Способ и устройство для использования кислорода при парореформинге биомассы - RU2555889C2

Чертежи

Показать все 13 чертежа(ей)

Описание

Изобретение относится к реактору с псевдоожиженным слоем для газификации и/или пиролиза твердых горючих материалов, предпочтительно биомассы, с нагревательным элементом для нагрева псевдоожиженного слоя реактора с псевдоожиженным слоем, причем нагревательный элемент имеет, по меньшей мере, одну полость. Далее изобретение относится к способу газификации и/или пиролиза твердых горючих материалов, предпочтительно биомассы, в реакторе с псевдоожиженным слоем, предпочтительно вышеуказанного типа.

Первым шагом к изготовлению синтез-газа из биомассы посредством парореформинга является эндотермическая реакция. То есть, в процесс должна быть введена тепловая энергия. Это может быть осуществлено посредством частичного сжигания биомассы. Подача кислорода в реактор при уровне температур примерно в 800°С является, однако, непростой задачей, так как при большом уровне подачи кислорода локально достигаются настолько высокие температуры, что происходит расплавление частиц золы биомассы. Поэтому, либо кислород должен быть разбавлен водяным паром или азотом, либо биомасса должна присутствовать в небольшом количестве в неактивном подслойном материале в форме небольших частиц кокса, которые быстро передают тепло на подслойный материал. Поэтому реакторы с псевдоожиженным слоем чаще всего эксплуатируются с использованием воздуха.

Самая известная промышленная установка данного типа находится в г.Гюссинг, Австрия (см. Zweibett Wirbelschichtvergasung in Gussing mit 2 MW_el/4,5; MWih; R.Rauch, H.Hofbauer; Holzenenergiesymposium 18th October 2002, ETH Zurich, Switzerland). Эта установка имеет два реактора с псевдоожиженным слоем, которые посредством системы циркуляции песка соединены друг с другом. Именуемый горелкой реактор работает на воздухе. В данном случае частицы кокса сжигаются и циркулирующий песчаный слой нагревается приблизительно до 950°С. Температура частиц кокса при таких условиях окисления может составлять более 1100°С. Поэтому такой тип реактора может надежно работать только на древесном топливе. Использование биомассы стебельчатого материала растений, ввиду низкой точки плавления ее золы, привело бы к комкованию песка.

Для газообразования под давлением, которое было бы предпочтительно для изготовления водорода, этот тип реактора менее пригоден.

В принципе, реакторы с псевдоожиженным слоем можно эксплуатировать также и в автотермическом режиме посредством прямой подачи чистого кислорода. На практике, однако, при этом происходит переход через точку плавления золы биомассы, даже если кислород наполовину разбавляется водяным паром. Эксплуатация в автотермическом режиме требует в таком случае особого варианта осуществления устройства подачи кислорода, как это отображено в DE 102 42 594 А1, а также специального разгрузочного устройства для расплавленной золы. Эта зола не может быть использована в качестве минерального удобрения.

При использовании чистого кислорода, без перехода через точку плавления золы, невозможна ни эксплуатация в аллотермическом режиме, к примеру, по Гюссинг-типу, ни эксплуатация в автотермическом режиме посредством вдувания чистого кислорода. Процент содержания кислорода равный 21% (воздух) уже является проблематичным.

Поэтому в основе изобретения лежит задача устранения вышеописанных недостатков и обеспечения возможности использования кислорода для газификации биомассы в реакторах с псевдоожиженным слоем. В частности, чистый кислород необходимо сделать пригодным для парореформинга биомассы с низкой точкой плавления золы.

Эта задача решается посредством признаков пунктов 1 и 16 формулы изобретения. Пункты 2-15, а также 17-25 формулы изобретения относятся к предпочтительным вариантам осуществления изобретения.

Итак, в соответствии с изобретением нагревательный элемент имеет устройство подачи кислорода для подачи кислородосодержащего газа в полость нагревательного элемента, которая граничит с пористым газопроницаемым участком нагревательного элемента. Таким образом, возможно контролируемое окисление кислородосодержащего газа посредством кислорода. При этом речь может идти, к примеру, о воздухе. Предпочтительным является, однако, использование технически чистого кислорода. К тому же, за счет использования пористого и газопроницаемого участка, можно добиться того, что кислородосодержащий газ взаимодействует с горючим газом и, в результате этого, окисляется без одновременного непосредственного взаимодействия частиц кокса псевдоожиженного слоя с кислородом. Поэтому частицы кокса в любом случае в подавляющем большинстве удерживаются на расстоянии от зоны окисления.

Нагревательный элемент может быть выполнен совершенно различными способами. Ввиду пористого варианта осуществления, из экономических соображений является, однако, особенно предпочтительным, если нагревательный элемент включает в себя, по меньшей мере, одну, в частности, большее количество труб. В дальнейшем, с целью упрощения изложения, зачастую говорится лишь о трубах как таковых. Не повторяя вышеизложенного, в качестве альтернативы, наряду с несколькими трубами, может быть предусмотрена всего лишь одна труба, или же, в альтернативном варианте или в дополнение, и другой вариант осуществления нагревательного элемента.

Согласно способу в соответствии с этим предусмотрено, что кислородосодержащий газ подается к полости нагревательного элемента, и кислородосодержащий газ и/или горючий газ проходит через пористый газопроницаемый участок нагревательного элемента. Горючий газ, по меньшей мере, частично окисляется в условиях теплопередачи посредством кислородосодержащего газа. Тепло, образованное в процессе окисления, передается затем на псевдоожиженный слой реактора с псевдоожиженным слоем.

