СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ БИОМАССЫ ПУТЕМ РЕЦИРКУЛЯЦИИ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА БЕЗ КИСЛОРОДА
METHOD AND DEVICE FOR GASIFICATION OF BIOMASS BY RECYCLING CARBON DIOXIDE WITHOUT OXYGEN

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области газификации биомассы, более конкретно, к способу и устройству для рециркуляции диоксида углерода при газификации биомассы.
Уровень техники
Поскольку общество все больше волнует глобальное потепление, выбросу парниковых газов уделяется растущее внимание во всех странах мира. Например, американская научно-исследовательская компания GE по энергетике и окружающей среде, американские сторонники нулевых выбросов и японская Организация по разработке новой энергетической и промышленной технологии выдвинули концепцию энергосистем с нулевыми выбросами.
2
Традиционным способом достижения нулевого выброса углерода является превращение реагентного диоксида углерода в химические продукты, содержащие углерод, при помощи химической реакции. В Китайской патентной публикации № CN 102060662 В описаны устройство и способ рециркуляции диоксида углерода. В соответствии с этим патентом часть диоксида углерода используют для аэробной газификации с целью получения синтез-газа, другую часть диоксида углерода подвергают реформингу с природным газом с получением диметилового эфира или метанола. Этот способ пригоден для рециркуляции диоксида углерода, однако в этом способе и устройстве потребляются кислород и природный газ, поэтому конверсия СО мала, энергопотребление велико и технологическая схема процесса сложна.
Сущность изобретения
Ввиду указанных выше проблем одной из целей настоящего изобретения является обеспечение способа и устройства для рециркуляции диоксида углерода при газификации биомассы. Это устройство характеризуется высокой степенью конверсии материалов и отсутствием потребления кислорода. Способ характеризуется простой технологической схемой и нулевым выбросом диоксида углерода.
Для достижения указанной цели в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения им обеспечивается способ рециркуляции диоксида углерода при газификации биомассы, при этом, в соответствии с данным способом только диоксид углерода используют в качестве агента газификации для газификации биомассы с получением синтез-газа, а синтез-газ используют для производства нефтепродуктов в отсутствии кислорода, при этом данный способ включает:
2
4
2
2
2
1) стадию газификации: использование диоксида углерода в качестве агента газификации, проведение в газификаторе газификации биомассы диоксидом углерода при подводе вспомогательной энергии извне и, тем самым, получение синтез-газа, содержащего СО, СО, СН, Н, НО, НS, COS, при этом агент газификации - диоксид углерода - отбирается на следующих стадиях;
2) стадию охлаждения: охлаждение синтез-газа при помощи первичного теплообменника и вторичного теплообменника, установленных последовательно, при этом в первичном теплообменнике в качестве охлаждающей среды используют диоксид углерода, тем самым, диоксид углерода, являющийся агентом газификации на стадии 1), предварительно подогревается, во вторичном теплообменнике в качестве охлаждающей среды используют воду, тем самым, получают пар;
3) стадию газоочистки: охлажденный на стадии 2) синтез-газ подают в циклонный сепаратор и газоочиститель с целью отделения пыли и очистки;
4) реакцию сдвига: осуществление реакции очищенного на стадии 3) синтез-газа с паром так, что часть монооксида углерода синтез-газа превращается в водород и диоксид углерода, тем самым, изменяя отношение водорода к монооксиду углерода в синтез-газе;
2
5) стадию обессеривания: обессеривание модифицированного синтез-газа с целью удаления из него HS и COS;
6) стадию декарбонизации: декарбонизация обессеренного синтез-газа с целью отделения от него диоксида углерода;
7) каталитический синтез: подача обессеренного и декарбонизированного синтез-газа в колонну синтеза, где обессеренный и декарбонизированный синтез-газ посредством каталитической реакции преобразуется в нефтепродукты, а отходящий газ содержит диоксид углерода;
8) декарбонизацию отходящего газа: декарбонизация отходящего газа, содержащего диоксид углерода, и отделение диоксида углерода, и при этом выпускаемый дымовой газ не содержит диоксид углерода; и
9) рециркуляцию агента газификации: подача диоксида углерода, отделенного на стадиях 6) и 8), в первичный теплообменник стадии 2) в качестве охлаждающей среды и, тем самым, предварительное нагревание диоксида углерода; и подача подогретого диоксида углерода на стадию 1) в качестве агента газификации с целью осуществления газификации.
