СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ПИРОЛИЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ПРОВЕДЕНИЯ
METHOD OF CONDUCTING PYROLYSIS AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к способу проведения пиролиза, описанному в объеме формулы изобретения. Кроме этого, изобретение относится к устройствам проведения пиролиза, описанным в объеме формулы изобретения.
Пиролиз относится к преобразованию топлива в газообразную форму в условиях инертной среды и высокой температуры, с последующим преобразованием в процессе конденсации в жидкую форму, включающую различные органические соединения. Условия инертной среды по отношению к пиролизу подразумевают отсутствие кислорода, предотвращая, таким образом, воспламенение топлива. Дистилляция дегтя является одним из примеров пиролиза, известного на протяжении веков.
В рассматриваемом процессе пиролиза предполагается пиролиз топлив, при котором отделяют газообразные соединения, образовавшиеся в момент реакции, от продуктов коксования и далее путем конденсации переводят в пиролизное масло, которое может быть использовано, например, в качестве топлива или может быть далее преобразовано в различные химические продукты. Производство пиролизного масла из различных органических топлив, например топлив на основе древесины, изучалось на предмет замещения им угля и тяжелых топливных масел. Одним из преимуществ пиролизного масла является его простая транспортировка по сравнению с транспортировкой биомассы, если принимать во внимание энергосодержание топлив.
Примеры разработки процессов пиролиза отражены в ряде патентных публикаций, например, US 4,891,459; US 5,728,271; EP 513051 и US 6,814,940. Процесс пиролиза, раскрытый в. этих публикациях, основан на переводе в жидкое состояние твердых топлив, основанных, например, на биомассе, с помощью инертного сжижающего газа при температуре примерно 400-600°C, в возможном присутствии псевдоожиженного слоя материала. Топливо, подлежащее пиролизу в реакторе, подают в нижнюю часть реактора, из которого оно выходит вверх вместе с сжижающим газом. Материал псевдоожиженного слоя и продукты коксования отделяют от газов, выходящих из реактора, с помощью циклонов или соответствующих сепараторов как показано, например, в публикации EP 513051 (Энсин Текнолоджиз Инк.).
Публикация WO 02/083816 раскрывает процесс пиролиза в реакторе с псевдоожиженым слоем, имеющим возможность поддержания его заданной плотности с целью интенсификации передачи тепла от частиц носителей (песка) к частицам топлива. Используемый реактор выполнен в виде стояка, окруженного частицами носителя, находящимися в возвратной циркуляции с возможностью дожигания сгораемых остатков, накапливаемых на них в реакции пиролиза.
Публикация WO 97/06886 (Биомасс Текнолоджи Групп Б.В.) раскрывает двухфазный процесс, в котором первая фаза включает смешивание частиц, подвергаемых пиролизу, и нагретых частиц носителя в смесительной камере, а вторая фаза включает отделение пиролизных газов от движущейся вниз смеси в камере реактора.
Патент FI-117512 (Валтион текниллинен туткимускескус, Центр технических исследований Финляндии) раскрывает способ, в котором устройство для пиролиза включает горение твердого топлива в бойлере с псевдоожиженным слоем, при том, что устройство для пиролиза использует в процессе пиролиза энергию, накапливаемую нагреваемым слоем инертного материала (песка) бойлера с псевдоожиженным слоем. При том, что в устройство для пиролиза и в бойлер с псевдоожиженным слоем подают разное топливо. В соответствии с одной из альтернатив (Фиг.3) устройство для пиролиза включено составной частью в устройство сжигания бойлера с псевдоожиженным слоем и соединено с внутренней циркуляцией материала псевдоожиженного слоя.
В выше описанных процессах, особенно в которых материал, подвергаемый пиролизу, представляет собой твердое топливо с широким диапазоном размеров частиц, особой задачей является выбор времени пребывания материала, при котором пиролиз проходит с оптимальной эффективностью. В обеспечение этой задачи, циркуляцию рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить длительность пребывания материала в условиях пиролиза насколько это возможно.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение способа, достигающего оптимальной производительности, путем простой продувки. Изобретение предназначено к использованию особенно в совокупности с бойлером с псевдоожиженным слоем, получающим энергию из топлива в процессе его сжигания, при том, что для поддержания температуры пиролиза изобретение предполагает, по меньшей мере, частичное использование термальной энергии бойлера,
Достижение указанного технического результата осуществляют за счет применения способа проведения пиролиза с использованием бойлера с пузырьковым псевдоожиженным слоем, в котором твердое топливо в форме частиц подают в пиролизное усройство, а условия проведения пиролиза в пиролизном устройстве поддерживают таким образом, чтобы отделить конденсируемые материалы от топлива при том, что температуру, необходимую для проведения пиролиза, достигают, по меньшей мере, частично за счет твердого материала псевдоожиженного слоя бойлера, циркулирующего в пиролизном устройстве и ожижаемого в пиролизном устройстве сжижающим газом, а конденсируемые газообразные вещества, отделяемые от топлива, направляют из пиролизного устройства в конденсатор, где их выделяют в жидком виде в качестве так называемого пиролизного масла, при том, что материал псевдоожиженного слоя и топливо движутся внутри пиролизного устройства в поперечном направлении по отношению к потоку сжижающего газа.