В дальнейшем, в целях упрощения изложения другие варианты осуществления устройства и способа описываются совместно, причем специалист соответственно различит особые признаки осуществления устройства и особые признаки осуществления способа.

В первом предпочтительном варианте осуществления реактора с псевдоожиженным слоем трубы в предпочтительном варианте предусмотрены в реакторе с псевдоожиженным слоем, причем, по меньшей мере, некоторые трубы выполнены в виде, по меньшей мере, частично пористых газопроницаемых труб. Это позволяет осуществлять удобную подачу газов - участников процесса. Таким образом, не все трубы в обязательном порядке должны быть пористыми и газопроницаемыми, а также в обязательном порядке насквозь пористыми и газопроницаемыми.

В особо предпочтительном варианте осуществления реактора с псевдоожиженным слоем нагревательный элемент имеет множество концентрично расположенных относительно друг друга труб. Таким образом, предусмотрено несколько групп, состоящих по меньшей мере, из двух труб, расположенных концентрично относительно друг друга. Разумеется, в данном случае речь не идет о точном концентричном расположении. В каждой группе труб предусмотрена внутренняя труба и наружная труба, причем, по меньшей мере, внутренняя труба или наружная труба выполнены пористыми и газопроницаемыми. Тем самым, образуется кольцевое пространство между внутренней трубой и наружной трубой, в котором могут быть предусмотрены другие встроенные элементы. Кольцевое пространство может служить в качестве следующего канала для соответствующей подачи газов - участников процесса.

При таком расположении труб устройство подачи кислорода может быть образовано для того, чтобы подавать кислородосодержащий газ к внутренней трубе. Тогда в кольцевой полости может осуществляться окисление горючего газа в отсутствие частиц кокса, так как они не могут проникать в кольцевое пространство. Наружная труба может также служить в качестве экрана для сильно повышенной, в случае необходимости, температуры в кольцевой полости, так что в псевдоожиженном слое не может произойти превышения точки плавления золы частиц кокса.

Если горючий газ не проходит через соответствующую пористую и газопроницаемую наружную трубу из псевдоожиженного слоя в кольцевое пространство, а подается в кольцевой паз непосредственно извне, то может быть предусмотрена также необходимость подачи кислородосодержащего газа к кольцевому пространству между наружной трубой и внутренней трубой. В этом случае кислород может и далее удерживаться на расстоянии от наружной трубы, вследствие чего можно предотвратить или, по меньшей мере, снизить вероятность возникновения нежелательных реакций.

Устройство для подачи горючего газа может быть предусмотрено таким образом, что горючий газ подается к внутренней трубе или к кольцевому пространству между наружной трубой и/или внутренней трубой. Тем самым, может быть гарантировано, что горючий газ в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа может подаваться к нагревательному элементу.

Чтобы иметь возможность подавать горючий газ из псевдоожиженного слоя к нагревательному элементу или же кислородосодержащий или окисленный газ из нагревательного элемента к псевдоожиженному слою, соответственно, как внутренняя труба, так и наружная труба могут быть выполнены пористыми и газопроницаемыми.

В кольцевом пространстве, в случае необходимости, между внутренней трубой и наружной трубой может быть предусмотрена, по меньшей мере, одна другая, в предпочтительном варианте пористая и газопроницаемая труба и/или, по меньшей мере, один, в случае необходимости, газопроницаемый теплозащитный экран. Этот экран может служить, к примеру, для экранирования тепла частиц кокса в псевдоожиженном слое.

Если необходимо предотвратить смешение газа нагревательного элемента с газом псевдоожиженного слоя, то наружную трубу можно окружить, по меньшей мере, одним газонепроницаемым кожухом. Кожух в этом случае нагревается, так сказать, изнутри посредством окисления горючего газа и передает соответствующее тепло на псевдоожиженный слой. Кожух может быть и сам выполнен при этом в виде концентричной трубы.

В случае простой конструкции реактора с псевдоожиженным слоем устройство подачи кислорода может включать в себя днище сопла для подачи кислородосодержащего газа к полости и одновременно для подачи вихревого газа к псевдоожиженному слою 5 реактора с псевдоожиженным слоем.

Устройство подачи горючего газа может быть точно также встроено в днище сопла, чтобы одновременно подавать кислородосодержащий газ и горючий газ к полости нагревательного элемента, а вихревой газ к псевдоожиженному слою реактора с псевдоожиженным слоем.

В предпочтительном варианте нагревательный элемент предусмотрен в неподвижном псевдоожиженном слое и/или в циркулирующем псевдоожиженном слое. Там теплопередача осуществляется особенно хорошо и явно лучше, чем вне псевдоожиженного слоя. Псевдоожиженный слой может иметь неактивный подслойный материал. Однако от него можно и отказаться, к примеру, в том случае, если псевдоожиженный слой образуется из частиц кокса. В этом случае говорят об облаке кокса. К частицам кокса посредством нагревательного элемента может быть подано достаточное количество тепла, например для парореформинга.