Предпочтительно, на стадии 1) температура газификации составляет от 600 до 1300°С, и температура синтез-газа на выходе составляет от 700 до 1100°С. Предпочтительно, температура газификации составляет от 850 до 1250°С, и температура синтез-газа на выходе составляет от 850 до 1100°С.
Предпочтительно, на стадии 1) подвод вспомогательной энергии извне осуществляют посредством плазменного факела, микроволновой, солнечной энергии, энергии лазерного излучения, электрической индукции или их сочетания, при этом вспомогательная энергия, подводимая извне, составляет 10-30% всей энергии топлива, подаваемого в газификатор в единицу времени.
Предпочтительно, на стадии 1) вспомогательная энергия, подводимая извне, составляет 15-20% всей энергии топлива, подаваемого в газификатор в единицу времени.
Предпочтительно, на стадии 1) отношение потребления диоксида углерода к выходу синтез-газа составляет от 0,36 до 0,51 в некотором стандартном состоянии; размер частиц биомассы составляет менее 50 мм, интенсивность подачи агента газификации - диоксида углерода - составляет от 30 до 60 м/с. На стадии 2) агент газификации - диоксид углерода - подогревают в первичном теплообменнике до температуры от 350 до 600°С.
Предпочтительно, на стадии 4) отношение количества водорода к количеству монооксида углерода в модифицированном синтез-газе равно 2:1.
В другом аспекте изобретением обеспечивается система для рециркуляции диоксида углерода при газификации биомассы, при этом данная система включает: газификатор, утилизационный теплообменник, утилизационный котел, циклонный сепаратор, газоочиститель, реактор сдвига, колонну обессеривания, первую колонну декарбонизации, колонну синтеза и вторую колонну декарбонизации.
Выходное отверстие для синтез-газа газификатора соединено с входным отверстием для теплоносителя утилизационного теплообменника; выходное отверстие для теплоносителя утилизационного теплообменника соединено с входным отверстием для источника тепла утилизационного котла; выходное отверстие для источника тепла утилизационного котла соединено с входным отверстием для газа циклонного сепаратора; выходное отверстие для газа циклонного сепаратора соединено с входным отверстием газоочистителя; выходное отверстие газоочистителя соединено с входным отверстием реактора сдвига через компрессор; и выходное отверстие для пара утилизационного котла соединено с входным отверстием для пара реактора сдвига.
2
Выходное отверстие для пара реактора сдвига соединено с входным отверстием колонны обессеривания, выходное отверстие колонны обессеривания соединено с входным отверстием первой колонны декарбонизации, которая предназначена для декарбонизации синтез-газа; выходное отверстие первой колонны декарбонизации соединено с входным отверстием колонны синтеза; отверстие для выпуска отходящего газа колонны синтеза соединено с входным отверстием для отходящего газа второй колонны декарбонизации, которая предназначена для декарбонизации отходящего газа; выходные отверстия для СО первой колонны декарбонизации и второй колонны декарбонизации соединены с входным отверстием для охлаждающей среды утилизационного теплообменника; и выходное отверстие для охлаждающей среды утилизационного теплообменника соединено с отверстием для подачи агента газификации газификатора.
2
Предпочтительно, выходные отверстия для СО первой колонны декарбонизации и второй колонны декарбонизации соединены с входным отверстием резервуара для газа, и выходное отверстие резервуара для газа соединено с входным отверстием для охлаждающей среды утилизационного теплообменника через вентилятор.
