ТЕХНОЛОГИЯ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА ИЗ БИОМАССЫ ПУТЕМ ПИРОЛИЗА Российский патент 2014 года по МПК C10J3/66 C10B53/02 C10B57/10 C10B49/22 C01B3/36 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к получению синтез-газа и, в частности, к способу и установке для получения синтез-газа из биомассы путем пиролиза. Способ принадлежит к технической области получения синтез-газа или горючего газа путем использования биомассы. Синтез-газ является газовой смесью, которая содержит CO, H₂ и ряд углеводородов, содержащих углерод, водород и кислород. Синтез-газ, получаемый способом в соответствии с настоящим изобретением, может быть использован для газотурбинных электрогенераторных установок, топливных элементов, синтетических масел, металлургических и других установок.

Уровень техники изобретения

Поскольку сокращение традиционных запасов ископаемого топлива (угля, нефти и природного газа) и проблемы загрязнения окружающей среды, вызванные использованием горючих полезных ископаемых, непосредственно угрожают выживанию человечества и развитию, придание важности развитию возобновляемых и экологических безопасных источников энергии вызвало общее одобрение правительств всех стран. Биомасса - органическое вещество, произведенное растениями при фотосинтезе, имеет разнообразные источники и доступна в больших количествах. Она может быть превращена в очищенный газ или жидкое топливо для производства электроэнергии и получения промышленного сырья и химических продуктов. Как энергия, она является чистой и возобновляемой, с нулевой эмиссией углекислого газа и с потенциалом полностью заменить ископаемое топливо новым энергетическим ресурсом, который стал приоритетом для всех стран.

Существует много способов превращения биомассы в очищенный газ или жидкое топливо, среди которых технология газификации биомассы может быть приспособлена к целому ряду видов и имеет хорошие возможности расширения. Газификация биомассы является термохимическим процессом, т.е. биомасса вступает в реакцию с газифицирующим агентом (таким как воздух, кислород, пар, углекислый газ и т.д.) при высокой температуре для получения газовой смеси, состоящей из углеводородов, содержащей углерод, водород и кислород. Эта газовая смесь называется синтез-газом. Компоненты синтез-газа определяются видами используемой биомассы, типом газифицирующего агента, условиями реакции и конструкцией используемого в ней газификатора. Целями газификации является, с одной стороны, свести к минимуму расход материалов и газифицирующего агента, а также содержание смолы в синтез-газе, а с другой стороны, - увеличить до предела результативность газификации и эффективность конверсии углерода, а также содержание активного компонента (CO и H₂) в синтез-газе. Цели определяются типом используемого газификатора, типом газифицирующего агента, размером частиц биомассы, давлением и температурой газификации, влажностью и зольностью биомассы и т.д.

Печи газификации, используемые в процессе газификации, могут быть разделены на три класса: с неподвижным слоем, с кипящим слоем и со взвешенным слоем (поточные). Газификатор с неподвижным слоем имеет простую газификационную конструкцию, удобное управление, гибкий режим работы, более высокую степень конверсии углерода, широкий диапазон рабочей загрузки, который может быть между 20 и 110%, и твердое топливо остается на слое на длительный период времени. Однако температура является неодинаковой, и он имеет меньшую эффективность теплообмена, низкую теплоту сгорания синтез-газа на выходе, и синтез-газ содержит большое количество смолы. Газификатор с кипящим слоем удобен для добавления материала и высвобождения золы, и температура является одинаковой и легко регулируемой. Однако он чувствителен к характеристикам сырья. Если адгезия, термическая стабильность, влажность или температура плавления золы сырья меняются, технологический процесс отклоняется от нормы. Более того, чтобы обеспечить эффективное псевдоожижение в газификационной печи, нужно сохранять более низкую температуру, и синтез-газ имеет большое количество смолы. Так как большое количество смолы образуется в газификаторах с неподвижным слоем и с кипящим слоем, должна быть установлена крекинг-установка для смолы и очистное оборудование, что приводит к усложнению технологии. Поточный газификатор имеет высокую и одинаковую рабочую температуру, хорошие параметры расширения и особенно подходит для крупномасштабного промышленного производства. Смола разлагается полностью. Однако поточные газификаторы имеют жесткие требования по размеру частиц сырья. На основе современной технологии измельчения невозможно измельчить биомассу с высоким содержанием целлюлозы до размеров, подходящих для поточного газификатора. Таким образом, поточные газификаторы не могут использоваться для газификации биомассы. В настоящее время крекинг смолы и предварительная обработка биомассы до газификации являются трудноразрешимыми проблемами для развития газификации биомассы.