Если пористый, газопроницаемый участок нагревательного элемента, в предпочтительном варианте, по меньшей мере, одна пористая газопроницаемая труба, по меньшей мере, фрагментарно содержит материал катализатора и/или выполнена из материала катализатора, то может быть осуществлена каталитическая реакция обмена смол. Для этого в предпочтительном варианте в качестве горючего газа используется богатый смолами пиролизный газ, который образуется в пиролизном реакторе на этапе способа, предшествующем реактору с псевдоожиженным слоем. В этом случае горючий газ, в предпочтительном варианте после своего частичного окисления, может проходить по пористому газопроницаемому участку и при этом вступать в контакт с катализатором.

Эффективность нагревательного элемента может быть повышена, без отказа от вышеописанных преимуществ, если пористый, газопроницаемый участок, в частности, пористая газопроницаемая труба выполнена с возможностью электрического нагрева. При этом пористый газопроницаемый участок, в частности, пористая газопроницаемая труба может служить, в случае необходимости, в качестве нагревательного резистора. При этом предпочтительным является, если пористая газопроницаемая труба выполнена из металлического токопроводящего материала. Однако не каждый пористый газопроницаемый участок или не каждая газопроницаемая труба должны быть выполнены с возможностью электрического нагрева. В частности, при концентрично расположенных относительно друг друга трубах, может быть достаточным, если внутренняя и/или наружная труба выполнены с возможностью электрического нагрева.

Также может быть предусмотрено, что нагревательный резистор разделен на сегменты по высоте реактора с псевдоожиженным слоем, так что электрическая теплопроизводительность нагревательного элемента в соответствующих сегментах может регулироваться и/или настраиваться независимым образом. Применение сегментированных нагревательных элементов может являться целесообразным, в частности, тогда, когда реактор с псевдоожиженным слоем также разделен на отдельные участки, к примеру, посредством использования перфорированных металлических листов. Перфорированные металлические листы могут служить в таком случае, к примеру, для электропитания отдельных электрических сегментов нагревательного элемента.

В соответствии со способом в особо предпочтительном примере осуществления предусмотрено, что кислородосодержащий газ проходит через пористый газопроницаемый участок нагревательного элемента в направлении псевдоожиженного слоя реактора с псевдоожиженным слоем, и на пористом газопроницаемом участке и/или непосредственно на границе с обращенной к псевдоожиженному слою стороне пористого газопроницаемого участка горючий газ окисляется в псевдоожиженном слое. Таким образом, добиваются пространственного разделения окисления и частиц кокса, так что может быть предотвращено превышение температуры плавления золы. Кроме того, в процессе окисления целенаправленным образом нагревается пористый газопроницаемый участок нагревательного элемента, который затем передает соответствующее тепло, к примеру, посредством теплового излучения на псевдоожиженный слой, в частности, на частицы кокса.

В альтернативном варианте горючий газ псевдоожиженного слоя реактора с псевдоожиженным слоем может проходить через пористый газопроницаемый участок нагревательного элемента в направлении полости нагревательного элемента и на пористом газопроницаемом участке нагревательного элемента и/или в полости нагревательного элемента может окисляться посредством кислородосодержащего газа. И в этом случае добиваются вышеуказанных преимуществ.

В следующем альтернативном варианте осуществления способа кислородосодержащий газ подается, по меньшей мере, к одной внутренней пористой и газопроницаемой трубе, причем кислородосодержащий газ проходит через систему пор внутренней трубы в кольцевое пространство между внутренней трубой и пористой газопроницаемой наружной трубой и, причем к кольцевому пространству между внутренней трубой и наружной трубой подается горючий газ. Горючий газ, в конце концов, окисляется в кольцевом пространстве посредством кислородосодержащего газа, после чего, по меньшей мере, частично окисленный газ через систему пор наружной трубы выходит из нагревательного элемента. По меньшей мере, частично окисленный газ проходит при этом в предпочтительном варианте в реактор с псевдоожиженным слоем, с целью его нагрева. В частности, по меньшей мере, частично окисленный газ проходит в псевдоожиженный слой реактора с псевдоожиженным слоем, где тепло, по меньшей мере, частично окисленного газа также переходит на частицы кокса.

В связи с этим может быть предусмотрено, что, по меньшей мере, частично окисленный газ проходит через пористую газопроницаемую трубу и/или через теплозащитный экран между внутренней трубой и наружной трубой, в предпочтительном варианте в реактор с псевдоожиженным слоем, и далее в предпочтительном варианте в псевдоожиженный слой реактора с псевдоожиженным слоем. Таким образом, добиваются улучшенного теплового экранирования от частиц кокса. Чрезмерное повышение температуры, которое приводит к расплавлению содержащейся в частицах кокса золы, может быть таким образом предотвращено.

В предпочтительном варианте осуществления способа кислородосодержащий газ подается, по меньшей мере, к одной внутренней пористой и газопроницаемой трубе, откуда он через систему пор внутренней трубы проходит в кольцевое пространство между внутренней трубой и наружной трубой. К кольцевому пространству подается далее горючий газ, который окисляется там посредством кислородосодержащего газа. Таким образом, по меньшей мере, частично окисленный газ через устройство отведения выводится из реактора с псевдоожиженным слоем, а не вводится напрямую в псевдоожиженный слой реактора с псевдоожиженным слоем. Соответствующее смешение может быть, таким образом, предотвращено.

В альтернативном варианте может быть предусмотрено, что горючий газ подается, по меньшей мере, к одной внутренней пористой и газопроницаемой трубе и через систему пор внутренней трубы проходит в кольцевое пространство между внутренней трубой и наружной трубой, к которому подается кислородосодержащий газ. Горючий газ, таким образом, окисляется в кольцевом пространстве посредством кислородосодержащего газа. Затем, по меньшей мере, частично окисленный газ через устройство отведения выводится из реактора с псевдоожиженным слоем.