2
Предпочтительно, входное отверстие резервуара для газа также соединено с выходным отверстием для СО обжиговой печи.
Предпочтительно, воздухораспределитель размещен в нижней части камеры газификатора; в стенке газификатора над воздухораспределителем имеется отверстие для подачи первичного агента газификации; в стенке газификатора ниже воздухораспределителя имеется отверстие для подачи вспомогательного агента газификации; место подвода вспомогательной энергии извне находится на стенке газификатора над отверстием для подачи вспомогательного агента газификации; выходное отверстие для охлаждающей среды утилизационного теплообменника соединено как с отверстием для подачи первичного агента газификации, так и отверстием для подачи вспомогательного агента газификации.
Преимущества, присущие вариантам осуществления изобретения, следующие.
1. В соответствии с данным способом диоксид углерода используется в качестве рециркулируемой среды, не потребляется кислород, и не происходит выброса диоксида углерода.
2. В соответствии с данным способом диоксид углерода используется в качестве агента газификации, не используется кислород, тем самым, восполняется источник углерода, сокращается потребление материалов, и повышается степень конверсии материалов.
3. В соответствии с изобретением отсутствуют какие-либо специальные требования к размеру частиц материалов, где материалы должны быть просто измельчены, и, следовательно, эта операция проста.
4. Вспомогательная энергия извне может быть подведена в различном виде, что является преимуществом с точки зрения всеобъемлющего использования энергии.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема системы рециркуляции диоксида углерода при газификации биомассы настоящего изобретения;
на фиг. 2 представлена схема газификатора настоящего изобретения; и
на фиг. 3 показано сечение по А-А на фиг. 2.
2
На чертежах использованы следующие ссылочные позиции: 1. Газификатор; 2. Утилизационный теплообменник; 3. Утилизационный котел; 4. Циклонный сепаратор; 5. Газоочиститель; 6. Компрессор; 7. Реактор сдвига; 8. Колонна обессеривания; 9. Первая колонна декарбонизации; 10. Колонна синтеза; 11. Вторая колонна декарбонизации; 12. Резервуар для газа; 13. Вентилятор; 14. Топливо; 15. Подвод вспомогательной энергии извне; 16. Подача вспомогательного агента газификации; 17. Подача сырья; 18. Выходное отверстие для синтез-газа; 19. Воздухораспределитель; 20. Подача первичного агента газификации; 21. Выходное отверстие для отведения шлака; 22. Подающее устройство; 23. Охладитель шлака; 24. Пар; 25. Охлажденный шлак; 26. Зольная пыль; 27. Нефтепродукт; 28. Отходящий газ; 29. СО; 30. Синтез-газ; 31. Дымовой газ; 32. Обжиговая печь; 33. Известь.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Техническое решение данного изобретения поясняется далее на вариантах его осуществления. Однако эти варианты осуществления не следует рассматривать как ограничивающие объем защиты настоящего изобретения.
На фиг. 1 представлена схема системы рециркуляции диоксида углерода при газификации биомассы настоящего изобретения в отсутствии кислорода. Данная система включает газификатор 1, утилизационный теплообменник 2, утилизационный котел 3, циклонный сепаратор 4, газоочиститель 5, компрессор 6, реактор 7 сдвига, колонну 8 обессеривания, первую колонну 9 декарбонизации, колонну 10 синтеза и вторую колонну 11 декарбонизации. Газификатор 1 снабжен выходным отверстием 18 для синтез-газа в верхней части, выходным отверстием 21 для отведения шлака в нижней части и отверстием 17 для подачи сырья в середине наружной стенки газификатора. Отверстие для подачи сырья соединено с подающим устройством 22. Воздухораспределитель 19 расположен в нижней части камеры газификатора 1. В стенке газификатора над воздухораспределителем 19 имеется отверстие 20 для подачи первичного агента газификации. В стенке газификатора ниже воздухораспределителя 19 имеется отверстие 16 для подачи вспомогательного агента газификации. Место 15 подвода вспомогательной энергии извне расположено на стенке газификатора над отверстием 16 для подачи вспомогательного агента газификации.
