Способ пиролиза и газификации органических веществ или смесей органических веществ и устройство для осуществления способа - RU2272064C2
Код документа: RU2272064C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к способу пиролиза и газификации органических веществ или смесей органических веществ и к устройству для осуществления этого способа.
Известны способы обработки и использования органических веществ и смесей органических веществ с помощью, например, газификации и пиролиза. Эти способы отличаются по используемому газу окисления или восстановления, по типу контакта между твердым веществом и газом. В отношении твердых носителей или газообразных носителей, среди прочего, различают газификаторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем, газификаторы с вовлеченным в поток слоем, газификаторы с вращающейся печью и газификаторы с подвижным слоем с газообразным носителем с противопотоком, с газообразным носителем с совпадающими потоками, с газообразным носителем с пересекающимися потоками. Большинство известных способов газификации не подходят для малых децентрализованных систем из-за необходимости больших капиталовложений в оборудование. Малые децентрализованные системы рекомендуется, в основном, применять, когда в качестве применяемого материала используется биомасса.
Рабочие характеристики способов газификации в соответствии с принципом циркулирующего псевдоожиженного слоя в значительной степени зависят соответственно от размера частиц, удерживаемых в псевдоожиженном слое, состоящих из применяемого материала, который должен газифицироваться, и также от циркулирующего инертного материала. Из этого вытекает соответствующее требование в отношении размера частиц применяемого материала. Чрезвычайно высокие требования накладываются на подготовку топлива в случае газификации со слоем, вовлеченным в поток, который позволяет использовать только распыленные частицы топлива.
Другие существенные недостатки известных способов газификации состоят в том, что этапы процесса обработки, состоящие из сушки, дегазации, газификации и сгорания применяемого материала, происходят в зонах, расположенных в непосредственной близости друг к другу и плавно переходящих друг в друга. В результате отдельные зоны в реакторе являются плохо определенными и дегазация, газификация и сгорание могут проходить в разных точках не полностью. В других известных способах делается попытка устранить эти недостатки с помощью разделения отдельных этапов процесса обработки топлива, таких, как этапы дегазации, газификации и сгорания.
В публикации DE 19720331 A1 предложены способ и устройство для газификации или сжигания сухой или влажной биомассы и отходов с мелкими частицами, или фрагментарной биомассы, в которой благодаря горячим стенкам печи для сжигания отходов, а также благодаря подаче горячего отходящего газа из печи для сжигания отходов в печь дегазации происходит дегазация материалов биологического сырья, благодаря которой получаются кокс и пиролизный газ, при этом кокс поступает в раскаленный слой реактора газификации после прохода через установку для дробления, в то время как пиролизный газ сгорает в камере сжигания реактора газификации при подаче ограниченного количества воздуха и получаемый отходящий газ последовательно проходит через раскаленный слой реактора газификации, в котором происходит окисление углерода до СО при одновременном восстановлении отходящего газа (СО2) и пара (H2O) с образованием горючего бедного газа (СО, Н2). Благодаря тому, что пиролиз выполняется путем нагрева при контакте с горячими отходящими газами сгорания и, кроме того, происходит частичное сгорание пиролизного газа, с помощью способа, предложенного в DE 19720331 A1, может производиться только газовый продукт с низкой теплотворной способностью. Когда используется топливо с более высоким содержанием летучих компонентов и низким выходом пиролизного кокса, существует риск недостаточного формирования раскаленного слоя в реакторе газификации, который состоит из пиролизного кокса, из-за чего окисление углерода в СО с одновременным восстановлением отходящего газа и пара до горючего бедного газа проходит недостаточно, что ухудшает теплотворную способность получаемого газообразного продукта.