Кроме этого, материал псевдоожиженного слоя и топливо движутся первоначально горизонтально между впускным отверстием и выпускным отверстием пиролизного устройства, ожижающий газ подают снизу материала псевдоожиженного слоя, а конденсируемые вещества выпускают вместе с сжижающим газом поверх материала псевдоожиженного слоя.
Запирание газа в пиролизном устройстве формируют одновременно с псевдоожиженным слоем.
Материал псевдоожиженного слоя подают непосредственно из топки бойлера с псевдоожиженным слоем через входное отверстие в смежной стенке между топкой и пиролизным устройством и возвращают в топку через выпускное отверстие в той же стенке.
Температуру пиролиза пиролизного устройства регулируют с помощью теплообменника, имеющего связь с материалом псевдоожиженного слоя внутри пиролизного устройства.
Топливо, предназначенное к пиролизу, является твердым топливом, основанным полностью или частично на биомассе.
Топливо, предназначенное к пиролизу, подают последовательно в материал псевдоожиженного слоя в нескольких точках.
Другим объектом изобретения для достижения аналогичного технического результата является устройство для проведения пиролиза, включающее
- практически закрытое устройство пиролиза,
- входное отверстие для подачи пиролизуемого топлива в устройство пиролиза,
- средства поддержания условий проведения пиролиза в устройстве пиролиза, включающие
входное отверстие для введения горячего материала псевдоожиженного слоя в виде частиц внутрь устройства пиролиза, и
- средства для подачи сжижающего газа в устройство пиролиза, выходное отверстие для выведения горячего материала псевдоожиженного слоя в форме частиц из устройства пиролиза,
- одно или более выходное отверстие для выведения из устройства пиролиза конденсируемых газообразных веществ, отделенных от пиролизуемого топлива,
- конденсатор для конденсации конденсируемых газообразных веществ в пиролизное масло, и
- линию для передачи конденсируемых газообразных веществ из выпускного отверстия устройства пиролиза в конденсатор,
при том, что средства для подачи сжижающего газа распределены в области между входным отверстием и выходным отверстием устройства пиролиза так, что они создают пересекающиеся потоки сжижающего газа по отношению к направлению (S) передачи материала псевдоожиженного слоя и топлива.
Входное отверстие и выходное отверстие размещают горизонтально на расстоянии друг от друга, зону пиролиза размещают в области между входным отверстием и выходным отверстием, а средства подачи сжижающего газа распределяют в указанной зоне в различных точках указанной области.
Зона пиролиза находится внутри камеры, на дне которой размещают средства подачи сжижающего газа, а на верхнем перекрытии размещают одно или несколько выходных отверстий.
Устройство пиролиза представляет собой камеру, ограниченную непосредственно топкой бойлера с псевдоожиженным слоем, и внутри которой организуют циркуляцию материала псевдоожиженного слоя между входным отверстием и выходным отверстием.
Выходное отверстие размещают выше входного отверстия
Устройство пиролиза разделено в направлении передачи материала псевдоожиженного слоя и топлива на входную секцию, в которую выводят входное отверстие, секцию пиролиза, в которой размещают средства подачи сжижающего газа и одно или несколько выходных отверстий, и выходную секцию, в которую выводят выходное отверстие.
По меньшей мере, две смежные секции разделены промежуточной стенкой, открытой на своем нижнем конце.
Внутри устройства пиролиза размещают теплообменник для регулирования температуры пиролиза.
Устройство питролиза включает несколько подающих входных отверстий, вдоль направления (S) передачи материала псевдоожиженного слоя и топлива.
При условии, что топливо, подвергаемое пиролизу, и материал псевдоожиженного слоя из бойлера проходят через реактор пиролиза в поперечном направлении по отношению к направлению потока сжижающего газа, имеется возможность поддержания топлива в условиях пиролиза с таким временем пребывания, что все топливо проходит пиролиз с максимальной эффективностью. Образовавшиеся в процессе пиролиза газы, тем Не менее, не контактируют с топливом и материалом псевдоожиженного слоя в течение соответствующего периода времени, поскольку потоки пересекают друг друга.