По меньшей мере, в отдельных вариантах осуществления способа предпочтительным может являться, если в качестве горючего газа используется в предпочтительном варианте богатый смолами пиролизный газ из подключенного перед реактором с псевдоожиженным слоем пиролизного реактора. Следовательно, такой газ может быть в наличии и может легко использоваться. Кроме того, использование пиролизного газа может приводить к выделению имеющихся в нем смол.

Следующий вариант осуществления способа предусматривает, что кислородосодержащий газ подается, по меньшей мере, к одной внутренней пористой и газопроницаемой трубе, а затем через систему пор внутренней трубы проходит в кольцевое пространство между внутренней трубой и наружной трубой. Горючий газ, напротив, проходит из псевдоожиженного слоя реактора с псевдоожиженным слоем через наружную пористую газопроницаемую трубу в направлении кольцевого пространства между внутренней трубой и наружной трубой. В кольцевом пространстве горючий газ, в конце концов, окисляется посредством кислородосодержащего газа и, по меньшей мере, частично окисленный реакционный газ через устройство отведения выводится из реактора с псевдоожиженным слоем.

Горючий газ и/или кислородосодержащий газ в простом конструктивном варианте и для упрощения осуществления способа могут подаваться через днище сопла реактора с псевдоожиженным слоем, причем вихревой газ реактора с псевдоожиженным слоем через днище сопла подается к псевдоожиженному слою.

Посредством предложенного на рассмотрение изобретения существенно предотвращается прямой контакт кислорода с образованными из биомассы частицами кокса. В соответствии с изобретением возможен как аллотермический, так и автотермический режим работы. Под кислородом в данном случае понимается кислородосодержащий газ, в предпочтительном варианте, однако, технически чистый кислород.

Под псевдоожиженным слоем в данном случае понимается любой вариант осуществления реакционных зон с частицами кокса во взвешенном состоянии, образующимися из биомассы. Псевдоожиженный слой может содержать в себе неактивный подслойный материал, такой как песок. Изобретение может быть применимо к классическому неподвижному псевдоожиженному слою с песком или без него, к циркулирующему псевдоожиженному слою или к облаку кокса.

Под облаком кокса в данном случае понимают очень большое количество распределенных в потоке газа частиц кокса, величина которых настолько мала, что эти частицы кокса, удерживаемые технологическим газом, как правило, в виде пиролизного газа, по меньшей мере, во взвешенном состоянии, в частности, посредством газа транспортируются далее.

В псевдоожиженном слое реактора с псевдоожиженным слоем расположена образующая нагревательный элемент структура, которая в предпочтительном варианте имеет большую поверхность и, по меньшей мере, частично газопроницаема.

Кислород может быть использован для того, чтобы посредством окисления или частичного окисления газа нагревать структуру, которая отдает свое тепло посредством теплопередачи, конвекции и теплового излучения на псевдоожиженный слой. Структура для промышленной газификации может быть образована в предпочтительном варианте, в основном, из множества и/или большого количества труб. Трубы в большом количестве могут располагаться в псевдоожиженном слое реактора с псевдоожиженным слоем. В соответствии с технологическим процессом некоторые трубы могут быть газопроницаемыми, а другие газонепроницаемыми. Газопроницаемыми являются, к примеру, зашлакованные трубы с закупоренными порами, ткани или перфорированные трубы.

Предпочтительный технологический процесс может быть достигнут с применением труб, имеющих пористую структуру, известную на примере патронных фильтров. Подходящими являются керамические и металлические материалы. В трубах могут располагаться другие трубы, которые также имеют газопроницаемую структуру или могут быть выполнены газопроницаемыми.

Нагрев структур, в частности, наружных труб структур, может осуществляться, к примеру, следующим образом.

(a) Поданный к структуре, в частности, к трубам, кислород проходит по соответствующим трубопроводам за счет приложения достаточной положительной разности давлений, при которой давление в реакционном пространстве реактора с псевдоожиженным слоем меньше, чем в пористой структуре, изнутри наружу через газопроницаемую наружную стенку трубы, в направлении реакционного пространства реактора с псевдоожиженным слоем. При этом содержащийся в реакторе с псевдоожиженным слоем газ окисляется в порах наружного слоя структуры или непосредственно на границе со структурой. Это окисление приводит к тому, что структура нагревается. У структуры с очень маленькими порами или с мелкой перфорацией окисление происходит непосредственно вблизи стенки, причем преобладающая часть энергии служит для нагрева трубы. Окисленные или частично окисленные газы остаются, тем самым, в реакторе с псевдоожиженным газом. То есть, в данном случае имеет место автотермическая газификация.

(b) Посредством приложения отрицательной разности давлений, при которой давление в реакционном пространстве реактора с псевдоожиженным слоем больше, чем в пористой структуре, газ ректора с псевдоожиженным слоем проходит в направлении внутреннего пространства структуры. В порах стенки или в структуре газ вступает в реакцию с поданным к структуре кислородом, и притом в зависимости от разности давлений. Окисление в предпочтительном варианте осуществляется на внутренней стенке, по аналогии со случаем (а). Окисленные или частично окисленные газы, то есть продукты реакции, при этом выводятся из трубы для дальнейшего использования. Дальнейшее использование может, к примеру, состоять в том, чтобы применять физическое тепло в общем технологическом процессе. Также может быть предусмотрено доведение окисленных или частично окисленных газов до более высокого уровня давления и подача их к реакционному пространству реактора с псевдоожиженным слоем.