Кроме того, известен способ, описанный в US 4568362 газификации органических веществ и смесей органических веществ, в котором органические вещества поступают в пиролизный реактор, в котором органические вещества входят в контакт со средой переноса тепла, с помощью чего происходит быстрый пиролиз, который преобразует органические вещества в продукты пиролиза, которые состоят из пиролизных газов с конденсируемыми веществами и твердым углеродистым остатком, и требуемая энергия нагрева для пиролиза производится путем сжигания твердого углеродистого остатка в реакторе сгорания, и во второй реакционной зоне пиролизного реактора пиролизные газы, содержащие смолу, подвергаются таким реакциям расщепления и реакциям с участием пара, что получается газ с высокой теплотворной способностью. В этих способах как пиролиз, так и сгорание твердого углеродистого остатка происходят в псевдоожиженном слое. Реакционная зона для пиролизных газов, содержащих смолу, формируется в верхней части псевдоожиженного слоя пиролиза. Работа по поддержанию псевдоожиженных слоев требует больших усилий, и реакция пиролизных газов в реакционной зоне является трудно управляемой.
В патенте DE 19755693 C1 описан способ газификации органических веществ и смесей органических веществ.
Задача изобретения состоит в создании способа пиролиза и газификации органических веществ или смесей органических веществ, а также устройства для осуществления способа, в котором генерируют газ с высокой теплотворной способностью.
Эта задача решается признаками, описанными в пунктах 1 и 11 формулы изобретения. Предпочтительные варианты воплощения и дополнительные разработки данного изобретения приводят к использованию свойств, описанных в зависимых пунктах.
В способе пиролиза и газификации органических веществ или смесей органических веществ эта цель решается в соответствии с изобретением, состоящим в том, что пиролиз выполняется в реакторе с подвижным слоем или вращающемся реакторе, в который, в случае необходимости, к пиролизным газам добавляют отверждающее вещество, например, пар и/или кислород, и их подают в реакционную зону, в которой пиролизные газы реагируют с отверждающим веществом. Твердый углеродистый остаток и, в случае необходимости, часть пиролизного газа самостоятельно поступают в реактор сгорания с псевдоожиженным слоем вместе с материалом псевдоожиженного слоя и сгорают в нем. При этом в нем происходит нагревание материала псевдоожиженного слоя. Отходящие газы сгорания и материал псевдоожиженного слоя входят в контакт в реакционной зоне так, что для реакции пиролизных газов с отверждающим веществом может использоваться его тепловое содержание. Материал псевдоожиженного слоя, отбираемый из реактора сгорания с псевдоожиженным слоем и состоящий из золы, несгоревшего кокса и, не обязательно, из дополнительно подаваемого огнеупорного материала псевдоожиженного слоя, возвращается в пиролизный реактор как среда переноса тепла, которая передает тепло в используемый материал для выполнения пиролиза, происходящего при контакте с материалом псевдоожиженного слоя и, в случае необходимости, дополнительно через горячую стенку реактора сгорания с псевдоожиженным слоем.
Горячий материал псевдоожиженного слоя, подаваемый в пиролизный реактор из псевдоожиженного слоя сгорания, вызывает быстрое высыхание и пиролиз применяемого материала при контакте с ним. Для использования в качестве реактора может использоваться шахтная печь, в которой смесь применяемого материала и материала псевдоожиженного слоя мигрирует из верхней части в нижнюю часть через шахту печи. Для обеспечения переноса твердых веществ через шахтную печь может быть установлено неподвижное оборудование, конвейерные спирали или смесители в соответствии с известным уровнем техники. Пиролизный реактор может, например, также быть сконструирован как вращающийся реактор, благодаря чему достигается хорошее перемешивание применяемого материала и горячего материала псевдоожиженного слоя и в то же самое время достигается перенос твердого вещества. Пар, который выходит из применяемого материала во время сушки, и пиролизные газы выходят из пиролизного реактора и поступают в следующую реакционную зону. Смесь остающегося твердого углеродистого пиролизного остатка и материала псевдоожиженного слоя переносится в псевдоожиженный слой сгорания с помощью обычных компонентов, таких, как винтовые конвейеры или зубчатые колеса с наклонной трубой. В устройстве в соответствии с настоящим изобретением предпочтительно использовать винтовое устройство.