В соответствии с предпочтительным исполнением изобретений устройство пиролиза стыкуется непосредственно с устройством горения бойлера с псевдоожиженным слоем, например, таким образом, что его размещают снаружи топки и материал псевдоожиженного слоя поступает в устройство пиролиза из топки через впускное отверстие и возвращается в топку через выпускное отверстие. Устройство пиролиза может, таким образом, быть интегрировано особенно с бойлером с пузырьковым псевдоожиженным слоем (бойлер типа BFB), особенно, если устройство пиролиза и топка имеют общую стенку* в которой выполнены указанные впускное и выпускное отверстия. Таким образом, материал псевдоожиженного слоя бойлера может быть использован с оптимальной эффективностью в рамках компактного технического решения. Материал псевдоожиженного слоя передают по принципу соединяющихся сосудов, поскольку при сжижении он действует как жидкость. Перемещение топлива, предназначенного для пиролиза, и материала псевдоожиженного слоя через реактор пиролиза может быть осуществлен направляющими соплами сжижающего газа. Кроме этого, имеется возможность регулирования температуры в пиролизном реакторе за счет дополнительного нагрева или охлаждения, при том, что процесс не зависит существенно от температуры материала псевдоожиженного слоя и скорости потока.
Далее, изобретение будет более детально описано со ссылками на приведенные чертежи, на которых:
Фиг.1 схематически показывает процесс пиролиза с использованием бойлера с пузырьковым псевдоожиженным споем; Фиг.2-5 показывают вид спереди пиролизного реактора со стороны топки, вид сбоку вертикального поперечного сечения, вертикальное поперечное сечение с внешней стороны топки и вид сверху горизонтального поперечного сечения.
На чертеже Фиг.1 схематически показан процесс с использованием бойлера с горением внутри. В бойлере с горением внутри материалы образуют так называемый псевдоожиженный слой пузырькового типа (BFB). Бойлер включает топку 1 и жаровую трубу 2, выводящую газы из топки. Материал псевдоожиженного слоя, образованный твердыми частицами движется внутри топки в режиме внутренней циркуляции. Материал псевдоожиженного слоя может представлять собой, например, инертный материал, такой, как песок. Подача жидкого или твердого топлива, сжижающего воздуха или воздуха горения в топку, также, как и элементы, касающиеся генерации пара в бойлере не представлены, поскольку они не имеют отношения к изобретению.
Процесс пиролиза, показанный на чертеже Фиг.1, использует бойлер при том, что процесс предусматривает возможность пиролиза топлива, которое может быть тем же топливом, которое используют в процессе горения в топке бойлера, или другим топливом. Таким образом, один и тот же завод может одновременно производить энергию в форме пара и/или электричества за счет сжигания топлива и топливо в виде пиролизного масла за счет термальной энергии* выделяемой в процессе горения. Процесс пиролиза особенно предпочтителен в отношении твердых топлив на основе биомассы, таких как древесные стружки, древесная пыль, солома, различные отходы от обработки бревен и другие отходы на основе биомассы. Также возможно использование топлив, частично основанных на биомассе, таких как торф. Возможно, что в топке 1 бойлера сжигают топливо, полностью или частично основанное на биомассе, которое является однородным с тем, которое подают в процесс пиролиза, или другим топливом, полностью или частично основанным биомассе. Также возможно сжигание в бойлере угля, торфа или солярового масла, а пиролизу подвергать твердое топливо, основанное на биомассе. Если пиролизу подвергают материал в виде топлива, важно помнить, что этот материал не подлежит сгоранию в процессе пиролиза, но выделяет горючие газообразные материалы, которые после конденсации в жидкое состояние могут быть преобразованы, сохранены, транспортируемы или сожжены где бы то ни было с целью использования содержащейся в них энергии. Остаточные продукты пиролиза, например кокс, выделяемые из пиролизуемого материала, сохраняют достаточно энергии и могут быть, в свою очередь, сожжены отдельно от процесса пиролиза предпочтительно в топке.
Процесс пиролиза включает реактор для пиролиза, другими словами устройство пиролиза или пиролизер 4, который является в основном закрытой камерой и который размещают вблизи топки 1, средства 5 для подачи сжижающего газа в пиролизер 4, а также средства для направления конденсируемых газообразных материалов и сжижающего газа наружу из пиролизера. Конденсируемые газообразные материалы направляют по линии 7 в конденсатор 8, где они конденсируются в пределах одной или нескольких фаз в пиролизное масло, которое выводят наружу по линии 9. Не конденсируемые газы выводят наружу по линии 10 для дальнейшей обработки. После очистки, такие газы могут быть повторно использованы, например, в качестве сжижающих газов в пиролизере (прерывистая линия).
