СИСТЕМА ГАЗИФИКАЦИИ
GASIFICATION SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области газификации. Более конкретно, оно относится к системе пиролиза для газификации углеродсодержащего исходного сырья.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Существует много способов утилизации бытовых и промышленных органических отходов, включая закапывание и сжигание. Однако, закапывание отходов требует специальных полигонов и часто оказывает негативное социальное и экологическое влияние, в то время как утилизация путем сжигания предполагает значительные затраты на энергию. В дополнение к этому, оба этих способа производят парниковые газы при разложении или при сжигании. Альтернативно углеродсодержащие отходы могут быть преобразованы в биотопливо аэробным и анаэробным сбраживанием. Однако недостатком обоих способов является низкая эффективность процесса, то есть продолжительность процессов часто исчисляется днями и неделями. В дополнение к этому, аэробное сбраживание требует значительных капитальных затрат на строительство и поддержание большого бассейна.
et al.
Высокотемпературный пиролиз, с другой стороны, является эффективным непрерывным процессом, который преобразует углеродсодержащее сырье в метан и другие горючие газы. Хотя высокотемпературный пиролиз требует значительного подвода энергии для достижения заданной температуры процесса, он может быть обеспечен за счет части производимого газообразного метана, и поэтому процесс является самоподдерживающимся. Он также обеспечивает нулевой баланс выбросов углерода, когда биомасса используется в качестве углеродсодержащего исходного сырья. Частичный или полный пиролиз углеродсодержащего исходного сырья хорошо известен в данной области техники, см., например, патентные документы US4759300 (Hansen) и WO2014/090574A (Beech ). Патентные документы US8282787B и US2013/0004409A (Tucker) описывают систему пиролиза, которая использует муфельную камеру с управляемой температурой и встроенным спиральным шнеком, в которой активированный уголь, производимый в процессе пиролиза, применяется для фильтрования и связывания вредного газа. В другой заявке US2014/0301934 (Tucker) описывается система пиролиза с покрытым катализатором шнеком для поддержания процесса конверсии окисей углерода водородом в метан (метанирования), а также способ для производства углеродных нанотрубок.
В дополнение к органическим отходам ископаемое топливо, такое как уголь и битум, может быть использовано в качестве углеродсодержащего питания для процесса пиролиза/газификации с тем, чтобы производить газообразный метан высокого качества. Например, угольный порошок из шлаков, обычно имеющий размер частиц менее 5 мм, и поэтому представляющий значительный риск взрыва при хранении и транспортировке, может быть обработан с использованием процесса газификации. Однако продуктовый газ, получаемый в результате обычного процесса газификации, обычно имеет неблагоприятно низкую концентрацию метана.
Высокотемпературная среда при пиролизе преобразует углеродсодержащее исходное сырье в длинноцепочечные углеводороды (например, первичная смола и вторичная смола) перед их расщеплением (крекированием) на короткоцепочечные углеводороды, водород и третичный смола.
Первичный смола обычно характеризуется соединениями, получаемыми непосредственно в результате термообработки (в данном случае пиролиза) органического исходного сырья, например циклогексаноном, гваяколом или муравьиной кислотой. Вторичный смола обычно характеризуется фенолами и олефинами. Третичный смола характеризуется ароматическими соединениями без кислородных составных частей, которые могут быть подщелоченными (например, толуол, инден) или «конденсированными» продуктами, такими как полиароматические углеводороды без заместителей (например, нафталин, фенантрен).
Термический крекинг длинноцепочечных углеводородов, эффективный при температуре выше 1000°C, приводит к увеличению количества водорода, а также к образованию метана. Однако при слегка повышенной температуре (то есть > 1100°C), как правило, в точках локального перегрева в камере пиролиза, любой образующийся метан может быть пиролизован. В результате пиролиз при чрезмерно высокой температуре приводит к образованию значительного количества отходов смолы в продуктовом газе и снижает чистоту продуктового газа.
Метанирование может быть определено как физико-химический процесс образования метана из смеси различных газов, получаемых в результате термохимической газификации. Термический крекинг смолы является эффективным при 950-1100°C в присутствии никелевого катализатора, но большинство методик пиролиза в настоящее время работают при более низкой температуре; однако работа при этой пониженной температуре уменьшает эффективность крекинга, то есть уменьшает расщепление упомянутого первичного, вторичного и третичного смолы, эффективно уменьшая количество доступного углерода и водорода для последующего метанирования.
Патентные документы EP2440633 и US8784616B (Tucker) описывают муфельный барабан, в котором нагревательная камера разделяется на множество секций для того, чтобы обеспечить переменный профиль температуры вдоль барабана. В проиллюстрированном примере перегородки являются подвижными в осевом направлении; по сути время пребывания исходного сырья и продуктового газа в каждой секции регулируется путем изменения длины секции. Переменный профиль температуры позволяет отделить метанирование от стадии пиролиза и крекинга, что приводит к лучшему выходу. Однако из-за более низких температур в камере метанирования из реакционной камеры вместе с продуктовым газом выводится любая выделяющаяся в ней первичная смола и вторичная смола, а также часть третичной смолы. Даже несмотря на то, что эти смолы могут быть вымыты из продуктового газа в последующих блоках разделения, такая система приводит к более низкому выходу и более высокой стоимости удаления смолы.
В результате очень желательным является процесс с высоким выходом, который производит продуктовый газ с высокой концентрацией метана и расщепляет любую остаточную смолу для дальнейшего метанирования.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Заявитель смягчил вышеупомянутые проблемы путем предложения системы газификации и разработки процесса, использующего эту систему.
Процессы в соответствии с настоящим изобретением направлены превращение углеродсодержащего сырья в ходе реакции. Такие процессы содержат стадию:
i) пиролиза и метанирования исходного сырья для производства реакционного газа по меньшей мере в одной камере пиролиза, причем по меньшей мере одна камера пиролиза функционирует при температуре 850°C или выше (предпочтительно 950°C или выше).
Предпочтительно углеродсодержащее исходное сырье содержит уголь. Предпочтительно реакционный газ содержит метан.
Некоторые процессы в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержат следующие стадии:
ii) удаление реакционного газа по меньшей мере из одной камеры пиролиза,
iii) газификация непрореагировавшего сырья по меньшей мере из одной камеры пиролиза для получения синтез-газа по меньшей мере в одной камере газификации, причем по меньшей мере одна камера газификации содержит одно или несколько отверстий для введения реагентов для газификации и функционирует при температуре 700-1100°C.
iv) удаление синтез-газа по меньшей мере из одной камеры газификации.
В таких процессах синтез-газ предпочтительно содержит по меньшей мере одно из смолы, водорода и моноксида углерода. В таких процессах реакционный газ предпочтительно содержит по меньшей мере одно из пара, водорода, кислорода и воздуха. В таких процессах процесс предпочтительно включает в себя стадию отделения углеводорода, имеющего по меньшей мере два атома углерода, от реакционного газа и синтез-газа для того, чтобы сформировать продуктовый газ и очищенный синтез-газ соответственно. В этом случае углеводород предпочтительно представляет собой смолу. Углеводород предпочтительно вводится во впуски камеры пиролиза и/или камеры газификации.
Когда производится очищенный синтез-газ, предпочтительно, чтобы часть продуктового газа и/или очищенного синтез-газа подавалась по меньшей мере в одну камеру пиролиза и/или по меньшей мере в одну камеру газификации для повышения давления в указанной камере (камерах) пиролиза и/или газификации.
Когда производится очищенный синтез-газ, предпочтительно, чтобы реакционный газ и синтез-газ объединялись перед стадией отделения углеводорода.
Некоторые процессы в соответствии с настоящим изобретением осуществляются с использованием камеры пиролиза, содержащей каталитическую поверхность и работающей при температуре от 850 до 1100°С, предпочтительно от 950°С до 1100°С, и дополнительно включают в себя стадии:
ii) удаления реакционного газа по меньшей мере из одного выпуска камеры пиролиза,
iii) разделения реакционного газа на часть продуктового газа и часть для дальнейшей обработки,
iv) циркулирование этой части для дальнейшей обработки по меньшей мере в один впуск камеры пиролиза для дальнейшей обработки,
v) извлечения части продуктового газа.
В этом случае предпочтительно, чтобы реакционный газ дополнительно содержал по меньшей мере один углеводород, имеющий по меньшей мере два атома углерода (предпочтительно смола; если это смола, то предпочтительно, чтобы продуктовый газ имел существенно более высокое содержание метана, чем реакционный газ, а часть для дальнейшей обработки имела существенно более высокое содержание смолы, чем реакционный газ).
Когда используются такие процессы, предпочтительно, чтобы часть продуктового газа подавалась в камеру пиролиза для повышения давления в упомянутой камере пиролиза. В этом случае предпочтительно, чтобы часть продуктового газа предварительно подогревалась перед подачей в камеру пиролиза.
Некоторые процессы в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержат стадию кондиционирования исходного сырья перед пиролизом; причем упомянутая стадия кондиционирования содержит любую операцию из классификации, фильтрования, измельчения и сушки исходного сырья в системе подготовки питания.
Настоящее изобретение также относится к системам для выполнения объясненных выше процессов, в частности к системам, которые содержат первичную камеру, вторичную камеру и третичную камеру; причем по меньшей мере одна камера пиролиза содержит первичную камеру; причем первичная камера, вторичная камера и третичная камера соединяются последовательно; и причем первичная камера работает при 850°C или выше (предпочтительно выше 950°C) для того, чтобы способствовать пиролизу исходного сырья и расщеплению (крекированию) смолы.
Некоторые системы в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержат по меньшей мере одну камеру газификации, причем эта по меньшей мере одна камера газификации содержит третичную камеру; причем либо камера пиролиза, либо камера газификации дополнительно содержит вторичную камеру; и причем модульные размеры всех камер выбираются в соответствии с требованиями производительности, требованиями времени пребывания исходного сырья и газов, а также требованиями к общей площади контакта катализатора с исходным сырьем и газами.
В некоторых системах в соответствии с настоящим изобретением вторичная камера функционирует при 700°C - 900°C для того, чтобы способствовать метанированию реакционного газа; а третичная камера функционирует при 700°C - 1100°C для того, чтобы способствовать газификации непрореагировавшего сырья. В этом случае предпочтительно, чтобы вторичная камера содержала выпуск, способное удалять реакционный газ, а третичная камера содержала выпуск, предназначенное для удаления газа, и предпочтительно, чтобы первичная камера работала при 850°C - 1100°C (предпочтительно при 950°C - 1100°C) для того, чтобы способствовать пиролизу исходного сырья и расщеплению (крекированию) смолы. Когда первичная камера функционирует при таких температурах в таких системах, предпочтительно, чтобы модульные размеры всех камер выбирались в соответствии с требованиями производительности, требованиями времени пребывания исходного сырья и газов, а также требованиями к общей площади контакта катализатора с исходным сырьем и газами. В этом случае предпочтительно, чтобы реакционный газ удалялся из выпуска вторичной камеры для разделения реакционного газа на продуктовый газ и часть для дальнейшей обработки; и эта часть для дальнейшей обработки вводится через впуск третичной камеры. Также предпочтительно, чтобы реакционный газ и смола, удаленная из выпуска третичной камеры, повторно вводились в систему через впуск первичной камеры.
В некоторых системах в соответствии с настоящим изобретением первичная камера функционирует при 850°C или выше (предпочтительно при 950°C или выше) для того, чтобы способствовать пиролизу исходного сырья и расщеплению (крекированию) смолы; а вторичная камера и третичная камера функционируют при 700°C - 1100°C для того, чтобы способствовать газификации непрореагировавшего сырья. В этом случае предпочтительно, чтобы первичная камера содержала выпуск, способное удалять реакционный газ; а вторичная и/или третичная камера содержала выпуск, способное удалять синтез-газ.