(с) В частности, если структура составлена из нескольких пористых слоев, и притом в предпочтительном варианте из нескольких концентричных пористых труб, для нагрева структуры можно использовать любой горючий газ. В предпочтительном варианте структура имеет тогда, по меньшей мере, две концентричные пористые трубы. Горючий газ может быть подан в промежуточное пространство между пористыми слоями структуры, в частности, в кольцевое пространство между концентричными трубами, или во внутреннее пространство структуры или во внутреннее пространство соответствующей внутренней концентричной трубы. Кислород подается в этом случае, соответственно, в другое пространство, в промежуточное пространство, в кольцевое пространство или во внутреннее пространство, так что горючий газ или кислород сначала посредством, по меньшей мере, одного слоя или стенки оказываются отделенными друг от друга.

Если кислород вводится, к примеру, во внутреннюю газопроницаемую трубу, а газ в кольцевой зазор, то кислород при положительной разности давлений проходит в кольцевое пространство, где газ, по меньшей мере, частично, окисляется. За счет этого внутренняя труба нагревается и передает тепло на наружную трубу, которая опять же передает тепло на псевдоожиженный слой реактора с псевдоожиженным слоем. Если в качестве газа выбирают богатый смолами пиролизный газ, то желательно, чтобы внутренняя труба имела максимально высокую температуру. В этом случае предпочтительно располагать в кольцевом пространстве дополнительный теплозащитный экран, к примеру, в форме скрученного перфорированного металлического листа, так чтобы в соответствующем промежуточном пространстве можно было получить высокую температуру, без повышения температуры в реакционном пространстве до такой степени, чтобы мог образоваться расплав золы. Поэтому теплозащитный экран предусматривается между зоной реакции и наружной концентричной пористой трубой. Металлический лист для образования теплозащитного экрана может быть выполнен таким образом, чтобы возникла максимально высокая турбулентность, с целью максимально частого контакта молекул газа с горячей стенкой трубы. Для поддержания процесса разрушения смол предпочтительно покрывать, по меньшей мере, внутреннюю трубу каталитическим материалом. Подходящими для этой цели являются, к примеру, катализаторы на никелевой основе из группы VIII периодической системы элементов, которые могут разрушать и аммиак. Легирование катализаторов на никелевой основе примесями MgO, ZrO₂ или ZrO₂-А1₂0₃ также является предпочтительным. Посредством каталитического разрушения смол пиролизного газа при повышенных температурах получают в значительной степени свободный от смол синтез-газ.

В том случае, если наружная труба является газопроницаемой, то частично окисленный пиролизный газ, содержание смол в котором в значительной степени преобразовано каталитическим и/или термическим способом, за счет приложения соответствующей разности давлений может проходить в реактор с псевдоожиженным слоем. В значительной степени свободный от смол пиролизный газ может, однако, и в качестве синтез-газа выводиться из кольцевого пространства для дальнейшего использования. В этом случае наружная труба должна быть газонепроницаемой.

(d) По меньшей мере, частичное окисление газа посредством кислорода может осуществляться также и вне структуры. В простейшем случае, по меньшей мере, частично окисленный газ нагревает в этом случае структуру при прохождении через нее. В таком случае структура передает тепло на псевдоожиженный слой реактора с псевдоожиженным слоем. По меньшей мере, частичное окисление газа может происходить также в полной мере вне реактора с псевдоожиженным слоем или непосредственно под структурой, в частности, под трубами. Совместная подача горючего газа и кислорода может осуществляться также внутри структуры, в частности, внутри труб. И в этих случаях использование газопроницаемой трубы может являться предпочтительным, так как, тем самым, в аксиальном направлении могут быть получены небольшие разности температур.

В том случае, если в качестве горючего газа используется богатый смолами пиролизный газ, предпочтительно предусмотреть, по меньшей мере, структуру, в частности, по меньшей мере, одну внутреннюю трубу, с катализатором. Структура или, по меньшей мере, одна труба могут быть также изготовлены из материала катализатора. Весь частично окисленный пиролизный газ должен в этом случае проходить, по меньшей мере, через одну каталитически активную структуру, вследствие чего содержание смол в пиролизном газе может быть снижено еще более существенно, чем в случае (с).

В случае, если горючий газ в результате приложения соответствующей разности давлений проходит через газопроницаемую трубу в реактор с псевдоожиженным слоем, чтобы там подвергнуться окислению, то и эта труба может быть снабжена катализатором. Не обязательно смещать каталитический процесс вовнутрь структуры. Этот процесс может быть осуществлен и в устройстве вне реактора с псевдоожиженным слоем.

Предварительный этап образования пиролизного газа описан в DE 198 07 988 А 1. Патентные заявки DE 10 2008 014 799 А1 и DE 10 2008 032 166 A1 также используют предварительные этапы, на которых производится богатый смолами пиролизный газ.

Если горючий газ, к примеру, богатый смолами пиролизный газ, не используется или не в полной мере используется в качестве вихревого газа для реактора с псевдоожиженным слоем, а, по меньшей мере, частично, по меньшей мере, для частичного окисления подается к структуре, часть газа реактора с псевдоожиженным слоем может быть проведена по кругу и использована в качестве вихревого газа, с целью предоставления достаточного количества вихревого газа для работы реактора с псевдоожиженным слоем. В данном случае возможно необходим ротационный вентилятор, который отводит синтез-газ или пиролизный газ от выхода реактора с псевдоожиженным слоем обратно на вход.