Благодаря тому, что пиролиз предпочтительно выполняется в шахтной печи, подача псевдоожижающей среды, необходимая для псевдоожиженного слоя пиролиза, может быть исключена. Таким образом, существует возможность выполнять полный пиролиз без подачи газа или, в отличие от псевдоожиженного слоя пиролиза, в который необходимо подавать минимальное количество газа для образования псевдоожиженного слоя, добавляется любое требуемое небольшое количество, например, получаемого газообразного продукта или отверждающего вещества, такого, как пар, кислород или воздух. При этом существует возможность добавлять газ или отверждающее вещество в пиролизный реактор в виде технической адаптации способа для соответствующего применяемого материала. В способе в соответствии с настоящим изобретением пиролиз предпочтительно выполняется в пиролизном реакторе в отсутствии воздуха и газа. Другое преимущество проведения пиролиза на отдельном этапе процесса состоит в эффекте измельчения, который происходит во время пиролиза, что позволяет использовать материал с более крупными фрагментами, чем обычно используются в реакторах с псевдоожиженным слоем, благодаря процессам тления и дегазации. В качестве альтернативы существует возможность установки измельчающего устройства, такого, как валковая дробилка перед устройством подачи твердого углеродистого пиролизного остатка и материала псевдоожиженного слоя в псевдоожиженный слой сгорания, что может дополнительно снизить требования к размеру частиц используемого материала. Энергия, требуемая для измельчения пиролизного кокса, будет при этом существенно ниже, чем энергия, необходимая для измельчения, например, биомассы, такой, как древесина.
Углеродистый твердый пиролизный остаток самостоятельно сгорает с воздухом в псевдоожиженном слое, в результате чего образуется материал псевдоожиженного слоя, такой, как зола, и благодаря высвобождению энергии дополнительно нагревает уже существующий материал псевдоожиженного слоя. Псевдоожиженный слой сгорания может быть разработан и может работать в соответствии с известным уровнем технологии псевдоожиженного слоя. Добавки воздуха могут предпочтительно выполняться ступенчато в соответствии с эмиссией псевдоожиженного слоя сгорания. Реактор сгорания разработан как стационарный реактор с псевдоожиженным слоем, т е. количество газа псевдоожиженной среды должно быть достаточным, с одной стороны, для превышения минимальной скорости образования псевдоожиженного слоя для твердых веществ и, с другой стороны, не должно превышать скорости, необходимой для получения продукта. Исходя из высоты псевдоожиженного слоя, составляющей приблизительно от 2,5 м до 3 м, необходимо использовать стационарное оборудование для предотвращения формирования пульсирующего псевдоожиженного слоя и сопровождающих пульсаций давления. Материал псевдоожиженного слоя, нагреваемый в процессе сгорания, в конце подается в пиролизный реактор. Материал псевдоожиженного слоя состоит из золы, которая остается после сгорания твердого углеродистого остатка. Если во псевдоожиженном слое сгорания происходит неполное сгорание пиролизного кокса, материал псевдоожиженного слоя, который направляется в цепь как среда переноса тепла, состоит из золы применяемого материала и несгоревшего углеродистого пиролизного остатка. Поскольку твердые углеродистые остатки органических веществ и смесей органических веществ, как правило, быстро преобразуются в псевдоожиженный слой сгорания и частично могут иметь лишь небольшие пропорции материала, который не может газифицироваться или сгорать, необходимо дополнительно добавлять дополнительный материал для того, чтобы формировать псевдоожиженный слой. Дополнительный материал не требуется добавлять, если используемые материалы содержат большое количество материала, который не может быть газифицирован или не может сгорать, который пригоден для создания псевдоожиженного слоя. Все огнеупорные материалы, такие, как песок с диаметром зерен менее 1,5 мм, пригодны в качестве материала, который добавляют для формирования псевдоожиженного слоя. Удаление горячего материала псевдоожиженного слоя и перенос в пиролизный реактор предпочтительно выполняется с помощью одного или большего количества переливов, которые установлены в стенке реактора или выходят через стенку реактора в псевдоожиженный слой. Этот способ имеет преимущество, состоящее в том, что, кроме переноса горячего материала псевдоожиженного слоя в пиролизный реактор, может быть просто установлена высота псевдоожиженного слоя сгорания. Удаление материала псевдоожиженного слоя также может выполняться с помощью других известных конвейеров, таких, как винтовой конвейер; однако это приводит к повышению технических затрат.