В некоторых системах в соответствии с настоящим изобретением каждая из первичной камеры, вторичной камеры и третичной камеры содержит по меньшей мере один барабан, и каждый из барабанов содержит шнек для транспортировки исходного сырья и реакционного газа внутри каждого из барабанов. В этом случае предпочтительно, чтобы система дополнительно содержала результирующие камеры между каждой парой последовательно связанных барабанов для обеспечения буферной емкости, а также предпочтительно, чтобы каждый из барабанов содержал нагревательную рубашку, и чтобы все они находились в гидравлической связи друг с другом. Когда используются нагревательные рубашки, предпочтительно, чтобы система дополнительно содержала механизмы амортизации в каждом соединении между нагревательной рубашкой и барабаном, а также в каждом соединении между барабаном и результирующей камерой. В этом случае предпочтительно, чтобы механизм амортизации представлял собой или содержал сильфоны.
В системах в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно, чтобы система дополнительно содержала кольцевое пространство, содержащее:
a) стенки, содержащие огнеупорный материал; и
b) корпус горелки, содержащий горелки;
конфигурируемое так, чтобы при использовании равномерный поток газов тек по внешней стороне камер последовательно от вторичной камеры к первичной камере или от третичной камеры через вторичную камеру к первичной камере.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Дополнительные особенности и аспекты настоящего раскрытия станут очевидными из следующего подробного описания иллюстративных и неограничивающих вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1a и 1b изображают систему газификации в соответствии с настоящим раскрытием.
Фиг. 2 изображает схему процесса в соответствии с настоящим раскрытием.
Фиг. 3a и 3b изображают соединение, содержащее механизм амортизации в соответствии с настоящим раскрытием.
Фиг. 4 изображает другую систему газификации в соответствии с настоящим раскрытием.
Фиг. 5a и 5b изображают в упрощенной форме систему в соответствии с настоящим раскрытием, содержащую кольцевое пространство.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Один вариант осуществления системы газификации 10 в соответствии с настоящим раскрытием показан на Фиг. 1a, Фиг. 1b; эта система может использоваться в процессе, показанном на Фиг. 2, для генерирования продуктового газа 14 из углеродсодержащего исходного сырья 12. Система 10 газификации содержит систему 20 подготовки (не показанную на Фиг. 1a и 1b для ясности) для кондиционирования исходного сырья, систему 30 питания для питания кондиционированным исходным сырьем множества последовательно соединенных цилиндрических камер 40, 50, 60, а также блок 90 разделения для отделения испаренной смолы от продуктового газа. Каждая из цилиндрических камер 40, 50, 60 содержит спиральный шнек 42, 52, 62, и эти шнеки используются для транспортировки исходного сырья через цилиндры 40, 50, 60. Температура в каждой из последовательно связанных цилиндрических камер 40, 50, 60 независимо контролируется с помощью отдельных нагревательных рубашек 44, 54, 64 для того, чтобы обеспечить благоприятные условия процесса для поддержания процессов пиролиза или метанирования. Поскольку образуется большое количество продуктовых газов, камеры 40, 50, 60 находятся под давлением. Продуктовый газ 74 содержит смолу и метан, и может быть извлечен в последующий блок 90 разделения из точки 70 извлечения газа на выходе вторичных камер 50. В последующем блоке 90 разделения большая часть смолы и примесей удаляется из продуктового газа, и в результате производится метановый продукт 14 высокой чистоты.
В этом конкретном варианте осуществления последовательно соединенные цилиндрические камеры содержат первичную камеру 40, вторичную камеру 50 и третичную камеру 60, каждая из которых имеет свою специальную функцию. Первичная камера 40 обеспечивает высокотемпературную (>850°C, предпочтительно >950°C) среду для пиролиза углеродсодержащего исходного сырья, а также для расщепления (крекирования) смолы, образующейся во время процесса пиролиза. Основное производство метана, однако, выполняется во вторичных камерах 50 при более низкой температуре (<900°C). Поток возвращаемых смол 76 (первичной, вторичной и третичной), отделенный от продуктового газа в последующем блоке 90 разделения, повторно вводится в процесс через вход 72 третичной камеры 60. Вместе с остаточными твердыми частицами, выгружаемыми из вторичных камер 50, извлеченные смолы 76 дополнительно пиролизуются, расщепляются и метанируются в высокотемпературной третичной камере 60. Небольшое количество чистого продуктового газа 14 подается в третичную камеру 60 и/или первичную камеру 40 и вторичные камеры 50 для того, чтобы обеспечить регулирование давления в реакционных камерах 40, 50, 60. Весь чистый продуктовый газ подогревается с помощью выпускного коллектора горючего газа перед его впрыском в камеры для того, чтобы минимизировать падение температуры внутри камер. Продуктовый газ 78 имеет высокое содержание смолы и выходит из третичной камеры 60 и повторно подается в первичную камеру 40 для дальнейшего расщепления. Остаток непрореагировавшего сырья 79, который имеет высокое содержание неорганических веществ, удаляется через выпуск 69 системы.
Повторное использование смол сначала в третичной камере 60, а затем в первичной камере 40 и/или вторичных камерах 50 в зависимости от качества газа обеспечивает более длительное время пребывания и высвобождает большее количество смол, которые будут расщеплены для последующего метанирования. Удаление и рециркуляция смол также увеличивают чистоту газообразного метана и уменьшают затраты на утилизацию смолы.
Процесс начинается в системе 20 подготовки с тем, чтобы исходное сырье, часто с изменчивым качеством, могло быть кондиционировано до постоянного качества. Перед его входом в систему 30 питания углеродсодержащее исходное сырье сначала готовится в системе 20 подготовки для того, чтобы удалить все металлические включения и объемистые инертные объекты, например путем использования магнитных экранов и/или индукционной системы классификации, или любых устройств, известных специалисту в данной области техники. Система 20 подготовки также измельчает исходное сырье до однородного размера, используя, например, измельчитель и/или гранулятор, и в этом процессе высвобождает и удаляет большинство металлических включений и объемистых инертных объектов; это минимизирует затраты энергии на переработку инертного материала. Измельченное исходное сырье затем обрабатывается в сушилке с управляемой температурой, в результате чего получается исходное сырье с содержанием влаги <5%; исходное сырье с низким содержанием влаги уменьшает парообразование в камерах 40,50,60 и помогает управлять инертной атмосферой, а также понижает уровень содержания кислорода для эффективной конверсии газа.
Сушилка с управляемой температурой может содержать газовые горелки, работающие на природном газе, продуктовом газе или синтез-газе, или она может использовать любые нагреватели, известные специалисту в данной области техники, например она может включать в себя электрические нагревательные элементы, микроволновые или инфракрасные радиаторы, или интегрированные теплообменники, использующие отработанное тепло от системы 10 газификации или любой другой источник тепла. В некоторых примерах сушилка с управляемой температурой дополнительно содержит интегрированную систему управления влажностью для регулирования объемной скорости потока исходного сырья и уровня влажности в соответствии с требованиями системы.
Было найдено, что подготовка и управление размером частиц исходного сырья и содержанием влаги обеспечивают эффективную теплопередачу и конверсию газа.
В некоторых вариантах осуществления устанавливается промежуточный системный бункер питания для сбора высушенного и измельченного исходного сырья из системы 20 подготовки. Использование промежуточного системного бункера питания обеспечивает буферную емкость на тот случай, если поток исходного сырья к системе 30 питания будет прерван. Система 30 питания использует консольное шнековое компрессионное устройство для создания воздушного шлюза; это достигается путем сжатия поступающего исходного сырья для формирования сжатой пробки. Его работа имеет решающее значение, поскольку любое засасывание воздуха в первичную камеру 40 влияет на эффективность процесса газификации, а также снижает чистоту конечного продуктового газа. Например, присутствие кислорода в нагретых камерах приводит к горению, которое в свою очередь создает побочные продукты, такие как моноксид углерода и диоксид углерода. Вместе с захваченным азотом побочные продукты и примеси уменьшают теплотворную способность продуктового газа.
Система 30 питания дополнительно содержит регулирующий клапан 34 гидравлического давления на своем выходе, который выпускает исходное сырье в вертикальную подающую горловину 35. Для регулирования подачи сырья в первичную камеру 40 предусмотрен высокоскоростной шнек 36 подачи, учитывающий такие параметры процесса, как объемная скорость потока исходного сырья, объемная плотность и свойства теплопередачи. Он служит для питания первичной камеры 40 подходящим потоком питания для оптимальной конверсии газа.
В проиллюстрированном варианте осуществления, как показано на Фиг. 1a и 1b, камеры 40, 50, 60 расположены вертикально друг над другом для облегчения эффективной циркуляции горячих газов через нагревательные рубашки 44, 54, 64 смежных камер. В дополнение к этому, сила тяжести помогает транспортировать исходное сырье и остаточные продукты в последующие камеры в вертикально расположенной структуре; в результате транспортные средства, такие как шнеки, могут быть опущены между смежными камерами, что уменьшает сложность процесса и связанную с этим стоимость обслуживания. Кроме того, результирующие камеры 46, 56a, 56b, соединяющие смежные камеры, обеспечивают дополнительную буферную емкость; масса исходного сырья, накапливающегося в результирующих камерах 46, 56a, 56b, создает гидростатический напор, гарантирующий надлежащую подачу исходного сырья в последующие шнеки.
Рабочей температурой в каждой из камер 40, 50, 60 управляют их собственные нагревательные рубашки 44, 54, 64. В проиллюстрированном варианте осуществления множество нагревателей 48 располагается внутри нагревательной рубашки первичной камеры, где нагретый воздух или газообразные продукты горения последовательно проходят через нагревательные рубашки вторичной камеры 54 и третичной камеры 64 для того, чтобы обеспечить нагревание с использованием дующего вниз вентилятора. Это положение множества нагревателей 48 гарантирует, что тепловые вихри формируются вокруг внешней поверхности барабана, устраняя таким образом потенциальные точки перегрева или мертвые зоны. Осевое позиционирование нагревателей 48 обеспечивает равномерное распределение и циркуляцию продуктов горения вдоль длины первичной камеры 40.
Каждая из нагревательных рубашек реакторных камер 44, 54, 64 независимо изолируется с использованием усовершенствованного керамического волокна или любого изолирующего материала, известного специалисту в данной области техники. Для облегчения распределения тепла устанавливаются выхлопные отверстия для соединения нагревательных рубашек первичной камеры 44 с отверстиями вторичной камеры 54, а также нагревательных рубашек вторичной камеры 54 с отверстиями третичной камеры 64; упомянутые выпускные отверстия обеспечивают достаточную площадь поперечного сечения для того, чтобы минимизировать сжатие горячего потока продуктов горения.
Нагреватели 48 могут быть газовыми горелками, питаемыми продуктовым газом, как показано на Фиг. 1a, чтобы обеспечить самодостаточность процесса, или внешней подачей пропана или бытового газа (топливного газа, обычно поставляемого местным потребителям), или они могут представлять собой любые нагревательные элементы, известные специалисту в данной области техники, например, электрические нагревательные элементы, микроволновые или инфракрасные излучатели, а также теплообменники, использующие отработанное тепло от других процессов, таких как комбинированные теплоэлектрогенераторы (CHP). Поскольку большая часть требуемой тепловой энергии для пиролиза приходится на первую половину первичной камеры 40, для того, чтобы повысить температуру входящего исходного сырья до заданного уровня, нагреватели 48 устанавливаются ближе к входу в барабан 40; это приводит к линейному профилю температуры вдоль длины барабана 40. Однако осевые положения нагревателей 48 не обязательно должны быть такими, как проиллюстрировано на Фиг. 1a. Скоростью нагревания управляют путем использования системы регулирования с обратной связью, содержащей один или более датчиков температуры, установленных внутри каждой из камер, в соответствии с условиями процесса, включая расход исходного сырья, тип исходного сырья, а также требованиями процесса.