Если для нагрева структуры необходимо использовать пиролизный газ, то рекомендуется предварительно произвести обеспыливание этого газа и, в случае необходимости, освободить его от каталитических ядов, таких как сера. Очистка горячего газа от сернистых соединений является, в принципе, достаточным условием, и сама по себе известна. А именно, пыль с труб, что является обычным методом при работе с фильтровальными свечами, можно удалить посредством скачка давления. Разумеется, серные соединения могут приводить к образованию золы с низкой температурой плавления, которая откладывается в трубах.

Если введенный газ должен был полностью окислен посредством технически чистого кислорода, то это возможно лишь при использовании ротационного вентилятора. Посредством обратного отведения частично окисленного газа возникающие температуры могут быть ограничены и, тем самым, структуры могут быть защищены от высоких температур. За образованием синтез-газа обычно следует дальнейший процесс переработки данного газа в газообразные или жидкие вещества, такие, к примеру, как водород, метан, метанол или горючие материалы. В процессе преобразования и фильтрации данных продуктов получаются, как правило, горючие газы и пары, которые могут быть использованы для нагрева структур в реакторе с псевдоожиженным слоем, а также могут быть вышеописанным образом применены в качестве горючего газа. Это могут быть также фракции с высоким процентным содержанием водорода, из которых посредством частичного окисления образуется водяной пар, который может быть очень полезен для технологического процесса в целом. Водяной пар, к примеру, в качестве вихревого газа может быть удачно использован для описанного здесь реактора с псевдоожиженным слоем, для гомогенной реакции в фазе водяного пара (Shift) или при преобразовании в метан.

Устройство в соответствии с изобретением, а также способ в соответствии с изобретением пригодны для осуществления технологического процесса под давлением а также для осуществления технологического процесса без давления. Чистый кислород предпочтительно используется для больших установок, работающих под давлением, для небольших установок без давления более предпочтительным может являться воздух, так как образование небольшого количества чистого кислорода является сравнительно

затратным мероприятием.

В описанном способе прямой контакт между частицами кокса и кислородом предотвращается или, по меньшей мере, явно уменьшается. Тепло передается на частицы кокса по большей части посредством излучения, конвекции или теплопроводности. Ввиду эндотермического характера реакции преобразования кокса частицы кокса в предпочтительном варианте всегда холоднее, чем структура, окружающий газ или соседняя частица песка, если они имеются. Разность температур между частицами кокса и структурой может регулироваться размером поверхности структуры, так что могут быть установлены разности температур от 20°С до 300°С.Поэтому изобретение пригодно также и для биомассы с низкой точкой плавления золы. Это относится также к большому количеству высокопродуктивных биомасс из стебельчатого материала растений. Реформинг-процесс может быть произведен, несмотря на использование кислорода, в аллотермическом режиме. Это повышает качество синтез-газа. Изобретение позволяет также осуществлять термически каталитическое снижение содержание смол.

Реактор с псевдоожиженным слоем может быть образован для пиролиза твердых горючих материалов, таких как биомасса. Реактор с псевдоожиженным слоем может быть образован также для производства синтез-газа из твердых горючих материалов, предпочтительно из пиролизного газа вышеуказанного пиролиза. В случае необходимости реактор с псевдоожиженным слоем может быть образован для парореформинга, включающего в себя пиролиз в первом отсеке реактора (пиролизный реактор) и образование синтез-газа во втором отсеке реактора (реактор для производства синтез-газа).

Далее изобретение поясняется более детально на основании представляющего лишь один пример осуществления изобретения чертежа, на котором показано:

фиг.1 - реактор с неподвижным псевдоожиженным слоем, в котором кислород проводится по трубам с пористыми стенками,

фиг.2 - продольный разрез пористой трубы с фиг.1,

фиг.3 - поперечное сечение пористой трубы с фиг.1,

фиг.4 - реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем, в котором кислород проводится по трубам с пористыми стенками,

фиг.5 - реактор с псевдоожиженным слоем с окислением вне реактора,

фиг.6 - реактор с псевдоожиженным слоем с двумя концентрично расположенными газопроницаемыми трубами,

фиг.7 - продольный разрез газопроницаемых труб с фиг.6,

фиг.8 - поперечное сечение газопроницаемых труб с фиг.6,

фиг.9 - поперечное сечение газопроницаемых труб с фиг.6 с теплозащитным

экраном,

фиг.10 - каскадный реактор с псевдоожиженным слоем с двумя концентрично

расположенными трубами, причем лишь внутренняя труба является газопроницаемой,

фиг.11 - продольный разрез труб с фиг.10,

фиг.12 - поперечное сечение труб с фиг.10 и 11, и

фиг.13 - реактор с псевдоожиженным слоем, в котором окисление газа происходит на внутренней стороне пористой трубы.