Настоящее изобретение основано на основной идее структурирования способа в легко выполнимые этапы обработки. Отдельные этапы обработки и их взаимодействие могут быть, соответственно, идеально разработаны в виде технической конструкции с учетом специальных свойств применяемого материала и предполагаемого качества получаемого газообразного продукта.
Дополнительные преимущества настоящего изобретения представлены на чертежах, описанных ниже, на которых изображены примеры предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения. На чертежах показано:
фиг.1 - потоки массы и потоки энергии этапа пиролиза реакционной зоны и псевдоожиженного слоя сгорания по способу в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.2 - схематичное изображение варианта воплощения способа в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.3 - схематичное представление варианта воплощения устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Как видно на фиг.1, применяемый материал 10 и материал 35 псевдоожиженного слоя подаются как среда передачи тепла на этап 1 пиролиза. Поток тепла, переносимый с материалом 35 передачи тепла, получается от температуры псевдоожиженного слоя сгорания из-за состояния и потока массы материала 35 псевдоожиженного слоя и потока 10 применяемого материала, а также благодаря требуемой температуре пиролиза. Кроме того, подается отверждающее вещество 11 и поток 34 тепла, передаваемый из псевдоожиженного слоя 3 сгорания. Из этапа 1 пиролиза выходят пиролизный газ 13, который направляют в реакционную зону 2, пиролизный газ 15, который направляют в реактор сгорания (в псевдоожиженный слой 3 сгорания), смесь материала псевдоожиженного слоя и твердого углеродистого остатка 14 пиролиза и поток 12 потерь тепла.
Смесь материала псевдоожиженного слоя и твердого углеродистого пиролизного остатка 14 направляют в псевдоожиженный слой 3 сгорания вместе с пиролизным газом 15 и воздухом 31. Материал 35 псевдоожиженного слоя, нагреваемый при сгорании, направляется обратно в пиролизный реактор 1. Из псевдоожиженного слоя сгорания также выходит горячий отходящий газ 37. Часть тепла 36, содержащаяся в отходящем газе, передается в реакционную зону 2. Кроме того, из реактора 3 сгорания выходит поток 33 потерь тепла и материал 32 псевдоожиженного слоя, который должен удаляться для регулирования общего содержания из твердых веществ при стационарной работе.
Пиролизный газ 13, подаваемый в реакционную зону 2, преобразуется вместе с отверждающим веществом 21 в получаемый газообразный продукт 23 с помощью подаваемого тепла 36 в присутствии катализатора, из реакционной зоны 2 выходят газовый продукт 23 и поток 22 потерь тепла.
Вариант воплощения
В нижеприведенном примере описана предпочтительная конструкция способа и устройства в соответствии с настоящим изобретением. Предпочтительный способ, в соответствии с фиг.2, и предпочтительное устройство, в соответствии с фиг.3, служат для пиролиза и газификации 900 кг древесины в час. Древесина, используемая в качестве примера, по существу, состоит из 52,3 процента по весу углерода, 5,9 процента по весу водорода и 41,8 процента по весу топлива, свободного от воды и золы, и, кроме того, содержит часть золы, составляющую 0,51 процента по весу по отношению к сырому применяемому материалу. Теплотворная способность древесины составляет Нu=17,2 МДж/кг по отношению к состоянию, свободному от воды; тепловая мощность газификации, таким образом, составляет 3, 92 МВт.
В предпочтительном варианте воплощения, изображенном на фигуре 2 способа газификации древесины, древесину 10 подвергают измельчению и/или сушке на подготовительном этапе 4, в зависимости от состояния применяемого материала до того, как он поступит на этап 1 пиролиза. Древесина содержит воду в количестве 8,9 процента по весу после подготовительного этапа 4.