Процесс пиролиза имеет непрерывный характер и использует энергию, содержащуюся в инертном материале псевдоожиженного слоя бойлера с горением. Материал псевдоожиженного слоя забирают из внутренней циркуляции топки 1, часть которого пропускают через реактор 4 пиролиза описанным ниже способом.
В качестве инертного газа используют газы, аналогичные сжижающему, такие как неконденсируемые газы, получаемые в процессе пиролиза, циркуляционные газы бойлера, из которых выжжен кислород, или другие инертные газы, такие как азот. Сжижающий газ высушивают до обезвоженного состояния при необходимости пред его подачей в пиролизер.
На чертежах Фиг.2-5 более детально на различных видах показан пиролизер 4, встроенный в бойлер. На чертежах показано, что камера реактора и топка 1 бойлера имеют общую стенку. Общая стенка топки и камеры реактора и другие стенки камеры реактора могут быть образованы трубками, соединенными к водно-паровой циркуляции бойлера. Реактор включает входную секцию 4a, секцию 4b проведения непосредственно пиролиза и выходную секцию 4c, которые отделены друг от друга промежуточными стенками, спускающимися с верхнего перекрытия камеры реактора таким образом, что потоки проходящих сквозь реактор материалов сохраняют свои траектории между промежуточными стенками и нижней частью камеры реактора.
Входной канал 11 открывается навстречу входной секции 4а на стенке топки, через который горячий материал псевдоожиженного слоя поступает в реактор. Соответственно, выходной канал 12 открывается навстречу выходной секции 4 с, через который материал, прошедший через реактор и представляющий собой инертный материал и продукты коксования (горючий материал, в основном кокс), вводят в топку. Входной канал 11 может быть выполнен в виде одного или серии нескольких отверстий как показано на чертеже. Выходной канал 12 также может быть выполнен в виде двух и более отверстий. Сопла подачи сжижающего газа на днище камеры реактора обозначены позицией 5, а выход для газов, образованных в процессе пиролиза и сжижающих газов, размещенный на верхнем перекрытии камеры реактора в области секции пиролиза 4b, обозначен позицией 6. С целью распределения сжижающего газа по соплам его подачи, указанный газ подают к секциям 13 ниже камеры реактора при том, что указанные секции размещают ниже соответствующих секций 4a, 4b и 4c камеры реактора.
Чертежи Фиг.2 и 4 наилучшим образом показывают положение входного канала 11 и выходного канала 12 по вертикали. Входной канал 11 располагают ниже выходного канала 12 таким образом, чтобы, используя материал псевдоожиженного слоя, появилась возможность создать одновременно «песочное уплотнение» или газовый затвор для предотвращения обратного потока. Верхняя поверхность материала псевдоожиженного слоя представлена прерывистыми линиями на чертежах Фиг.3 и 4. Входной канал 11 секции подачи 4а находится ниже поверхности материала псевдоожиженного слоя.
Топливо, предназначенное к пиролизу, подают через вход 14 подачи к входному участку реактора, где оно смешивается с материалом псевдоожиженного слоя. Вход подачи может быть введен во входную секцию 4а или присоединен к входному участку секции пиролиза 4b в точке, где материал псевдоожиженного слоя движется в сторону секции пиролиза 4b, образуя зону действия пиролиза, как показано на чертеже Фиг.5. Топливо переносится вместе с материалом псевдоожиженного слоя в основном горизонтально сквозь секцию пиролиза 4b при том, что его псевдоожижают снизу пиролизным газом, практически свободным от кислорода, который вдувают через сопла 5 или им подобные устройства, расположенные в нижней части секции пиролиза. Таким образом, органические соединения, отделяемые от топлива при температуре (примерно 400-600°C), требуемой для проведения пиролиза, переносят в газообразной форме вверх вместе с сжижающим газом и выводят далее из верхней части камеры реактора через выходной патрубок 6. Так образуют псевдоожиженный слой пузырькового типа в секции пиролиза 4b за счет эффекта взаимодействия топлива и материала слоя. Даже при том, что движение сжижающего газа вызывает движение вверх и вниз частиц топлива и псевдоожиженного слоя, они устойчиво движутся из входной секции 4a к выходной секции 4c, т.е. направление их основного потока сквозь секцию пиролиза 4b (горизонтальная стрелка S) является поперечным по отношению к направлению подачи сжижающего газа (снизу вверх).
