ее юридических эквивалентах.