Пиролиз выполняют при температуре 580°С. Материал 35 псевдоожиженного слоя, вводимый в пиролизный реактор 1, имеет температуру 900°С, при этом подается 4,1-кратное количество материала псевдоожиженного слоя, т.е. 3,7 т/ч, который должен циркулировать для нагрева применяемого материала до температуры пиролиза 580°С. При пиролизе древесины окончательно остается 20,3 процента по весу (по отношению к сырому топливу) твердых пиролизных остатков, которые имеют теплотворную способность Нu=30 МДж/кг. Остающийся продукт после сушки и пиролиза выводят из пиролизного реактора 1 в виде газа 13 и подают в реакционную зону 2. Смесь твердого пиролизного остатка и материала 14 псевдоожиженного слоя подают в псевдоожиженный слой 3 сгорания и сжигают там с воздухом 31. Поток, содержащий тепло, подаваемый в псевдоожиженный слой сгорания вместе с твердым пиролизным остатком древесины, содержит 1,52 МВт. В настоящем примере избытки энергии, выносимые потоком 37 топочного газа, остаются в материале 3 псевдоожиженного слоя сгорания после удаления потерь 33 тепла, извлекаемого материала 32 псевдоожиженного слоя, материала 35 псевдоожиженного слоя и количества 36 энергии, передаваемой в реакционную зону 2. По этой причине поток перегретого пара генерируется из потока 70 воды, подаваемого на обработку 7, при учете эффективности сгорания в элементе 8 передачи тепла. Если поток 21 пара, который поступает в реакционную зону 2, отбирать из потока перегретого пара, генерируемого на этапе 8, остается поток 71 перегретого пара с мощностью 0,45 МВт, напряжение которого снимают через турбину 9.
При подаче отверждающего вещества в виде пара 21 пиролизные газы 13 подают в реакционную зону 2, состоящую из элемента передачи тепла, который снабжен катализатором для улучшения расщепления смолы. Энергия, необходимая для реакции пиролизного газа 13 с паром 21, выделяется в элемент 2 передачи тепла через поток 36 горячего топочного газа из псевдоожиженного слоя 3 сгорания, при этом происходит реакция при температуре от 850 до 900°С в зависимости от управления работой псевдоожиженного слоя 3 сгорания. Воздух или кислород также может быть подмешан к отверждающему веществу в виде пара 21 для дополнительного повышения температуры путем частичного сгорания пиролизного газа. Получаемый газообразный продукт 23 имеет теплотворную способность 9,87 МДж/м3 (VN) и состоит из следующих компонентов газа: 48,7 об.% Н2; 36,1 об.% СО2; 0,1 об.% СН4; 6,1 об.% CO2; 9 об.% H2O. Получаемый газообразный продукт 23, по существу, не содержит пыли и погашен на подготовительном этапе 5. Эффективность холодного газа, т.е. химическая энергия применяемого материала по отношению к содержанию химической энергии получаемого газообразного продукта, составляет 80,8%.