Фиг.1 демонстрирует реактор 9а с неподвижным псевдоожиженным слоем 10 между днищем 12 сопла и верхним концом 16. Для поддержания процесса измельчения биомассы псевдоожиженный слой может содержать песок. Псевдоожиженный слой флюидизируется посредством вихревого газа 13, к примеру, водяного пара и/или пиролизного газа. Биомасса 14 подается к реактору с псевдоожиженным слоем по транспортирующему устройству. Образующийся в реакторе 9а с псевдоожиженным слоем синтез-газ 15 проходит пространство над псевдоожиженным слоем 11 и покидает реактор 9а с псевдоожиженным слоем в его верхней части. В псевдоожиженном слое находится нагревательный элемент 28, включающий в себя большое количество пористых, имеющих полости 29 труб 1а, к которым через устройство 30 подачи кислорода в форме трубопроводов 5 подается кислород 6. Кислород 6 проходит по образованному пористыми трубами 1а, пористому газопроницаемому участку 31 нагревательного элемента 28 в направлении псевдоожиженного слоя 10.

В наружный слой пористых труб 1а из псевдоожиженного слоя 10 посредством диффузии и конвекции проникает горючий газ и там под действием кислорода 6 окисляется. Вследствие этого, труба 1а нагревается и посредством теплопередачи передает свое тепло на псевдоожиженный слой 10. Частицы кокса в псевдоожиженном слое предпочтительно косвенным образом нагреваются за счет теплопроводности песка и газа. Так как газификация кокса является эндотермической реакцией, то частицы кокса являются самыми холодными частицами в псевдоожиженном слое 10. Степень пористости, а также величина пор труб 1а выбираются в целесообразном варианте таким образом, чтобы потери давления кислорода были существенно больше, чем разность давлений на верхнем и нижнем концах псевдоожиженного слоя 10. Тем самым добиваются практически равномерного обогрева. Одновременно с этим, степень пористости и величина пор труб 1а выбираются таким образом, чтобы частицы кокса не смогли проникнуть в систему пор труб 1а и вступить там в контакт с кислородом 6.

Фиг.4 демонстрирует реактор 9b с циркулирующим псевдоожиженным слоем. В такого типа реакторе скорость газа настолько высока, что образование неподвижного псевдоожиженного слоя не происходит. Подслойный материал псевдоожиженного слоя 10 при помощи циклона 27 и сифона, приводимого в действие сифонным газом 8, известным образом постоянно меняет свое положение. Поэтому пористые трубы 1а могут заполнять почти все реакционное пространство. Днище 12 сопла представляет собой образованное пластинами 17 и 18 двойное днище. Это двойное днище используется для распределения кислорода 6. Распределение кислорода 6 могло бы производиться также и другим путем.

В соответствии со способом теплопередача на трубах 1а на первых сантиметрах днища сопла не так велика, как в центральной части реактора 9b с псевдоожиженным слоем. Поэтому, целесообразным является не обогревать трубу 1а в нижней зоне или не выполнять ее пористой в данной зоне. Это может быть осуществлено посредством вставки или облицовки трубы 1а защитной трубой 4 в форме короткой газонепроницаемой трубы. Ввиду наличия дойного днища, вихревой газ 13 проводится через множество трубных сопел 20, которые проходят насквозь через образованное пластинами 17 и 18 двойное днище. В качестве возвратной заслонки 21 предусмотрена пластина. Вихревой газ по трубам 1а подается к реактору 9а с псевдоожиженным слоем.

Фиг.5 демонстрирует реактор 9а с неподвижным псевдоожиженным слоем 10, у которого любой горючий газ, поданный извне по устройству 32 подачи горючего газа, в предусмотренном для этого агрегате 22, по меньшей мере, частично окисляется посредством кислорода 6. Нагретый и частично окисленный газ проходит через двойное днище, как описано на фиг.4, через множество пористых труб 1а, в псевдоожиженный слой 10. Если количество труб 1а велико, то тепло преобладающим образом передается на псевдоожиженный слой посредством излучения, теплопередачи и конвекции. В случае небольшого количества труб 1а тепло передается посредством даже частично окисленного газа. В обоих случаях частицы кокса не вступают в контакт с кислородом.

Эта конструкция особенно пригодна для окисления или частичного окисления богатых смолами пиролизных газов, которые в предпочтительном варианте перед окислением должны быть обеспылены. Повышенную температуру частично окисленных пиролизных газов можно использовать для каталитического разрушения смол. Это может быть осуществлено посредством оснащения труб 1а катализаторами или посредством расположения каталитического реактора вне реактора с псевдоожиженным слоем. При сильном перегреве газа за счет частичного окисления или каталитических реакций, в предпочтительном варианте посредством использования большого количества труб 1а, необходимо следить за тем, чтобы температура труб 1а не повышалась настолько, чтобы зола в псевдоожиженном слое 10 расплавлялась.

Фиг.6 демонстрирует реактор 9а с неподвижным псевдоожиженным слоем 10, у которого в трубах 1а концентричным образом расположена другая пористая труба 2а, степень пористости которой выбрана таким образом, что частицы кокса не проникают в пористую систему труб, во всяком случае, не могут пройти сквозь трубу. Концентрично расположенные трубы 1а, 2а образуют кольцевое пространство 33 и делают возможным более сильный перегрев горючего газа 7, так как окисление или частичное окисление посредством кислорода 6 происходит на внутренней трубе 2а, которая отдает тепло на внешнюю трубу 1а преобладающим образом в виде излучения. Повышение температуры можно усилить, если в кольцевом пространстве расположить еще и дополнительную газопроницаемую трубу 3. Труба 3 может быть образована, к примеру, из скрученного листа, в котором отверстия могут быть пробиты таким образом, что на листе остаются гранки в качестве помехи для прохождения тока. Такая конструкция особенно подходит для термического / каталитического разрушения смол. В предпочтительном варианте, по меньшей мере, внутренняя труба 2а должна иметь каталитически активный слой или должна быть полностью изготовлена из каталитического материала. В этом случае защитная труба 4 должна быть выполнена в предпочтительном варианте более длинной, так чтобы на входе трубы 3 в таком случае еще холодный и, тем самым, богатый смолами пиролизный газ не попал в реактор 9а с псевдоожиженным слоем. Молекулы смол, кроме того, должны иметь возможность вступать в контакт с горячей внутренней трубой 2а. Вместо варианта осуществления в форме листа, теплозащитный экран 3 может быть выполнен в этом случае и в виде пористой трубы с каталитически активным слоем для разрушения смол.