Китайская патентная заявка № 200510043836.0 раскрывает способ и устройство для газификации биомассы с низким содержанием смолы. Способ включает пиролиз и газификацию независимо друг от друга, и биомасса трансформируется в синтез-газ с низким содержанием смолы. В этом способе пиролизный газ и древесный уголь подвергаются неполному сгоранию в газификаторе при температуре около 1000°C, и смола разлагается при высокой температуре. Хотя содержание смолы значительно уменьшается, расходуется много древесного угля, что приводит к низкому содержанию CO, получаемому в последующей реакции восстановления, и высокому содержанию CO₂ в синтез-газе. Во-вторых, из-за низкой температуры реакции сжигания, температура последующего восстановления становится ниже, и средняя температура в зоне восстановления составляет менее 700°C, и, таким образом, выход эффективного синтез-газа (CO и H₂) значительно сокращается (около 30%). В-третьих, зола и не прореагировавший в реакции восстановления углеродистый остаток сразу удаляются, обусловливая низкую степень конверсии углерода. Наконец, газификатор, используемый в этом способе, представляет собой газификатор с неподвижным слоем; так как реакция восстановления поглощает тепло, разница температур между верхней и нижней частями слоя является огромной (температура в верхней части около 1000°C, а в нижней части около 500°C), что является характерным недостатком газификатора с неподвижным слоем.

Патент США № 6863878 B2 раскрывает способ и устройство получения синтез-газа с углеродсодержащими материалами. Способ включает карбонизацию (или пиролиз) и газификацию независимо друг от друга. В этом способе температура карбонизации задается менее 232°C для того, чтобы снизить содержание смолы, образовавшейся в результате пиролиза. Однако на стадии карбонизации твердые продукты не измельчаются перед транспортировкой к реакционным змеевикам газификатора, что будет влиять на скорость и степень реакции газификации. Во-вторых, так как реакция газификации происходит в реакционном змеевике, необходимо большое количество транспортирующего газа, но транспортирующий газ унесет большое количество тепла во время транспортировки, и, таким образом, эффективность газификации оказывается низкой, температура неодинакова, и последующее устройство регенерации отходящего тепла является массивным. В-третьих, экономически невыгодно использовать вновь полученный синтез-газ для обеспечения тепла для газификации и карбонизации. В-четвертых, продукты сгорания (в основном, CO₂ и H₂O) сразу удаляются и не используются полностью, что приводит к низкой эффективности газификации. Наконец, зола и непрореагировавший углеродистый остаток синтез-газа также сразу удаляются, обусловливая низкую степень конверсии углерода.

Китайская патентная заявка № 200810236639.4 раскрывает способ получения синтез-газа из биомассы путем высокотемпературной газификации. Способ также предполагает сочетание карбонизации и высокотемпературной газификации. Однако этот способ имеет следующие проблемы: во-первых, тепло в печь для карбонизации поступает за счет прямого сжигания внешнего горючего газа и кислорода; вводимый высококачественный внешний топливный газ чрезвычайно увеличивает энергопотребление установки; во-вторых, предлагаемое устройство подачи порошка пиролизным газом является сложным; когда высокотемпературный пиролизный газ смешивается с низкотемпературным угольным порошком и подается в газификационную печь, смесь может легко сконденсироваться с образованием смолы, вызывая закупоривание и влияя на нормальное функционирование; наконец, древесный уголь высокого давления, получаемый в печи для карбонизации, подается после понижения давления и охлаждения в измельчитель нормального давления для превращения в порошок, и затем угольный порошок нагнетается и подается с помощью пиролизного газа в газификационную печь. Весь процесс является сложным и отличается высоким энергопотреблением, так что техническая осуществимость проекта плохая.