На фиг.3 изображен предпочтительный вариант воплощения устройства, в соответствии с настоящим изобретением, для пиролиза и дегазации в виде эскиза примера. Древесину 10 добавляют в пиролизный реактор 1 через газонепроницаемое устройство подачи, в данном примере изображено как зубчатое колесо. Сушка и пиролиз применяемого материала происходят в контакте с горячим материалом 35 псевдоожиженного слоя, подаваемого через переток псевдоожиженного слоя 3 сгорания. Получаемый пиролизный газ 13 поступает в реакционную зону 2 при добавлении пара 21, причем конструкция указанной реакционной зоны представлена здесь для примера в виде трубчатого элемента теплопередачи. После преобразования пиролизного газа 13 с паром 21 получаемый газообразный продукт 23 охлаждают и очищают на подготовительном этапе 5. Для предотвращения нежелательного обмена газами между пиролизным реактором 1 и псевдоожиженным слоем 3 сгорания вентилятор линии 50 получаемого газообразного продукта и вентилятор линии 60 топочного газа должны соответствовать друг другу. Вследствие того, что перелив из псевдоожиженного слоя 3 сгорания в пиролизный реактор 1 сконструирован таким образом, что он постоянно наполнен материалом 35 псевдоожиженного слоя, в комбинации с указанными вентиляторами обмен газом между обоими реакторами предотвращается с помощью простого средства. Для переноса смеси твердых остатков пиролиза и циркулирующего материала 14 псевдоожиженного слоя в псевдоожиженный слой 3 сгорания установлен винтовой элемент. Винтовой элемент должен иметь такую конструкцию, чтобы потеря давления через проходы винта, заполненные материалом, была больше, чем через псевдоожиженный слой 3 так, чтобы поток воздуха 31, подаваемый в псевдоожиженный слой 3 сгорания, не проходил по обходному каналу через пиролизный реактор 1. Поток 71 пара 1, давление которого снимают, например, с помощью турбины 9, производится из потока воды с использованием тепла потока 37 топочного газа через элемент 8 передачи тепла. Часть потока 71 пара может использоваться как пар 21 реакционной зоны 2. Отходящий газ 60 подают на очистку 6 топочного газа.
Список номеров ссылок:
1 пиролизный реактор
10 применяемый материал
11 отверждающее вещество
12 потеря тепла
13 пиролизный газ
14 смесь твердого пиролизного остатка и материала псевдоожиженного слоя
15 пиролизный газ
2 реакционная зона
21 отверждающее вещество
22 потеря тепла
23 получаемый газообразный продукт
3 сгорание
31 воздух
32 материал псевдоожиженного слоя
33 потеря тепла
34 поток тепла
35 материал псевдоожиженного слоя
36 поток тепла
37 отходящий газ сгорания
4 этап предварительной обработки
5 очистка газа
50 очищенный газообразный продукт
6 очистка топочного газа
60 отходящий газ
7 обработка воды
70 вода
71 пар
8 элемент передачи тепла
9 турбина
Реферат
Изобретение относится к способу пиролиза и газификации твердых органических веществ или смесей органических веществ. Способ включает ввод сырья в один или несколько реакторов сушки и пиролиза, состоящих из одного или нескольких реакторов с подвижным слоем, или из одного или нескольких вращающихся реакторов, или из одного или нескольких вращающихся реакторов и реакторов с подвижным слоем, для контакта с материалом псевдоожиженного слоя сгорания, содержащего только золу органических веществ, или золу органических веществ и несгоревших углеродистых остатков органических веществ, или золу органических веществ и дополнительный материал псевдоожиженного слоя, или золу органических веществ и несгоревших углеродистых остатков органических веществ и дополнительный материал псевдоожиженного слоя, или для контакта с материалом псевдоожиженного слоя и реакторной стенкой псевдоожиженного слоя сгорания. В результате чего образуется водяной пар и продукты пиролиза, состоящие из газов с конденсируемыми веществами и твердых углеродистых остатков. Подача твердых углеродистых остатков или твердых углеродистых остатков и части водяного пара и пиролизного газа с конденсируемыми веществами и материалом псевдоожиженного слоя осуществляется обратно в псевдоожиженный слой сгорания, в котором углеродистый остаток органических веществ сгорает. Материал псевдоожиженного слоя нагревается и вновь направляется в пиролизный реактор, в котором сгорают остатки пиролиза, работающие как стационарный псевдоожиженный слой. Причем водяной пар после сушки и пиролизные газы с конденсируемыми веществами обрабатывают в дополнительной реакционной зоне косвенного теплообменника с добавлением пара, кислорода, воздуха или их смеси в пиролизный газ или в теплообменник для того, чтобы получить газообразный продукт с высокой теплотворной способностью. Изобретение описывает также устройство для осуществления способа, содержащее пиролизный реактор, псевдоожиженный слой сгорания для пиролизного остатка, реакционную зону для пиролизных газов. Полученный согласно изобретению газ обладает высокой теплотворной способностью. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