При описанном пересечении потоков, при котором пиролизуемый материал последовательно движется поперечно по отношению к направлению движения сжижающего газа, время нахождения пиролизуемого топлива в процессе пиролиза может быть более длительным по сравнению со временем контакта газообразных компонентов, полученных в процессе пиролиза, с пиролизуемым материалом. При этом, все частицы топлива подвержены процессу пиролиза с наилучшей возможной эффективностью. Двигаясь поперечно широкому фронту потока сжижающего газа, все частицы входят в многократный контакт с новыми порциями свежего сжижающего газа при температуре, предпочтительной для проведения пиролиза. Время пребывания может изменяться, ориентируясь на частицы больших размеров, что часто имеет место с топливом, полностью или частично основанным на биомассе, которое может быть очень неоднородным и в отношении других параметров.
На чертеже Фиг.5 показано предпочтительное исполнение, при котором входы подачи топлива могут быть размещены даже после начального участка секции пиролиза 4b (стрелки 14'). Таким образом, подача топлива может быть распределена по нескольким точкам ввода, расположенным по ходу движения потока материала псевдоожиженного слоя в направлении S. Так соотношение материал псевдоожиженного слоя - топливо остается равномерным вдоль всей длины зоны пиролиза, поскольку новые порции свежего топлива всегда могут быть поданы по мере необходимости для оптимизации реакции.
Скорость ожижения или, другими словами, скорость перемещения газа в потоке пиролизуемого материала и время пребывания материала могут регулироваться независимо. Скорость подачи топлива может влиять на время пребывания топлива в процессе пиролиза и на соотношение материал псевдоожиженного слоя - топливо, при том, что псевдоожижение может влиять на массу потока горячего материала псевдоожиженного слоя и, как результат этого, на теплоемкость потока. Движение потока матерала псевдоожиженного слоя сквозь весь пиролизер может регулироваться скоростью сжижения выходной секции 4c камеры реактора. Температура, требуемая для пиролитической реакции, может быть достигнута в основном передачей тепла в процесс горячим материалом псевдоожиженного слоя, взятым из топки 1 бойлера. Если необходимо, можно разместить теплообменник 15 во входной секции 4а, с помощью которого можно регулировать температуру процесса до заданного уровня, другими словами, можно либо нагревать процесс или охлаждать его, если необходимо. Температуру также можно регулировать до некоторой степени с помощью температуры сжижающего газа.
Если пиролизер 4 размещают сразу за топкой 1, отпадает необходимость в транспорте горячего материала псевдоожижающего слоя по трубам. Материал слоя из топки 1 поступает непосредственно в пиролизер 4 и возвращается из пиролизера сразу в топку. Процесс также просто прервать остановкой подачи топлива в пиролизер, поскольку материал слоя может продолжать циркулировать внутри пиролизера или его циркуляцию также можно остановить прерыванием процесса сжижения. Пиролизер также легко запустить, если работает бойлер, т.е. в нем топливо горит. В реакторе пиролиза, интегрированным с бойлером, продукты пиролитического коксования не сбрасывают в отходы, поскольку их возвращают вместе с материалом слоя в топку 1 и дожигают там.
Кроме всего, пиролизер также легко использовать вместе с бойлером с пузырьковым псевдоожиженным слоем, поскольку он не изменяет существенно никаких существенных устройств или функций бойлера.
Стрелки на чертеже Фиг.4 иллюстрируют возможность установки на начальном участке секции пиролиза 4b сопел с управлением их направления, что в совокупности с действием сжижения направляет сжижающий газ к основному потоку материала в направлении S. Такая подача может быть использована для воздействия на миграцию материала сквозь секцию пиролиза 4b.
Изобретение не ограничено примерами исполнения, показанными на приведенных чертежах, но может быть изменено в рамках содержания изобретательской идеи, изложенного в формуле изобретения. Изобретение также может быть использовано вместе с бойлером с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB), в котором материал слоя приходит в пиролизер 4 извне топки через возвратную трубу, берущую начало из сепаратора, например из сепаратора циклонного типа.
Соответствующий вход 11 может быть организован на другой стенке пиролизера, отличающейся от стенки, смежной с топкой 1. Также возможно устройство пиролизера, использующего бойлер с циркулирующим псевдоожиженным слоем, полностью независимого от топки, при том, что материал слоя передают из пиролизера через возвратную трубу обратно в топку 1.
При этом нет необходимости изменять принцип работы пиролизера в любом случае.