В проиллюстрированной системе первичная камера 40 функционирует при более высокой температуре, чем вторичные камеры 50. Например, внутренняя температура первичной камеры 40 поддерживается равной 850°C - 1100°C, предпочтительно 950°C - 1100°C (например, 1050°C) с тем, чтобы способствовать высокотемпературному пиролизу и расщеплению, когда исходное сырье выделяет первичную смолу, вторичную и/или третичную смолу. В дополнение к этому, реакционный газ 78, содержащий смолу, и метан из третичной камеры 60 повторно вводятся через вход 38 первичной камеры так, чтобы любая возвращаемая смола или смола, выделяющаяся в третичной камере 60, могла быть подвергнута переработке в первичной камере 40. При предписанных условиях часть выделившейся первичной смолы расщепляется на вторичную и третичную смолу, которые образуют часть сырья для последующего метанирования. Кроме того, здесь имеет место частичный крекинг третичной смолы и частичное метанирование. Поскольку высокая температура играет жизненно важную роль для эффективного расщепления, в некоторых вариантах осуществления на впуске первичной камеры 40 устанавливается плотная литая керамическая огнеупорная крышка 39, которая действует как защитный барьер для минимизации потерь тепла из первичной камеры 40 в исходное сырье в предшествующей системе 30 питания.
Вторичные камеры 50 с другой стороны функционируют при температуре 700°C - 900°C (например, около 800°C) с тем, чтобы способствовать метанированию содержащих углерод и водород веществ, высвобождаемых из химических ингредиентов, создаваемых в процессе пиролиза. Более низкие рабочие температуры во вторичных камерах 50 означают, что использованный воздух из нагревательной рубашки первичной камеры 44 может использоваться для нагревания в последующих камерах 50, 60. Здесь вертикально сформированная структура позволяет горячему воздуху последовательно проходить через множество камер. В некоторых вариантах осуществления любая или обе из вторичной камеры 50 и третичной камеры 60 дополнительно содержат нагреватели для удовлетворения дополнительных потребностей в энергии, которые могут возникнуть; например, когда система газификации обрабатывает исходное сырье с высокой удельной теплоемкостью, или когда система 10 испытывает чрезмерные тепловые потери. В некоторых вариантах осуществления наружная стенка вторичной камеры 50 и/или третичной камеры 60 содержит ребра 80 для того, чтобы помочь поглощению тепла из газообразных продуктов сгорания.
В некоторых вариантах осуществления любой или все из барабанов 40, 50, 60 и шнеков 42, 52, 62 делаются из сплава Inconel 617, никелевого сплава 230 или любого подходящего содержащего никель сплава с подходящими тепловыми, каталитическими и антикоррозионными свойствами. Например, Inconel 617 и никелевый сплав 230 сохраняют свою прочность при растяжении в широком диапазоне температур; по сути при эксплуатационных условиях шнек и барабан не деформируются и не деградируют под нагрузкой. В дополнение к этому эти сплавы содержат большое количество никеля, так что их каталитические свойства способствуют обработке и метанированию смолы.
В некоторых вариантах осуществления шнек 42 в первичной камере 40 содержит перемешивающие устройства 43 для того, чтобы способствовать циркуляции исходного сырья и конвекции газа, по сути интенсифицируя теплопередачу и максимизируя контакт между исходным сырьем, каталитической поверхностью и газом. Перемешивающие устройства 43 могут быть любыми мешалками, известными специалисту в данной области техники, например лопастями и пальцами. Для того, чтобы помочь смешиванию, лопасти устанавливаются на переднем крае спирали шнека с тем, чтобы обеспечить эффективную циркуляцию исходного сырья внутри камеры. При работе перемешивающие устройства 43 также уменьшают толщину отложений угля на внутренних стенках барабана, увеличивая общую эффективность теплопередачи. В дополнение к лопастям, повторное введение горячего и сжатого продуктового газа через вход первичной камеры 40 увеличивает турбулентность газа, что увеличивает конвекционную теплопередачу. Совместный эффект лопастей и рециркуляции продуктового газа значительно улучшает коэффициент конверсии при пиролизе за счет максимизации теплопередачи в пределах заданного времени пребывания. В некоторых вариантах осуществления щетки из сплава никеля с большой площадью поверхности устанавливаются на краях шнековых спиралей для того, чтобы они скребли по поверхности стенок и удаляли отложения углерода.
Коэффициенты теплового расширения винтового шнека 42 и барабана 40 первичной камеры могут отличаться по ряду причин. Например, они могут быть сделаны из различных материалов, или они могут работать при различных температурах благодаря потерям тепла в поступающее исходное сырье. Для того, чтобы компенсировать это и предотвратить повреждение оборудования, шнек и барабан жестко фиксируются только на конце входа исходного сырья, поскольку такое тепловое расширение происходит только в горизонтальном направлении. Винтовой шнек 42 поддерживается на другом конце напротив выхода камеры; любое перемещение благодаря расширению заставляет шнек скользить через набор подшипников 41 без создания каких-либо напряжений в системе, как показано на Фиг. 3а и 3b. Любое тепловое расширение в горизонтальном и радиальном направлении поглощается сильфонной системой 45a, 45b с двойным сжатием/расширением. Эта сильфонная система также обеспечивает герметичные уплотнения для предотвращения перекрестного загрязнения между выхлопным газом в нагревательной рубашке 44 и продуктовым газом в камере 40. Поскольку они не подвергаются воздействию такой высокой температуры, как шнек и барабан, сильфоны 45a, 45b могут производиться из более дешевого материала, такого как нержавеющая сталь 316, или любого подходящего материала. Сильфонная система дополнительно содержит керамическую термоизоляцию 45c для того, чтобы минимизировать тепловые потери в сильфонах 45a, 45b; пониженная температура сильфона уменьшает тепловое расширение, и таким образом увеличивает срок службы сильфонов 45a, 45b.
После выхода из первичной камеры 40 остаточные материалы, непрореагировавшее сырье и продуктовые газы передаются в термически изолированную первичную результирующую камеру 46 перед их подачей во вторичные камеры 50. Как и в первичной камере 40, соединения первичной результирующей камеры оснащены дополнительными сильфонами 47 для компенсации теплового расширения.
Рабочая температура во вторых камерах 50 уменьшается до 700-900°C (например 800°C); при этой пониженной температуре метанирование содержащих углерод и водород веществ, выделяемых из химических ингредиентов в процессе пиролиза, является более эффективным по сравнению с температурой пиролиза, составляющей 850-1100°C (предпочтительно 950-1100°C).
В результате преобразования пиролиза в первичной камере 40 производительность по твердому исходному сырью, входящему во вторичные камеры 50, является значительно меньшей, чем для первичной камеры 40. Следовательно, в проиллюстрированном варианте осуществления вторичные камеры 50 имеют отверстие меньшего размера для того, чтобы учесть сокращение твердого потока; это сокращение размера барабана позволяет устанавливать два последовательно связанных барабана 50 вертикально друг над другом; это удлиняет время пребывания для процесса метанирования, а также дальнейшего пиролиза непрореагировавшего углеродсодержащего исходного сырья и расщепления смол. Эти две вторичные камеры 50 содержат шнеки 52 с уменьшенным шагом спирали по сравнению со шнеком 42 в первичной камере 40 для того, чтобы максимизировать контакт катализатора и исходного сырья.
На выходе первой вторичной камеры 50a остаточные материалы, продуктовые газы и непрореагировавшее сырье проходят через промежуточную результирующую камеру 56a и входят во вторую вторичную камеру 50b. Две вторичных камеры 50a, 50b являются идентичными по размеру и конструктивному решению, но они могут иметь независимые размеры согласно требованиям процесса. На выходе второй вторичной камеры 50b остаточные материалы, продуктовые газы и непрореагировавшее сырье проходят во вторичную результирующую камеру 56b перед тем, как войти в третичную камеру 60. Вторичная результирующая камера 56b содержит газоотводный клапан/порт 70 для извлечения газообразного продукта. Поскольку камеры 40, 50, 60 функционируют под давлением выше атмосферного, большая часть произведенного продуктового газа передается к последующему блоку 90 разделения за счет перепада давления. Газоотводный клапан/порт 70 служит единственным выпуском для извлечения газа из системы газификации. В соответствии с первичной камерой 40 для вторичных камер 50 применяется сильфонная система с двойным сжатием/расширением для компенсации горизонтального и радиального теплового расширения.
Опционально на этой стадии остающийся газообразный материал может быть отведен в связанный модуль для дальнейшей обработки. Этот связанный модуль может быть любым сепаратором, включая газовый кондиционер, каталитический конвертер, установку фракционной перегонки, газовый скруббер, абсорбционное устройство, мембранный газовый сепаратор, газовый концентратор, конденсатор или любое другое оборудование, используемое для обработки газов. Альтернативно остающийся газообразный материал может выпускаться через выхлопную систему, например газовый факел.
Весь остающийся твердый материал с помощью силы тяжести проходит через вторичную результирующую камеру 72 в высокотемпературный керамический двойной клапан сброса (хотя может использоваться любое другое экстракционное устройство, известное специалисту в данной области техники, например поворотный клапан). Двойной клапан сброса был спроектирован в соответствии с расходом остаточного материала для выпуска твердого материала в третичную камеру без захвата какого-либо газа, который может загрязнить инертную атмосферу во вторичных камерах 50.
Третичная камера 60 функционирует при температуре 950-1100°C (например, 1050°C) для того, чтобы оптимизировать метанирование газа, расщепление первичных, вторичных и третичных смол, а также выполнение заключительной стадии пиролиза всего остаточного материала. Альтернативно третичная камера 60 может функционировать в более низком диапазоне температур 700-900°C для того, чтобы оптимизировать метанирование.
Третичная камера 60 содержит дополнительное впускное отверстие 72 на входе в камеру для повторного ввода в систему 10 смол, которые были отделены от продуктового газа. В некоторых вариантах осуществления впускное отверстие 72 может дополнительно содержать впуск для введения очищенного продуктового газа с тем, чтобы управлять внутренним давлением системы газификации; упомянутое внутреннее давление по существу поддерживается на уровне 0,3 бар избыточного давления или на любом уровне выше атмосферного давления. Третичная камера 60 дополнительно содержит отверстия 65 для управляемого введения пара, водорода, кислорода, воздуха или любых других желаемых веществ для восстановления остаточного сырья по мере необходимости. Дополнительный порт 67 отбора газа может быть установлен для удаления синтез-газа при газификации.
Нагревательная рубашка третичной камеры 64 использует любое отработанное тепло, выходящее из нагревательной рубашки 54 вторичной камеры. В некоторых вариантах осуществления она дополнительно содержит по меньшей мере один нагреватель 68 для повышения температуры в третичной камере 60 до заданной температуры. Как и в нагревателях 48 в нагревательной рубашке 44 первичной камеры, нагреватели 68 внутри камеры 64 сгорания расположены под углом так, чтобы гарантировать, что газообразные продукты сгорания создают равномерное распределение энергии посредством газового вихря вокруг внешней поверхности барабана третичной камеры 60. Это устраняет возможность образования точек перегрева или мертвых зон.