Выходное отверстие 18 для синтез-газа газификатора 1 соединено с входным отверстием для теплоносителя утилизационного теплообменника 2. Выходное отверстие для теплоносителя утилизационного теплообменника 2 соединено с входным отверстием для источника тепла утилизационного котла 3. Выходное отверстие для источника тепла утилизационного котла 3 соединено с входным отверстием для газа циклонного сепаратора 4. Выходное отверстие для газа циклонного сепаратора 4 соединено с водным отверстием газоочистителя 5. Выходное отверстие газоочистителя 5 соединено с входным отверстием для газа реактора сдвига 7 через компрессор 6. Выходное отверстие для пара утилизационного котла 3 соединено с входным отверстием для пара реактора сдвига 7.
2
Выходное отверстие для пара реактора сдвига 7 соединено с входным отверстием колонны 8 обессеривания, выходное отверстие колонны 8 обессеривания соединено с входным отверстием первой колонны 9 декарбонизации, которая предназначена для декарбонизации синтез-газа. Выходное отверстие первой колонны 9 декарбонизации соединено с входным отверстием колонны 10 синтеза. Выходное отверстие для отходящего газа колонны 10 синтеза соединено с входным отверстием для отходящего газа второй колонны 11 декарбонизации, предназначенной для декарбонизации отходящего газа. Выходные отверстия для СО первой колонны 9 декарбонизации и второй колонны 11 декарбонизации соединены с входным отверстием для охлаждающей среды утилизационного теплообменника 2. Выходное отверстие для охлаждающей среды утилизационного теплообменника 2 соединено как с входным отверстием 20 для подачи первичного агента газификации, так и с входным отверстием 16 для подачи вспомогательного агента газификации.
2
2
Выходные отверстия для СО первой колонны 9 декарбонизации и второй колонны 11 декарбонизации соединены с входным отверстием резервуара 12 для газа. Выходное отверстие резервуара 12 для газа соединено с входным отверстием для охлаждающей среды утилизационного теплообменника 2 через вентилятор 13. Входное отверстие резервуара 12 для газа также соединено с выходным отверстием для СО обжиговой печи 32.
2
2
2
4
2
2
2
В данном примере твердое топливо 14, такое как биомасса, подают при помощи подающего устройства 22 в газификатор 1 через входное отверстие 17 для подачи сырья. Рециркулируемый агент газификации СО подают в газификатор 1 при помощи вентилятора. Имеется две траектории поступления агента газификации СО в газификатор. Одна - подача через входное отверстие 20 для первичного агента газификации, а затем - в газификатор через воздухораспределитель 19; другая - подача в газификатор 1 через входное отверстие 16 для вспомогательного агента газификации. Между тем внешнюю тепловую энергию подводят к газификатору в месте 15 подвода вспомогательной энергии извне. Газификацию биомассы в газификаторе 1 проводят при высокой температуре, получая СО, СО, СН, Н и полукокс. Температуру реакции в газификаторе регулируют в диапазоне от 600 до 1600°С, так что полукокс вступает в реакцию с СО, уравнение этой реакции: С+СО=2СО+Q при высокой скорости реакции.
3
3
2
2
2
Если в качестве примера взять рисовые отруби и 1 Нм синтез-газа, то вспомогательная энергия составит 15-25% общей энергии подаваемого топлива, температура реакции составит 800°С, объем рециркуляции СО - 0,51 Нм, расход биомассы - 0,48 кг, синтез-газ, выходящий из газификатора через выходное отверстие, будет содержать 0-55% об. СО, 22-28% СО и 6-12% Н.
Выходящий из газификатора 1 через выходное отверстие синтез-газ 30 имеет высокую температуру. Охлажденный шлак 25 отводят через выходное отверстие 21 для отведения шлака и охлаждают в охладителе 23 шлака.