Как показывают фиг.6-9, окисленный или частично окисленный газ 7 может быть выпущен в псевдоожиженный слой 10. Подача газа 7 и кислорода 6 осуществляется в данном случае через днище 12 сопла, которое имеет две камеры, образованные пластинами 17, 18 и 19.

Фиг.10 демонстрирует каскадный реактор 9с с неподвижным псевдоожиженным слоем 10, который содержит неактивный подслойный материал, такой как песок, и два других псевдоожиженных слоя 23. Эти псевдоожиженные слои 23 состоят лишь из облаков кокса, поднявшихся из псевдоожиженного слоя 10. Между следующим псевдоожиженным слоем 23 и неподвижным псевдоожиженным слоем 10 находится 17 реакционное пространство 11. Как и на фиг.6, структура образована из большого количества труб 1b, которые, соответственно, имеют дополнительную, концентричным образом расположенную, внутреннюю трубу 2а или 2b. Горючий газ 7 вводится в кольцевое пространство, образованное обеими трубами. Кислород 6 подается к внутренней трубе 2а. В зоне содержащего песок псевдоожиженного слоя 10 внутренняя труба 2а состоит из пористой трубы 2а, а в зоне других псевдоожиженных слоев 23 и реакционного пространства 11 из перфорированной трубы 2b или трубы 2b с более высоким коэффициентом сопротивления потоку, которая пропускает меньше кислорода 6, по сравнению с пористой трубой в неподвижном псевдоожиженном слое 10. Это является целесообразным, так как теплопередача в неподвижном псевдоожиженном слое 10 явно выше, чем в других псевдоожиженных слоях 23 и в реакционном пространстве 11. Труба 1b является газонепроницаемой. Окисленный или частично окисленный газ 24 должен быть, поэтому, выпущен в пространство 26, образованное промежуточным днищем 25. Отсюда он направляется для дальнейшего использования в технологическом процессе.

Фиг.13 демонстрирует реактор 9а с псевдоожиженным слоем 10, включающий в себя большое количество пористых труб 1а в зоне псевдоожиженного слоя 10, которые в пространстве над псевдоожиженным слоем переходят в газонепроницаемую трубу 1b. В каждой трубе 1а концентричным образом расположена другая пористая труба 2а, которая допускает прохождение кислорода 6 в кольцевое пространство. Кислород 6 проходит через двойное днище, образованное пластинами 17 и 18, в трубы 2а. Горючий газ 7 в этом случае отбирается посредством приложения пониженного давления к псевдоожиженному слою 10. Окисленный или частично окисленный газ 24 направляется для дальнейшего использования в общем технологическом процессе. Процесс, в качестве аллотермического способа газификации, может быть разбит на стадии, так как синтез-газ не нагружен образованным диоксидом углерода. Окисленный водород и окисленный диоксид углерода снова и снова образуются в псевдоожиженном слое, так как речь идет о равновесной реакции.

Перечень ссылочных позиций

1а выполненная с возможностью обогрева пористая или перфорированная труба

1b выполненная с возможностью обогрева труба

2а пористая внутренняя труба

2b перфорированная внутренняя труба

3 теплозащитный экран

4 защитная труба для герметизации зоны входа

5 подводящая трубная проводка

6 кислород

7 горючий газ

8 сифонный газ

9а реактор с неподвижным псевдоожиженным слоем

9b реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем

9с многоступенчатый реактор с псевдоожиженным слоем

10 неподвижный псевдоожиженный слой

11 пространство над псевдоожиженным слоем (Freeboard)

12 днище сопла

13 вихревой газ

14 биомасса или кокс (остаточный кокс)

15 синтез-газ или произведенный газ

16 верхняя граница неподвижного псевдоожиженного слоя

17 верхняя пластина днища сопла

18 нижняя пластина днища сопла

19 средняя пластина днища сопла

20 сопло в днище сопла

21 возвратная заслонка над соплом

22 горелка

23 псевоожиженные ступени для кокса

24 газ для дальнейшего использования в общем технологическом процессе

25 промежуточное днище

26 газоприемник

27 циклон

28 нагревательный элемент

29 полость

30 устройство подачи кислорода

31 пористый газопроницаемый участок

32 устройство подачи горючего газа

33 кольцевое пространство

Реферат

Устройство для использовании кислорода для термохимической газификации биомассы в реакторе с псевдоожиженным слоем. В псевдоожиженном слое реактора с псевдоожиженным слоем располагается нагревательный элемент. Реактор с псевдоожиженным слоем выполнен с возможностью нагрева посредством частичного окисления горючего газа кислородом. Изобретение обеспечивает возможность чистый кислород сделать пригодным для парореформинга биомассы с низкой точкой плавления золы. 2 н. и 21 з.п. ф-лы, 13 ил.

Формула