Третичная камера 60 дополнительно содержит трубу 77 подачи продуктового газа, соединенную с главной первичной камерой 40; опционально упомянутая труба подачи продуктового газа дополнительно содержит, фильтр 75 из спеченного никеля или любой фильтр с каталитическими свойствами для того, чтобы дополнительно фильтровать продуктовый газ и способствовать метанированию. Нагревательная рубашка 64 третичной камеры включает в себя выпускной коллектор и камеру вакуумирования для извлечения продуктов горения из системы реакторной камеры. Нагревательная рубашка 64 третичной камеры может дополнительно содержать трубу подогрева продуктового газа для подогрева продуктового газа перед входом в любую из камер 40, 50, 60.
Выпускной коллектор и камера вакуумирования содержат независимый клапан регулирования расхода на выходе, а также систему мониторинга внутренней температуры для мониторинга и управления объемными скоростями потока горючего газа в зависимости от температур во всех камерах 40, 50, 60.
Третичная камера 60 на ее выпуске 69 также содержит высокотемпературный двойной клапан сброса или любое другое экстракционное устройство, известное специалисту в данной области техники, для удаления любых остатков и инертного вещества без захвата атмосферного воздуха.
Система газификации альтернативно может использоваться для пиролиза и газификации отработанного угля из шлака или любого другого углеродсодержащего исходного сырья с относительно высоким содержанием связанного углерода. Размеры частиц упомянутых компонентов связанного углерода обычно колеблются от микронов до 5 мм, и эти частицы могут быть кондиционированы и поданы в систему газификации с использованием системы 20 подготовки и системы 30 питания. Система газификации позволяет превращать летучие компоненты энергетического угля в высококачественный газообразный метан через стадию пиролиза перед преобразованием оставшегося связанного углерода в синтез-газ через последующую стадию газификации с добавлением реагента, такого как кислород или пар. В этом варианте осуществления третичная камера может быть назначена для выполнения газификации, в то время как вторичная камера может переключаться между операциями метанирования и газификации в зависимости от условий процесса и состава исходного сырья, то есть количества связанного углерода в исходном сырье. Например, в том случае, когда содержание связанного углерода в исходном сырье является высоким, вторичная камера может обеспечивать дополнительное пространство для выполнения газификации.
Как показано на Фиг. 4, вторичные и/или третичные камеры могут дополнительно включать в себя впускные отверстия 65 и/или 65b для подачи пара, водорода, кислорода, воздуха или любых других желаемых веществ, чтобы обеспечить газификацию связанного углерода и остаточных углеродсодержащих компонентов, которые проходит через стадию высокотемпературного пиролиза в предыдущей камере (камерах); рабочая температура для процесса газификации внутри вторичной/третичной камеры составляет от 700°C до 1100°C для обслуживания широкого диапазона исходного сырья.
Камеры газификации, то есть вторичная и/или третичная камера, и камеры пиролиза могут быть разделены с помощью высокотемпературного клапана двойного сброса или любого другого экстракционного устройства, известного специалисту в данной области техники, чтобы обеспечить извлечение продуктового газа 74 в точке 70, 70a или 70b извлечения перед стадиями газификации. Это предотвращает перекрестное загрязнение атмосферными газами внутри каждой из разделяемых камер, позволяя при этом передавать твердый остаток и преобразованное исходное сырье. В этом варианте осуществления синтез-газ 74a, произведенный внутри камеры (камер) газификации, содержит смолу, водород и моноксид углерода. Если питающая труба 77 изолирована, синтез-газ 74a может быть извлечен и отведен из отверстия 67, 67a или 67b и объединен с продуктовым газом 74 для последующих кондиционирования и обработки газа. Альтернативно синтез-газ 74a и продуктовый газ 74 могут быть отдельно кондиционированы и обработаны перед их объединением, либо синтез-газ 74a может быть извлечен и кондиционирован независимо от продуктового газа 74 для дальнейшего использования. Кроме того, смолы 76 могут быть введены на входе первичной камеры 38, вторичной камеры (камер) 72a или 72b, или третичной камеры 72 для дальнейшего пиролиза/газификации и расщепления.
Описанные выше системы и процессы позволяют пользователю создать оптимальные условия для пиролиза или газификации на основе химических реакций, происходящих внутри реакционных камер. Термический крекинг смолы относится к расщеплению больших органических соединений на более мелкие органические соединения, углерод и водород в отсутствие кислорода. Термический крекинг смол приводит к увеличенному содержанию водорода и углерода, за счет чего может образовываться метан, и смолы с метильными группами часто могут расщепляться с непосредственным образованием метана. Общепринятым механизмом для крекинга смол является цепная реакция с образованием радикалов в качестве стадии инициации (также являющаяся ограничивающим фактором для скорости реакции), включающая в себя стадию обрыва, которая может включать в себя формирование метана.
Чем выше температура, тем больше скорость формирования радикалов. При температуре выше 850°C (и предпочтительно выше 950°C) разложение первичных, вторичных и третичных смол на третичную смолу, углерод, водород и более мелкие углеводороды является эффективным. При этой температуре третичная смола также может частично разлагаться, образуя связанный углерод и более мелкие углеводороды. Хотя многие первичные и вторичные смолы в этих условиях часто расщепляются и формируют большие, более термостойкие смолы, это все равно приводит к выделению водорода, который требуется для метанирования.
В результате первоначально в процессе пиролиза требуется высокая температура для того, чтобы минимизировать концентрацию проблемных смол в продуктовом газе, однако температуры свыше 1100°C начнут пиролизовать метан, и по сути являются нежелательными.
Большая часть расщепления смолы происходит в газовой фазе, поэтому для эффективного термического крекинга важно увеличить время пребывания газа и максимизировать контакт с катализатором. Известно, что катализаторы на основе никеля помогают при расщеплении смолы, и также сообщается, что уголь (углерод) может способствовать термическому крекингу смолы, действуя в качестве подходящего субстрата, поэтому площадь контакта угля с газом также должна быть максимальной.
2
Возможно введение реагентов в камеры для того, чтобы помочь расщеплению смолы. Сообщается, что добавление пара для создания паровой газификации увеличивает скорость крекинга, так что для преобразования смол требуется более низкая температура. Добавление CO оказывает аналогичный эффект.
Однако это может уменьшить содержание метана в газе за счет других реакций в камерах.
Водород представляет собой другой возможный газообразный реагент, который может быть введен для запуска гидрогазификации. Добавление водорода снижает скорость разложения смолы, но способствует производству метана, а также, вероятно, способствует другим реакциям метана в газовой фазе, и поэтому может быть более желательным, чем добавление пара. Водород реагирует с радикалами, образуя устойчивую молекулу смолы и водородный радикал, что приводит к более высоким концентрациям устойчивых AH/PAH, таких как нафталин и бензол.
Метанирование через реакцию обратного парового преобразования и реакцию Сабатье образует часть комплекса реакций, протекающих в условиях реакторных камер.
Обратное паровое преобразование:
CO
+3H
↔ CH
+H
O
(g)
2(g)
4(g)
2
(g)
1.
ΔH ≈ -206 кДж/моль
Реакция образования водяного газа:
C
+ H
O
↔ CO
H
(s)
2
(g)
(g)
2(g)
2. +
ΔH ≈ +131 кДж/моль
Реакция Сабатье:
CO
4H
↔ CH
+2H
O
2(g)+
2(g)
4(g)
2
(g)
3.
ΔH ≈ -114 кДж/моль
Реакция Будуа:
C
CO
↔ 2 CO
(s)
2(g)
(g)
4. +
ΔH ≈ +172 кДж/моль
Реакция метанирования:
C
+2 H
↔ CH
(s)
2(g)
4(g)
5.
ΔH ≈ -75 кДж/моль
Предпочтительно условия внутри реакционных камер выбираются и контролируются таким образом, чтобы реакция 1 имела первостепенное значение. Это происходит, когда концентрация моноксида углерода становится больше, чем концентрация диоксида углерода благодаря инертной атмосфере во время пиролиза (следовательно, реакция 3 является менее важной даже с учетом реакции 4). Дополнительно к этому реакция 5 является менее значимой при рабочем давлении реактора. Оптимизация условий реакции основана на этих соображениях и учитывает тот факт, что создание метана из моноксида углерода является одним из воплощений процесса Фишера-Тропша, который представляет собой создание углеводородов из моноксида углерода и водорода:
(2n+1)H
+nCO → C
H
+n H
O
2
n
2n+2
2
6.
2
В этой реакции более высокие температуры увеличивают скорости реакции и способствуют образованию метана вместо более длинных углеводородов. Дополнительно к этому использование катализатора с высокой активностью гидрогенолиза, такого как катализатор на основе никеля, будет приводить к предпочтительному образованию метана. Кроме того, наличие высокого отношения H:CO будет увеличивать образование метана.
Реакция углерода с паром (реакция 2) образует больше водорода, доступного для превращения в метан, кроме того, она понижает концентрацию пара, что приводит к смещению реакции 1 в сторону получения пара (и метана) в соответствии с принципом Ле Шателье. (Хотя реакции в реакционной камере не могут считаться достигшими состояния равновесия благодаря введению исходного сырья, которое может быть химически неоднородным, отбору продуктового газа из камер и сложности реакций, протекающих в одно и то же время, разумно предположить, что реакции будут постоянно протекать в направлении к точке равновесия. Таким образом можно оптимизировать условия внутри камеры для того, чтобы максимизировать производство метана.)
Таким образом, оптимизация условий реакции осуществляется с использованием принципа Ле Шателье в сочетании с образованием метана посредством процесса Фишера-Тропша, что позволяет оценить оптимальные условия для реакции.
Более высокие температуры приводят к большей тенденции образования метана вместо более длинных углеводородов в процессе Фишера-Тропша, и значительно увеличивают скорость реакции. Однако благодаря экзотермической природе этого типа метанирования, более высокие температуры также вызывают сдвиг от формирования метана к формированию водорода в реакциях 1 и 3. Это немного балансируется реакцией 2, которая является сильно эндотермической, и таким образом увеличение температуры приводит к большему выходу водорода и моноксида углерода в реакции 2, оказывая таким образом влияние на реакцию 1. Следовательно, температуры должны тщательно балансироваться для того, чтобы максимизировать метанирование.
В присутствии катализатора на основе никеля при временах пребывания, достигнутых в процессе, было оценено, что температура 700-900°C является оптимальной для метанирования газов в этой системе. Эта температура также способствует крекингу смол, хотя она не столь эффективна в этом процессе, как температуры >950°C.
Газообразными реагентами внутри камеры также необходимо управлять. При уменьшении содержания влаги в исходном сырье концентрация пара уменьшается, и реакции 1 и 3 сдвигаются в сторону образования метана. Дополнительно к этому, большое содержание пара будет изменять тип реакции, происходящей в камере, с пиролиза на паровую газификацию. Однако полное удаление всей влаги из исходного сырья является нежелательным, поскольку она является источником водорода и моноксида углерода в результате реакции 2, а высокая концентрация водорода и моноксида углерода будет приводить к большему выходу метана. Пар дополнительно улучшает эффективность расщепления смолы, поскольку он также газифицирует смолы.
2
Концентрация водорода может быть увеличена за счет расщепления смол и добавления газообразного водорода в камеру. Хотя это добавление водорода будет уменьшать эффективность расщепления смолы, оно будет улучшать образование метана в реакциях 1, 3 и 5, и, кроме того, также важно иметь как можно более высокое отношение H:CO, поскольку оно будет создавать дополнительное предпочтение образованию метана вместо более длинных углеводородов. Следовательно, возможность добавления водорода в камеру является важной, и она должна быть изучена на предмет баланса между увеличенным выходом метана и уменьшенной эффективностью расщепления смолы, чтобы получить наиболее желательное содержание газа для последующих процессов.