2
2
2
Температуру реакции в газификаторе регулируют в диапазоне 600-1300°С, предпочтительно, 850-1250°С. Температуру синтез-газа на выходе регулируют в диапазоне 800-1100°С. В газификаторе в качестве как газа-носителя для сырья, так и продувочного газа используют рециркулируемый СО. Вспомогательная энергия, подводимая извне, составляет 15-30% всей энергии подаваемого топлива. Подводимая извне вспомогательная энергия представляет собой любой тип энергии, который может быть преобразован в тепловую энергию, включая помимо прочего плазменный факел, микроволновую, солнечную энергию, энергию лазерного излучения, энергию электрической индукции. Объем рециркулируемого СО может регулироваться в соответствии с температурой в печи и категорией топлива. Интенсивность подачи агента газификации, проходящего через воздухораспределитель газификатора, может быть отрегулирована в соответствии с размером частиц топлива, предпочтительно, размер частиц топлива равен менее 50 мм, а интенсивность подачи составляет 30-60 м/с. Когда газификатор функционирует, также запускают обжиговую печь 32 и осуществляют обжиг извести 33, получая СО, выступающий в роли пускового газа.
2
Для достижения оптимальных рабочих условий и общей производительности способа тщательно регулируют температуру реакционного слоя, энергию плазмы и подачу СО в режиме реального времени. За указанными выше ключевыми параметрами можно следить при помощи блока контроля, расположенного у выходного отверстия для синтез-газа из газификатора, или посредством сблокированного управления, чтобы организовать полностью автоматизированный режим работы и, тем самым, гарантировать стабильную работу системы.
2
2
Имеющий высокую температуру синтез-газ 30 затем подают в утилизационный теплообменник 2, где он обменивается теплом с агентом 29 газификации - СО. Таким образом, агент газификации предварительно нагревается синтез-газом, благодаря чему повышается эффективность конверсии газификатора. После первичного охлаждения высокотемпературный синтез-газ направляют в утилизационный котел 3, где при его охлаждении образуется пар 24. После двухстадийного охлаждения синтез-газ поступает в циклонный сепаратор 4 и газоочиститель 5 для дальнейшего охлаждения и удаления пыли. Получаемую зольную пыль 26 собирают и выводят. Предварительно подогретый СО имеет температуру 350-600°С.
Охлажденный и очищенный синтез-газ сжимают при помощи компрессора 6, после чего подают в реактор 7 сдвига, где осуществляют реакцию сдвига водяного газа, в которой участвуют синтез-газ и пар 24, поступающий из утилизационного котла 3, и, тем самым, достигается модифицированная обработка синтез-газа, при которой гарантируется полное использование продуктов реакции процесса в целом.
2
Модифицированный синтез-газ подают в колонну 8 обессеривания и первую колонну 9 декарбонизации с целью обессеривания и декарбонизации. Очищенный синтез-газ из первой колонны 9 декарбонизации поступает в колонну 10 синтеза. СО из первой колонны 9 декарбонизации поступает в резервуар 12 для газа под действием остаточного давления.
В колонне 10 синтеза очищенный синтез-газ преобразуется в нефтепродукт 27 посредством реакции каталитического синтеза с одновременным образованием отходящего газа 28.
2
Отходящий газ 28 подают во вторую колонну 11 декарбонизации и отделяют СО 29. Оставшийся дымовой газ 31, не содержащий парниковых газов, обрабатывают и выпускают наружу. Таким образом, способом настоящего изобретения достигается нулевой выброс парникового газа.
2
СО из первой колонны 9 декарбонизации и второй колонны 11 декарбонизации подают в резервуар 12 для газа, продуваемый вентилятором 13, и направляют в газификатор 1 через отверстие 20 для подачи первичного агента газификации и отверстие 16 для подачи вспомогательного агента газификации, после чего начинается следующий цикл газификации.