Необходимо создать инертную или бескислородную атмосферу, уменьшая количество атмосферных газов, вводимых в камеры реактора, поскольку любой кислород будет легко реагировать с метаном с образованием диоксида углерода и моноксида углерода. Дополнительно к этому, любое введение азота в камеры будет разбавлять качество газа и обеспечивать источник азота, с которым водород и углеводороды могут реагировать с образованием нежелательных газообразных продуктов.
Выход метана (и дополнительно расщепление смол) может быть максимизирован путем увеличения времен пребывания газообразных и твердых реагентов внутри реакционных камер. При увеличении времен пребывания твердых реагентов способность теплопередачи к исходному сырью значительно улучшается, максимизируя таким образом процент пиролизуемого исходного сырья. Создание турбулентности в камере путем повторного введения горячего газа также улучшает теплопередачу за счет увеличения эффекта конвекции.
Времена пребывания газообразных и твердых реагентов важны для того, чтобы реакции могли сдвигаться к динамическому равновесию, поскольку условия в камере были выбраны так, чтобы обеспечить максимальный выход метана. Дополнительно к этому, увеличение времени пребывания газообразных реагентов позволяет увеличить время контакта с поверхностью катализатора, и таким образом максимизировать производство метана в соответствии с процессом Фишера-Тропша и улучшить расщепление смол.
Увеличение контакта угля с газами приводит к увеличению углерода, доступного для реакций 2 и 5. Это также важно для расщепления смолы, поскольку, как сообщается, углерод способствует термическому крекингу смолы. Циркуляция угля и исходного сырья улучшает этот эффект, а также улучшает характеристики теплопередачи камеры, следовательно она является важным фактором максимизации качества газа.
Катализаторы на основе никеля имеют очень высокую активность гидрогенолиза, и поэтому имеют тенденцию формировать метан вместо более длинных углеводородов в процессе Фишера-Тропша. Причина этого заключается в том, что водород легко адсорбируется на поверхности катализатора, увеличивая таким образом скорость гидрогенолиза. Катализаторы на основе никеля дополнительно влияют на расщепление смол, что позволяет использовать меньшие энергии для образования радикалов и таким образом усиливать цепную реакцию. Требование стойкости катализатора к коррозии, конструкционной пригодности и способности выдерживать температуры в реакторном модуле привело к выбору сплава Inconel 617 или Nickel Alloy 230.
Площадь контактной поверхности этого катализатора с газами пиролиза должна быть максимизирована для того, чтобы гарантировать эффективное расщепление смол, а также эффективное метанирование, и, кроме того, время пребывания, связанное с контактом газа с катализатором, должно быть максимизировано. Кроме того, низкотемпературная работа никелевых катализаторов увеличивает вероятность отравления серой, поэтому высокие рабочие температуры в камере помогают предотвратить химическую дезактивацию катализатора.
В некоторых случаях может оказаться желательным увеличить отношение эквивалентности более 0 для того, чтобы создать условия газификации. Это уменьшит содержание метана в получаемом синтез-газе, но увеличит коэффициент конверсии исходного сырья, и в настоящей заявке это желательно только в том случае, если исходное сырье имеет высокое содержание связанного углерода.
Все реакции 1-5 являются применимыми в условиях газификации, однако реакция 2 часто является самой активной в преобразовании связанного углерода, а реакция 1 имеет тенденцию к образованию водорода, особенно при паровой газификации. Реакция дополнительного сдвига преобразования также является важной в условиях газификации:
CO
H
O
↔ CO
H
(g)+
2
(g)
2(g)+
2(g)
7.
ΔH ≈ +41 кДж/моль
Эта реакция имеет тенденцию увеличивать количество водорода в синтез-газе за счет моноксида углерода, однако поскольку эта реакция является слабо экзотермический, более высокие температуры приводят к сдвигу в сторону большего количества образующегося моноксида углерода, чем при более низких температурах.
Точные составляющие синтез-газа после выхода из реактора газификации будут сильно зависеть от агента газификации, но в любом случае будут содержать большие порции водорода, моноксида углерода и диоксида углерода, а также небольшой процент углеводородов. Причина этого заключается в том, что реагенты, вводимые для создания условий газификации, будут обычно сдвигать реакции 1-5 в сторону от формирования метана. Агенты газификации могут включать в себя, не ограничиваясь этим, водород, кислород, пар, диоксид углерода и воздух. В этом варианте осуществления паровая газификация была идентифицирована благодаря доступности и низкой цене пара в совокупности с эффектами расщепления смолы. Добавление пара также способствует образованию водорода вместо образования моноксида углерода в результате реакции 7, что обычно является желательным.
Как и при пиролизе, чем выше температура во время газификации, тем ниже выход смол, и поскольку содержание метана обычно уже является низким, тем меньше внимания можно уделять максимизации формирования метана. Следовательно, первичной функцией температуры является уменьшить содержание смолы в синтез-газе и увеличить конверсию исходного сырья. Дополнительно к этому, времена пребывания внутри процесса газификации должны балансироваться для того, чтобы достичь максимальной конверсии исходного сырья.
Примеры
Ниже приведен подробный пример системы и процесса газификации, а также ее компонентов в соответствии с настоящим изобретением. Этот пример относится к модульной системе и процессу для преобразования массы готового углеродсодержащего сырья в стабильный газообразный продукт с высоким содержанием метана путем высокотемпературного пиролиза.
В качестве варианта модульная система и процесс могут дополнительно использовать синтез-газ, полученный посредством процесса газификации с регулируемой температурой связанного углерода и остаточных углеродсодержащих компонентов.
В обсуждении примеров используются следующие определения.
Реакторные камеры
Контролируемая инертная среда, обеспечивающая пиролиз исходного сырья в условиях термической обработки. Изготавливаются из высоколегированного никелевого сплава с интегрированной системой питания и автоматическим удалением остатков углерода. Возможность управления состоянием среду в камере достигается посредством добавления пара, водорода, кислорода, воздуха или любых других желаемых веществ для обеспечения газификации.
Результирующие камеры
Изолированные вертикальные камеры, посредством которых соединяются отдельные реакторные камеры. Исходное сырье выходит из реакторных камер через винтовые шнеки и направляется к следующему блоку через изолированные вертикальные результирующие камеры, снабженные сильфонами по мере необходимости для учета теплового расширения.
Реакторный модуль
Реакторные камеры конструируются вертикально интегрированным образом и состоят из первичной камеры (1 муфельный барабан диаметром 36 дюймов), вторичных камер (2 муфельных барабана диаметром 16 дюймов) и третичной камеры (1 муфельный барабан диаметром 16 дюймов), сделанных из сплава Inconel 617 или Nickel Alloy 230. Это обеспечивает циркуляцию горячих газов и перемещение под действием силы тяжести исходного сырья, связанного углерода и остаточных материалов.
Потребности пиролиза в тепле удовлетворяются системой сжигания газа мощностью 2,8 МВт. Печь с керамической футеровкой использует клапаны управления дымовой трубой для циркуляции энергии. Тепловая энергия подается к первичной камере, и ее большая часть применяется к первой половине муфельного барабана. Горючий газ течет через вторичные и третичную камеры через заслонку управления всасыванием дымовой трубы, которая контролирует объемную скорость потока с тем, чтобы обеспечить эффективное использование энергии. Дополнительные 3 горелки устанавливаются вокруг третичной камеры для того, чтобы обеспечить дополнительный подвод энергии в процесс.
Продуктовый газ
«Продуктовый газ» относится к газообразному продукту, выходящему из реакторных камер, который предназначается для последующего использования. Он может состоять из смеси газообразных продуктов газификации и газообразных продуктов пиролиза, или исключительно из газообразных продуктов пиролиза. Этот газ герметизируется от атмосферы и любых других возможных газообразных загрязнений и поддерживается при постоянном положительном давлении на протяжении всего процесса для того, чтобы уменьшить риск загрязнения. Предполагается, что описанный процесс должен давать продуктовый газ с высоким содержанием метана (>50 об.%), который требует очистки. Этот газ упоминается как продуктовый газ до и после последующего блока разделения и может быть возвращен в камеры, использован для сжигания в двигателе, использован в горелках внутри этого процесса или использован в других процессах. Термин «реакционный газ» используется для того, чтобы конкретно указать на газ, производимый на стадиях пиролиза и метанирования.
Синтез-газ
«Синтез-газ» относится к газообразному продукту, получаемому исключительно из камер газификации, когда туда вводится реагент или агент газификации. Точные составляющие синтез-газа сильно зависят от реагента, но в любом случае будут содержать большие порции водорода, моноксида углерода и диоксида углерода, а также небольшой процент углеводородов. Реагенты могут включать в себя, не ограничиваясь этим, водород, кислород, пар, диоксид углерода и воздух. Благодаря доступность и низкая цена, а также связанных с этим эффектов расщепления смолы, пар может использоваться в качестве реагента в некоторых вариантах осуществления. Добавление пара также способствует образованию водорода вместо образования моноксида углерода. Синтез-газ может быть смешан с продуктовым газом или изолирован от продуктовых газов и извлечен для дальнейшего использования. Обычно он имеет намного более низкое содержание метана, чем продуктовый газ, а также высокое содержание моноксида углерода и водорода.
Газообразные продукты сгорания
Термин «газообразные продукты сгорания» относится к выхлопному газу от горелок в реакторном модуле, который циркулирует вокруг внешней стороны реакторных камер для того, чтобы нагреть камеры до желаемых температур. Этот газ ни в коем случае не смешивается с продуктовым газом, и он извлекается через выхлопной клапан после прохождения через термический окислитель.
Исходное сырье
Исходное сырье может быть любым топливом, используемым для пиролиза в реакторных камерах. Это обычно относится к топливу, полученному из отходов (RDF), но может также относиться к любой комбинации твердых бытовых отходов (MSW), древесной щепы, заданного утилизированного топлива (SRF), крошки из шин, угля или отработанного угля.
Отработанный уголь
Углеродсодержащее исходное сырье с относительно большим содержанием связанного углерода. Отработанный уголь обычно состоит из очень мелких частиц, имеющих размер в пределах от микронов до 5 мм. Отработанный уголь может быть извлечен из шлака с помощью известных способов разделения, таких как циклоны, в результате чего часть частиц более крупного размера, обычно агломерированная с загрязняющими веществами, будет дополнительно подвергнута экологической обработке, такой как ферментация. Угольные частицы из шлака, относительно свободные от загрязняющих примесей, являются подходящими в качестве исходного сырья.
Смолы - первичный, вторичный и третичный
Термин «смолы» является очень широким термином, широко используемым для обозначения органических продуктов, обычно ароматических соединений, производимых путем термообработки органического исходного сырья, которые не включают в себя твердых углеродсодержащих материалов или типичных газообразных составляющих (метана, водорода, моноксида углерода, диоксида углерода), и конденсируются при эксплуатационных условиях. В литературе смолы часто подразделяются на три различные группы: первичные, вторичные и третичные смолы.
Первичные смолы в целом характеризуются соединениями, получаемыми непосредственно в результате термообработки (в данном случае пиролиза) органического исходного сырья, такими как левоглюкозан, гидроксиацетальдегид, фурфуролы и метоксифенолы. Вторичная смола обычно характеризуется фенолами и олефинами. Третичная смола характеризуется ароматическими соединениями без кислородных составных частей, которые могут быть подщелоченными (например, толуол или инден) или «конденсированными» продуктами, такими как полиароматические углеводороды или ароматические углеводороды без заместителей (например бензол, нафталин, аценафтилен, фенантрен, антрацен).
Стадия 1: Подготовка исходного сырья
В примерной системе и процессе подготовка исходного сырья использует оборудование, предназначенное для удаления всех металлических и объемных объектов, а также для измельчения остаточного материала до однородного размера частиц, равного приблизительно 30 мм. Расчет тепловых характеристик исходного сырья в соответствии с объемной скоростью потока исходного сырья, требуемой в процессе, механической работой реакторной камеры и температурой в камере показали, что это оптимальный размер частиц для обеспечения эффективной глубины прогрева в первичной камере пиролиза. Гомогенность исходного сырья предотвращает любые нарушения технологического процесса, а измельчение дополнительно высвобождает металлические компоненты и другие большие (≥30 мм) инертные материалы из исходного сырья, что снижает потребление энергии инертным материалом.
Частицы размером 30 мм обрабатываются в сушилке с управляемой температурой для того, чтобы довести содержание влаги до уровня ≤5%. Содержание влаги ≤5% является предпочтительным для управления инертной атмосферой и уровнями кислорода для эффективного преобразования газа и обеспечения подходящего состава газа в камере. Избыточные уровни влаги будут приводить к высвобождению пара, который повлияет на химические реакции внутри камеры.
Сушилка спроектирована для работы от газовых горелок (работающих на природном газе, продуктовом газе или синтез-газе) или интегрированного теплообменника, питаемого отработанным теплом от системы. Интегрированная система управления влагосодержанием включается для регулировки расхода и уровня влажности в соответствии с требованиями системы.
Промежуточный загрузочный бункер системы предусматривается для непрерывного питания реакторных камер исходным сырьем, если возможны прерывания подачи сырья.
Из промежуточного бункера исходное сырье транспортируется в механизм питательного отверстия стека пиролиза с использованием консольного шнекового устройства сжатия, создавая таким образом воздушный шлюз. Этот воздушный шлюз предназначен для использования исходного сырья в качестве компрессионной пробки. Результатом этого является использование экстракции путем сжатия исходного сырья для удаления атмосферных газов, которые могут загрязнять камеру пиролиза. Любые атмосферные газы, загрязняющие продуктовый газ, будут приводить к снижению качества продуктового газа за счет загрязнения и разбавления продуктового газа. Введение кислорода будет приводить к нежелательному окислению углеродсодержащих материалов, увеличивая тем самым уровни моноксида углерода и диоксида углерода и уменьшая концентрацию метана в продуктовых газах. Введение азота будет ухудшать теплотворную способность продуктового газа за счет его разбавления инертным азотом.
Затем клапан управления гидравлическим давлением выпускает исходное сырье в вертикальную горловину питания и оттуда в высокоскоростной шнек подачи питания. Этот гидравлический клапан калибруется в соответствии с объемной скоростью потока исходного сырья, объемной плотностью и свойствами теплопередачи для питания первичной камеры подходящим потоком питания для оптимальной конверсии газа. Было установлено, что высокая скорость подачи потока в реактор помогает преодолеть проблему затвердевания исходного сырья перед входом в камеру из-за плавления или затвердевания материала.
Общая конструкция реактора в этом примере обеспечивает эффективную циркуляцию горячих газов между различными реакторными камерами, а также движение под действием силы тяжести и контроль потока сырья и остаточных продуктов. Конечным результатом является вертикальная реакторная башня.
Вертикальные камеры реакторного модуля соединены между собой горизонтальными каналами, предназначенными для максимального использования входной энергии, подаваемой шестью газовыми горелками в первичную камеру, посредством вертикальной циркуляции продуктов сгорания с циркуляционным давлением, управляемым направленным вниз вентилятором. Положения шести газовых горелок первичной камеры оптимизируются для того, чтобы гарантировать, что тепловой вихрь формируется вокруг муфельного барабана, устраняя таким образом потенциальные точки перегрева.
Каждая из камер реактора сгорания содержит пустоты для сгорания, предназначенные для обеспечения равномерного распределения и циркуляции продуктов горения, и независимо изолируется стенками из керамического волокна. Выпускное отверстие, соединяющее первичную камеру для продуктов сгорания со вторичной камерой для продуктов сгорания, имеет достаточную площадь поперечного сечения для того, чтобы способствовать потоку горячих газов сгорания из первичной во вторичные камеры и из вторичных в третичную камеру.
Горелки могут питаться продуктовым газом (в настоящее время это примерно 10% от выхода продуктового газа для этой системы), чтобы обеспечить самодостаточность процесса, или внешним пропаном или бытовым газом (топливным газом, обычно поставляемым местным потребителям). Большая часть требуемой тепловой энергии для преобразования подается к первой половине первичной камеры. Горелки располагаются так, чтобы подавать требуемую энергию в соответствии с объемной скоростью потока исходного сырья.
Устройства для измерения температуры вставляются в различные положения внутри камеры, чтобы гарантировать, что температура в камере поддерживается постоянной. В случае исходного сырья RDF с частицами диаметром 30 мм или угольного порошка из шлаков, обычно имеющего размер частиц менее 5 мм, постоянная температура в диапазоне 850-1100°C, предпочтительно 950-1100°C (например 1050°C), требуется во всей первичной камере для выполнения оптимального преобразования пиролиза исходного сырья. Плотная литая керамическая огнеупорная крышка применяется к входу первичной камеры; она действует как удерживающий барьер для предотвращения теплопередачи от реакторной камеры к исходному сырью в системе питания.
Продукты сгорания, образующиеся вокруг первичной камеры, вытягиваются и циркулируют вокруг двух вторичных камер. Это должно поддерживать постоянную температуру в диапазоне 700-900°C (например 850°C) внутри вторичных камер, которые содержат ребра, прикрепленные к муфелю, для увеличения поглощения тепловой энергии. Горячий газ далее циркулирует к третичной камере, которая имеет дополнительные верхние горелки, чтобы обеспечить постоянную температуру в диапазоне 700-1100°C как в процессе пиролиза, так и при газификации, и может содержать дополнительные охлаждающие механизмы, такие как, например, вентиляторы, чтобы обеспечить регулирование температуры при газификации из-за экзотермической природы процесса внутри камеры.
Модульные размеры всех камер выбираются в соответствии с требованиями производительности, требованиями времени пребывания исходного сырья и газов, а также требованиями к общей площади контакта катализатора с исходным сырьем и газами. Выгодно использовать каталитический эффект материала, используемого в конструкции реактора (Inconel 617 или Nickel Alloy 230), который был специально выбран из-за его тепловых и каталитических свойств.
Описание/работа первичной камеры
Для скорости потока сырья 2500 кг/час размеры первичной камеры выбирают в соответствии с требуемой температурой конверсии пиролиза 850-1100°С, предпочтительно 950-1100°С. Она состоит из муфельного барабана диаметром 36 дюймов, выполненного из сплава Inconel 617 или Nickel Alloy, длиной 12 футов и с толщиной стенки 9 мм. Внутри камеры размещается шнек с правильным шагом спирали для эффективной транспортировки исходного сырья и остатков с заданной объемной скоростью потока. Спираль спроектирована с отверстиями для потока газа, а также с зазором между спиралью и муфельным барабаном величиной 17 мм. Щетки очищают внутренность муфельного барабана от любого нарастающего остатка, который может дезактивировать катализатор.
Выбранная объемная скорость потока исходного сырья покрывает приблизительно 25% площади поверхности внутреннего муфельного барабана на входе. Толщина слоя сырья составляет 28 мм. По мере превращения пиролиза происходит образование углерода; это может образовывать изолирующий слой, который предотвращает эффективную теплопередачу к непрореагировавшему сырью. Для того, чтобы предотвратить это, предусматриваются циркуляционные и перемешивающие лопасти в соответствии с размером камеры и пропускной способностью исходного сырья. Эти лопасти располагаются на передней кромке спирали, чтобы обеспечить эффективную циркуляцию исходного сырья в камере для того, чтобы уменьшить толщину изолирующего слоя угля (увеличивая тем самым эффект теплопередачи от поверхности муфельного барабана к непрореагировавшему сырью), обеспечить циркуляцию непрореагировавшего сырья по всей камере (увеличивая теплопередачу от твердого вещества к газу) и увеличить площадь поверхности контакта катализатора с газом.
В дополнение к введению лопастей, повторная подача горячего продуктового газа под давлением и газов из третичной камеры на вход камеры увеличивает турбулентность газа, что увеличивает теплопередачу за счет конвекции от горячего газа внутри камеры к твердому исходному сырью. Это дополнительно образует часть системы с замкнутым контуром под давлением. Объединенный эффект циркуляционных лопастей и рециркуляции продуктового газа значительно повышает скорость пиролиза, максимизируя теплопередачу в течение времени пребывания внутри камеры.
Первичная камера, поддерживаемая при постоянной температуре 850-1100°C, предпочтительно 950-1100°C (например 1050°C), в основном пиролизует большую часть исходного сырья в течение времени пребывания, которое зависит от скорости вращения шнека, с подробно описанными выше дополнительными модификациями. При температуре и времени пребывания получаемого продуктового газа первичная камера будет также расщеплять первичные и вторичные смолы, образующиеся в процессе пиролиза. Дополнительно будут иметь место частичное расщепление третичной смолы и частичное метанирование.
Площадь поверхности катализатора максимизируется за счет полного использования сплава с высоким содержанием никеля на всех контактных поверхностях, имеющихся в реакторе, включая стенки и спирали шнека. В дополнение к этому предусматриваются щетки из сплава с высокой удельной площадью поверхности для того, чтобы очищать поверхность стенок от любых отложений угля. Теплофизическими свойствами, обеспечиваемыми сплавом Inconel, являются устойчивость к высокой температуре и устойчивость к плавлению и деформации.
Все используемые материалы выбираются так, чтобы они обладали свойствами теплового расширения внутри эксплуатационных пределов и достаточными для того, чтобы обеспечить увеличенные периоды обработки. Например, система разрабатывается так, чтобы компенсировать тепловое расширение винта шнека и первичной муфельной камеры. Они жестко крепятся на конце ввода исходного сырья так, чтобы горизонтальное тепловое расширение имело место только в одном направлении. Винт шнека поддерживается, и расширение при проскальзывании через подшипники и расширение муфельного барабана, как горизонтальное, так и радиальное, компенсируется сильфонной системой двойного сжатия/расширения. Сильфонная система также обеспечивает герметичные уплотнения для блокировки поступления продуктов сгорания из камеры нагрева и утечки продуктового газа из камеры инертного пиролиза. Сильфоны производятся из нержавеющей стали 316 или аналогичной и имеют расчетную керамическую термоизоляцию, обеспечивающую ту же самую величину теплового расширения, что и муфельный барабан из сплава никеля при рабочей температуре.
После выхода из камеры пиролиза остаточные материалы, непрореагировавшее сырье и продуктовые газы транспортируются в результирующую камеру, сконструированную и изолированную так, чтобы поддерживать заданные температуры и минимизировать потерю тепловой энергии как от остаточных материалов, так и от продуктового газа. Эта камера оснащена дополнительными сильфонами для того, чтобы компенсировать тепловое расширение.
Описание/работа вторичной камеры
Для объемной скорости потока исходного сырья 2500 кг/час (включая вычисленное сокращение объема благодаря пиролизу) размеры вторичных камер выбираются в соответствии с предпочтительным диапазоном температур 700-900°C (например 850°C) для того, чтобы максимизировать метанирование газа. Вторичные камеры состоят из двух муфельных барабанов из сплава Inconel 617 или Nickel Alloy 230 с диаметром 16 дюймов, длиной 12 футов и толщиной стенки 9 мм, расположенных вертикально. Эти камеры имеют ребра вокруг внешнего края для того, чтобы способствовать теплопередаче от циркулирующих продуктов горения. Результирующая камера соединяет эти две камеры пиролиза так, чтобы с помощью силы тяжести обеспечить поток остаточных материалов, непрореагировавшего сырья и продуктовых газов между камерами. На выходе первой вторичной камеры остаточные материалы, продуктовые газы и непрореагировавшее сырье проходят через результирующую камеру и подаются во вторую из двух вторичных камер (идентичную копию первой). На выходе второй из двух вторичных камер остаточные материалы, продуктовые газы и непрореагировавшее сырье проходят в результирующую камеру перед входом в третичную камеру.
Вторичные камеры обеспечивают увеличенное время пребывания для дополнительного пиролиза любого непрореагировавшего сырья, и обеспечивают дополнительное время пребывания для газа, произведенного внутри первичной камеры, а также дополнительную площадь поверхности контакта газа и катализатора, что в совокупности дополнительно способствует метанированию и расщеплению смолы. Температурный диапазон 700-900°C обеспечивает более эффективное метанирование продуктового газа, чем температура 850-1100°C. На основе химических и тепловых требований кондиционирования газа в сочетании с площадью поверхности катализатора и временем пребывания газа было найдено, что две вторичные камеры с уменьшенным шагом спирали шнека по сравнению с первичной камерой являются предпочтительными при вышеупомянутых размерах для достижения желаемого качества газа.
В соответствии с первичной камерой сильфонная система двойного сжатия/расширения применяется ко вторичным камерам для компенсации горизонтального и радиального теплового расширения, и калибруется таким образом, чтобы коэффициент расширения был равен коэффициенту расширения первичной камеры, позволяя таким образом результирующим камерам всегда оставаться расположенными под прямым углом к реакторным камерам.
Вторичные камеры при газификации:
При газификации все остающиеся остаточные материалы, которые выходят из камер пиролиза через высокотемпературный клапан двойного сброса, вводятся во вторичную камеру через высокоскоростной шнек. На входе во вторичную камеру этот остаток объединяется с обработанными смолами, удаленными из продуктового газа в последующем блоке разделения. Дополнительное введение пара, водорода, кислорода, воздуха или любых других желаемых веществ производится для того, чтобы газифицировать остаточные материалы из первичных и/или вторичных камер пиролиза, а также смолы, повторно вводимые из последующего блока разделения. Они передаются через камеру с расчетной скоростью для того, чтобы получить оптимальное время пребывания для полной газификации.
Эта система была разработана так, чтобы она обладала гибкостью относительно типа вводимого реагента. Любая комбинация пара, водорода, кислорода, воздуха или любых других желаемых веществ может быть введена через отверстие для ввода газа. Это позволяет оптимизировать качество газа, минимизировать объем удаляемых остаточных материалов и максимизировать расщепление смолы в третичной камере.
Для удаления синтез-газа, производимого при газификации, устанавливается дополнительный газовый порт.
Вторичная результирующая камера
Результирующая камера, соединенная с выходом второй из двух вторичных реакторных камер, была спроектирована так, чтобы включать в себя газоотводный клапан/порт таким образом, чтобы в условиях положительного давления в замкнутом контуре весь газообразный продукт, получаемый при пиролизе, проходил из реакторного модуля в последующий блок разделения. Весь остающийся твердый материал с помощью силы тяжести проходит через результирующую камеру со встроенным сильфонным компенсатором в высокотемпературный керамический клапан двойного сброса. Этот клапан сконструирован в соответствии со скоростью потока остаточного материала для его извлечения из герметизированного замкнутого контура инертной атмосферы пиролиза без загрязнения из третичной камеры. Эта результирующая камера в достаточной степени изолируется для того, чтобы минимизировать потери энергии из остаточных материалов и газов.
Описание/работа третичной камеры
Для объемной скорости потока исходного сырья 2500 кг/час (с учетом сокращения объема благодаря пиролизу) третичная камера была спроектирована с размерами, откалиброванными в соответствии с заданным диапазоном температур 700-1100°C для того, чтобы одновременно оптимизировать метанирование газа, расщепление смол и дальнейший пиролиз всего остающегося остаточного материала из предыдущих первичных и вторичных камер пиролиза. Третичная камера представляет собой муфельный барабан из сплава Inconel 617 или Nickel Alloy 230 диаметром 16 дюймов, длиной 12 футов и с толщиной стенки 9 мм. Эта камера включает в себя дополнительное впускное отверстие для повторного введения смол, которые были удалены из потока продуктового газа в последующем блоке разделения.
Эта камера может также функционировать как блок газификации с управляемым введением пара, водорода, кислорода, воздуха или любых других желаемых веществ независимо в вышеописанные камеры реактора пиролиза.
Конструкция третичной камеры, аналогичная конструкции первичной камеры, содержит три независимо управляемых газовых горелки для подвода требуемой тепловой энергии к муфельному барабану камеры. Углы и расположение горелок и камеры сгорания проектируются так, чтобы гарантировать, что продукты горения направляются на создание равномерного распределения энергии через газовый вихрь вокруг внешней поверхности муфельного барабана третичной камеры. Это устраняет возможность образования точек перегрева. Третичная камера имеет прямую линию подачи продуктового газа обратно в главную первичную камеру; она также содержит фильтр/катализатор из спеченного никеля для того, чтобы обеспечить дополнительное метанирование. Третичная камера также включает в себя, высокотемпературный клапан двойного сброса для удаления любых остатков и инертного вещества, не преобразованных в камере.
Третичная камера сгорания содержит выхлопной коллектор и камеру вакуумирования для продуктов горения системы реакционных камер. В ней имеется дополнительная труба для подачи продуктового газа, которая может быть соединена напрямую со входом любой из первичной, вторичных и третичной камер, чтобы обеспечить подогрев продуктового газа перед его введением в камеры. Она имеет клапан независимого регулирования расхода на выходе, который контролирует и управляет объемной скоростью потока продуктов сгорания в зависимости от температур всех камер с использованием системы мониторинга внутренней температуры.
При пиролизе все остающиеся остаточные материалы, которые выходят из первичной и вторичных камер пиролиза через высокотемпературный клапан двойного сброса, вводятся в третичную камеру через высокоскоростной шнек. На входе в третичную камеру этот остаток объединяется с обработанными смолами/газом, удаленными из потока продуктового газа в последующем блоке разделения. Они передаются через камеру при желаемой температуре для того, чтобы максимизировать расщепление смолы и пиролиз любого непрореагировавшего сырья, которое все еще может присутствовать в потоке. Выходная точка третичной камеры включает в себя газоотвод и еще один высокотемпературный клапан двойного сброса. Весь произведенный газ рециркулирует обратно ко входу первичной камеры через фильтр из спеченного никеля. Это способствует дополнительному метанированию и удаляет любые частицы из потока газа. Остающийся твердый материал (инертный, связанный углерод и любые другие твердые материалы) удаляется через высокотемпературный клапан двойного сброса для дальнейшей обработки.
Третичная камера при газификации:
При газификации все остающиеся остаточные материалы, которые выходят из первичной и вторичных камер пиролиза через высокотемпературный клапан двойного сброса, вводятся в третичную камеру через высокоскоростной шнек. На входе в третичную камеру этот остаток объединяется с обработанными смолыми, удаленными из продуктового газа в последующем блоке разделения. Дополнительное введение пара, водорода, кислорода, воздуха или любых других желаемых веществ производится для того, чтобы газифицировать остаточные материалы из первичных и вторичных камер пиролиза, а также смолы, повторно вводимые из последующего блока разделения. Они передаются через камеру с расчетной скоростью для того, чтобы получить оптимальное время пребывания для полной газификации.
Эта система была разработана так, чтобы она обладала гибкостью относительно типа вводимого реагента. Любая комбинация пара, водорода, кислорода, воздуха или любых других желаемых веществ может быть введена через отверстие для ввода газа. Это позволяет оптимизировать качество газа, минимизировать объем удаляемых остаточных материалов и максимизировать расщепление смолы в третичной камере.
Для удаления синтез-газа, производимого при газификации, устанавливается дополнительный газовый порт.
Продуктовый газ хранится и удаляется по мере необходимости для сжигания в газовом двигателе, для работы газовых горелок в реакторе, для регулирования давления в замкнутом контуре, для горелок в системе сушки или для другого использования.
Альтернативная конструкция, содержащая кольцевое пространство с противотоком
В дополнение к ранее описанным конфигурациям требуемый термический процесс может быть реализован с помощью альтернативной конструкции, в которой используется противоток отходящего газа и конфигурация из множества горелок, необходимых для подачи тепловой энергии в камеры через кольцевое пространство 106 со стенками, содержащими огнеупорный материал. Один пример такой компоновки изображен на Фиг. 5a и 5b.
В вариантах осуществления, в которых желателен противоток дымового газа, множество горелок может быть расположено внутри корпуса 100 на равном удалении друг от друга для того, чтобы гарантировать равномерный поток дымовых газов. Корпус 100 может быть установлен вертикально под вторичной камерой 60 и/или третичной камерой 50, и дымовой газ направляться под расчетным углом для того, чтобы гарантировать равномерный поток дымовых газов вокруг каждой камеры последовательно от вторичной камеры 50 к первичной камере 40 или от третичной камеры 60 к вторичной камере 50, а затем к первичной камере 40. У каждой камеры есть ребра 80 заданного размера, вертикально выровненные параллельно потоку дымового газа для того, чтобы гарантировать равномерный поток над каждой камерой и максимизировать теплопередачу. Площадь поперечного сечения между ребрами вдоль оси каждой камеры вычисляется так, чтобы гарантировать равномерный поток и конкретную желаемую скорость. Потоком управляют так же, как и в других вариантах осуществления, ранее описанных как дополнительное усовершенствование для достижения требуемой теплопередачи к каждой из камер. После выпуска из кольцевого пространства 106 в точке 102 дымовые газы могут при желании возвращаться в корпус 100 или номинально после него в точку 104, чтобы уменьшить требуемый расход продуктов сгорания.
Таким образом, когда система предназначена для противоточной работы, установка вертикальных камер не изменяется по сравнению с аналогичными вариантами осуществления, описанными выше. Существенные различия между вариантами осуществления, использующими операцию противотока, и вариантами осуществления, которые не включают в себя кольцевое пространство, заключаются в конструкции ребер, отводе дымовых газов и положении горелок, а следовательно потока дымового газа. При противоточной работе горелки устанавливаются вертикально под камерами пиролиза и газификации, и дымовые газы циркулируют из третичной камеры 60 или нижней вторичной камеры 50 вертикально вверх к первичной камере перед их выходом и/или рециркуляцией.
В варианте осуществления, изображенном на Фиг. 5a и 5b, ребра 80 и площадь поперечного сечения кольцевого пространства проектируются в соответствии с равномерным потоком дымовых газов вдоль оси каждой камеры и номинальной постоянной скорости 15 м/с. Размеры ребер дополнительно оптимизируются так, чтобы максимизировать теплопередачу между дымовыми газами и камерами. Горелки устанавливаются в отдельном корпусе 100, присоединенном к третичной камере 60, и располагаются таким способом, чтобы гарантировать осевую однородность потока. Также включается дополнительное впускное отверстие 104 для рециркулирующего дымового газа или нагретого воздуха перед нижней камерой 60, но после корпуса 100, что позволяет при желании смешивать нагретые газы с продуктами горения для того, чтобы уменьшить потребность в продуктах горения.
При использовании этого конструктивного варианта осуществления и третичных камер 60 и/или вторичных камер 50 в условиях газификации реагент газификации может быть выбран так, чтобы гарантировать, что реакции экзотермической газификации не повышают температуру камер выше желаемых температур (например, используя пар в качестве реагента газификации, поскольку паровая газификация является экзотермической).
Предпочтительные рабочие условия
При раскрытых выше подходящих рабочих температурах, с подходящим выбором модульных размеров камер, получаются подходящие давления, времена пребывания газов и времена пребывания твердого исходного сырья в камерах. Например, предпочтительно поддерживать в системе небольшое положительное давление (0 < давление < 1,5 бар), и при соответствующих температурах и рабочих условиях время пребывания газа в системе пиролиза (в первичной камере и вторичной камере, если она используется в качестве камеры пиролиза) составляет 1-4 с (чем ниже распределение температуры по системе пиролиза, тем дольше время пребывания), а время пребывания твердых веществ в системе пиролиза будет составлять > 2 мин.
Список особенностей
Следующие особенности, по отдельности и в любой комбинации друг с другом, являются подходящими для использования с настоящим изобретением, и могут независимо или в комбинации обеспечивать изобретения, являющиеся дополнительными к настоящему изобретению или отдельными от него.
1. Процесс для преобразования углеродсодержащего исходного сырья в продуктовый газ, содержащий стадию:
i) пиролиза и метанирования исходного сырья для производства газа по меньшей мере в одной реакционной камере, причем эта по меньшей мере одна реакционная камера содержит по меньшей мере один впуск и по меньшей мере один выпуск.
2. Процесс в соответствии с особенностью 1, дополнительно содержащий стадию:
ii) удаления газа из выпуска этой по меньшей мере этой одной реакционной камеры.
3. Процесс в соответствии с особенностью 2, дополнительно содержащий стадию:
iii) рециркуляции части этого удаленного продуктового газа через впуск по меньшей мере одной реакционной камеры для дальнейшей обработки,
опционально дополнительно содержащий стадию:
iv) извлечения части этого удаленного газа для формирования продуктового газа.
4. Процесс в соответствии с любой из предшествующих особенностей, в котором продуктовый газ содержит метан и длинноцепочечный углеводород, имеющий по меньшей мере два атома углерода; причем опционально этот длинноцепочечный углеводород может представлять собой смолу.
5. Процесс в соответствии с особенностью 4, дополнительно содержащий стадию разделения газа на продуктовый газ и рециркуляционную часть; в котором продуктовый газ имеет по существу более высокое содержание метана, чем газ; и в котором рециркуляционная часть имеет по существу более высокое содержание смолы, чем газ.
6. Процесс в соответствии с особенностью 5, дополнительно содержащий стадию рециркуляции рециркуляционной части по меньшей мере в один впуск реакционной камеры.
7. Процесс в соответствии с любой из предшествующих особенностей, дополнительно содержащий стадию кондиционирования исходного сырья перед пиролизом.
8. Процесс в соответствии с особенностью 7, в котором упомянутая стадия кондиционирования содержит любую операцию из классификации, фильтрования, измельчения и сушки исходного сырья в системе подготовки питания.
9. Процесс в соответствии с особенностью 8, в котором процесс сушки осуществляется с помощью сушилки с управляемой температурой.
10. Процесс в соответствии с особенностью 9, в котором сушилка с управляемой температурой содержит любое средство из газовых горелок, интегрированных теплообменников или интегрированной системы управления влагосодержанием.
11. Система для выполнения процесса в соответствии с любой из предшествующих особенностей.
12. Система в соответствии с особенностью 11, в которой по меньшей мере одна реакционная камера содержит первичную камеру, опционально содержащую сильфонную систему двойного сжатия/расширения.
13. Система в соответствии с особенностью 12, в которой по меньшей мере одна реакционная камера дополнительно содержит вторичную камеру, последовательно соединенную с первичной камерой, стенки вторичной камеры опционально содержат ребра, и вторичная камера опционально содержит сильфонную систему двойного сжатия/расширения.
14. Система в соответствии с особенностью 13, в которой по меньшей мере одна реакционная камера дополнительно содержит третичную камеру, последовательно соединенную со вторичной камерой, стенки третичной камеры опционально содержат ребра, и третичная камера опционально содержит любое из впускного отверстия для повторного введения смол или отверстий для управляемого введения пара, водорода, кислорода или воздуха.
15. Система в соответствии с любой из особенностей 12-14, в которой первичная камера содержит по меньшей мере один барабан.
16. Система в соответствии с любой из особенностей 13-14, в которой вторичная камера содержит по меньшей мере один барабан.
17. Система в соответствии с особенностью 14, в которой третичная камера содержит по меньшей мере один барабан.
18. Система в соответствии с любой из особенностей 13-14 или 16-17, в которой как первичная камера, так и вторичная камера содержит по меньшей мере один барабан.
19. Система в соответствии с любой из особенностей 14 или 17, в которой каждая из первичной камеры, вторичной камеры и третичной камеры содержит по меньшей мере один барабан.
20. Система в соответствии с любой из особенностей 15-19, в которой по меньшей мере один барабан содержит шнек для транспортировки исходного сырья и продуктового газа внутри упомянутых барабанов.
21. Система в соответствии с особенностью 20, в которой каждый из барабанов содержит шнек для транспортировки исходного сырья и продуктового газа внутри каждого соответствующего барабана, причем эти шнеки опционально содержат шнековые спирали, содержащие щетки из сплава никеля на их краях, шнек в первичной камере опционально содержит перемешивающие устройства, а шнек во вторичной камере опционально имеет уменьшенный шаг спирали по сравнению со шнеком в первичной камере.
TM
22. Система в соответствии с особенностью 21, в которой шнеки в каждом из барабанов делаются из никельсодержащего материала для облегчения каталитического преобразования во время процесса метанирования, в которой опционально никельсодержащий материал, является аустенитным суперсплавом на основе никеля и хрома (например, Inconel 716).
23. Система в соответствии с особенностью 14 или любой из особенностей 15-22, зависящих от особенности 14, в которой первичная камера и третичная камера функционируют при более высокой температуре, чем вторичная камера.
24. Система в соответствии с особенностью 14 или любой из особенностей 15-23, зависящих от особенности 14, в которой первичная камера и третичная камера функционируют при 1000°C или выше для того, чтобы способствовать пиролизу исходного сырья и расщеплению смолы.
25. Система в соответствии с особенностью 13 или любой из особенностей 15-24, зависящих от особенности 13, в которой вторичная камера функционирует по существу при 850°C для того, чтобы способствовать метанированию смолы.
26. Система в соответствии с особенностью 13 или любой из особенностей 15-25, зависящих от особенности 14, в которой газ удаляется из выпуска вторичной камеры для разделения газа на продуктовый газ и рециркуляционную часть.
27. Система в соответствии с особенностью 26, зависящей от особенности 14, или любой из особенностей 15-25, зависящих от особенности 14, в которой рециркуляционная часть повторно вводится во впуск третичной камеры.
28. Система в соответствии с особенностью 14 или любой из особенностей 15-27, зависящих от особенности 14, в которой газ и смола, удаленная из выпуска третичной камеры, повторно вводится в систему через впуск первичной камеры.
29. Система в соответствии с любой из особенностей 15-19, или любой из особенностей 20-28, зависящих от особенностей 15-19, в которой по меньшей мере один из барабанов содержит нагревательную рубашку, опционально изолированную с использованием усовершенствованного керамического волокна.
30. Система в соответствии с особенностью 29, в которой каждый из барабанов содержит нагревательную рубашку, опционально независимо изолированную с использованием усовершенствованного керамического волокна.
31. Система в соответствии с особенностью 29 или 30, в которой упомянутые нагревательные рубашки находятся в гидравлической связи друг с другом, опционально через выпускные отверстия, установленные для соединения нагревательных рубашек первичной камеры с рубашками вторичной камеры (когда вторичная камера присутствует), и нагревательных рубашек вторичной камеры с рубашками третичной камеры (когда третичная камера присутствует).
32. Система в соответствии с любой из особенностей 29-31, в которой каждая из нагревательных рубашек содержит нагреватель, опционально расположенный в осевом направлении.
33. Система в соответствии с особенностью 32, в которой нагреватель является газовой горелкой, использующей либо часть газа или продуктового газа, производимого процессом, либо внешний природный газ.
34. Система в соответствии с любой из особенностей 29-33, дополнительно содержащая механизмы амортизации на соединениях между нагревательными рубашками и барабанами.
35. Система в соответствии с любой из особенностей 15-34, в которой каждая из камер располагается по существу в горизонтальном направлении.
36. Система в соответствии с особенностью 35, в которой камеры располагаются вертикально друг над другом так, чтобы сформировать башню.
37. Система в соответствии с особенностью 13 или любой из особенностей 14-36, зависящих от особенности 13, дополнительно содержащая результирующие камеры между каждой парой последовательно соединенных камер для обеспечения буферной емкости.
38. Система в соответствии с особенностью 37, дополнительно содержащая механизмы амортизации на соединениях между каждым из барабанов и соответствующих результирующих камер.
39. Система в соответствии с любой из особенностей 34 или 38, в которой механизм амортизации представляет собой или содержит сильфон.
40. Система в соответствии с особенностью 12 или любой из особенностей 13-39, зависящих от особенности 12, дополнительно содержащая подающий механизм для подачи углеродсодержащего исходного сырья из системы подготовки питания в первичную камеру.
41. Система в соответствии с особенностью 40, в которой упомянутый подающий механизм содержит шнек.
42. Система в соответствии с особенностью 40 или 41, в которой подающий механизм дополнительно содержит бункер для обеспечения буферной емкости.
43. Подающий механизм, подходящий для использования в системе в соответствии с любой из особенностей 11-42.
44. Шнек, подходящий для использования в системе в соответствии с любой из особенностей 11-42.
45. Шнек в соответствии с особенностью 44, в частности для использования в подающем механизме системы в соответствии с особенностью 41 или особенностью 42, зависящей от особенности 41, опционально содержащий клапан управления гидравлическим давлением.
46. Шнек в соответствии с особенностью 45, в котором шнек представляет собой консольное шнековое компрессионное устройство или высокоскоростное питающее шнековое устройство.
47. Механизм амортизации для использования в системе в соответствии с любой из особенностей 11-42.
48. Механизм амортизации в соответствии с особенностью 45, который представляет собой или содержит сильфоны.
49. Нагреватель, подходящий для использования в системе в соответствии с любой из особенностей 11-42.
50. Нагревательная рубашка, подходящая для использования в системе в соответствии с любой из особенностей 11-42.
51. Камера, подходящая для использования в системе в соответствии с любой из особенностей 11-42.
52. Система подготовки питания, подходящая для использования в системе в соответствии с любой из особенностей 11-42.
53. Сушилка с управляемой температурой, подходящая для использования в системе подготовки питания в соответствии с особенностью 52.
54. Нагреватель, подходящий для использования в сушилке с управляемой температурой в соответствии с особенностью 53.
55. Нагреватель в соответствии с особенностью 54, который представляет собой газовую горелку или интегрированный теплообменник.
56. Интегрированная система управления влагосодержанием, подходящая для использования в сушилке с управляемой температурой в соответствии с особенностью 53.
57. Сушилка с управляемой температурой в соответствии с особенностью 53, содержащая любую из особенностей 54-56.
58. Система для выполнения процесса в соответствии с любой из особенностей 1-10, которая содержит по меньшей мере одну из особенностей 43-57.
Различные варианты осуществления и особенности были описаны выше. Следует понимать, что эти варианты осуществления являются всего лишь иллюстративными, и могут по отдельности или в комбинации представлять собой предмет изобретения. Их многочисленные модификации и адаптации будут очевидными для специалиста в данной области техники без отступлений от области охвата настоящего изобретения или изобретения, которое может быть заявлено в будущем на основе настоящего раскрытия.