Согласно вышеупомянутым способам обычная газификация, как биомассы, так и твердых углеродсодержащих материалов, не может производить синтез-газ с высокой эффективностью и низкой стоимостью. Хотя технология независимого пиролиза и газификации может применяться к разным типам биомассы и уменьшать содержания смолы в синтез-газе, такие недостатки, как неодинаковая температура, большие капиталовложения в оборудование для регенерации отходящего тепла, высокий расход материалов, низкая эффективность газификации и низкая степень конверсии углерода, ограничивают применение газификации биомассы в промышленности. В частности, не существует эффективного способа газификации биомассы применительно к поточной газификации.

Сущность изобретения

Учитывая вышеописанные проблемы, целью настоящего изобретения является предусмотреть способ и установку для получения синтез-газа из биомассы путем пиролиза, имеющие высокую эффективность и низкую стоимость.

Техническая схема изобретения описана ниже.

Способ получения синтез-газа из биомассы путем пиролиза включает нижеследующие стадии:

1) предварительная обработка сырья биомассы: измельчение сырья биомассы до получения частиц размером 1-6 мм и высушивание сырья до влажности в 10-20 вес.%,

2) пиролиз сырья биомассы, использующий технологию быстрого пиролиза биомассы, и продукт слоя пиролиза, являющийся пиролизным газом и угольным порошком;

3) отделение пиролизного газа от угольного порошка и твердого теплоносителя с помощью циклонного сепаратора;

4) разделение угольного порошка и твердого теплоносителя при помощи сепаратора для разделения твердых фаз, загрузка угольного порошка в бункер угольного порошка для накопления, нагревание твердого теплоносителя в камере нагревания кипящего слоя и подача твердого теплоносителя к слою пиролиза для повторного использования; подача тепла отходящих дымовых газов, образованных в камере нагревания кипящего слоя, для сушки сырья биомассы на стадии 1);

5) подача образовавшегося пиролизного газа к конденсатосборнику для конденсации аэрозоля, конденсация конденсируемой части пиролизного газа для образования бионефти, нагнетание образовавшейся бионефти при помощи нефтяного насоса высокого давления и затем подача к газификационной печи на газификацию; и

6) подача одной части неконденсируемого пиролизного газа на слой сжигания для сжигания с воздухом, подача другой части неконденсируемого пиролизного газа на слой сжигания в качестве псевдоожижающей среды; регулирование соотношения неконденсируемого пиролизного газа к воздуху и температуры камеры нагревания кипящего слоя в стадии 6), чтобы гарантировать, что температура слоя пиролиза составляет 400-600°C, и время пребывания газовой фазы на слое пиролиза составляет 0,5-5 с.

Для конденсации аэрозоля принят способ наружной циркуляции, бионефть на дне конденсатосборника нагнетается и выкачивается нефтяным насосом, и бионефть возвращается к конденсатосборнику для конденсации аэрозоля после охлаждения в наружном теплообменнике для бионефти; конденсируемый пиролизный газ конденсируется с образованием бионефти, одна часть бионефти подается в бак для бионефти, а другая часть нагнетается циркуляционным нефтяным насосом и охлаждается в теплообменнике для бионефти, для кругового орошения пиролизного газа.

Установка газификации для получения синтез-газа путем пиролиза биомассы включает узел предварительной обработки материала биомассы, узел пиролиза, узел конденсации и узел газификации. Узел пиролиза включает слой пиролиза и слой сжигания; конденсатосборник узла конденсации соединен с компрессором неконденсируемого пиролизного газа при помощи трубопровода; выходное отверстие компрессора неконденсируемого пиролизного газа соответственно соединено со слоем пиролиза и со слоем сжигания; неконденсируемый пиролизный газ используется в качестве топлива слоя сжигания и псевдоожижающей среды слоя пиролиза.

В узле конденсации применяется конденсация аэрозоля в наружной циркуляции. Нижняя часть конденсатосборника соединена с циркуляционным нефтяным насосом посредством трубопровода, и циркуляционный нефтяной насос соединен с наружным теплообменником для бионефти; одна часть бионефти нагнетается циркуляционным нефтяным насосом и охлаждается теплообменником бионефти для кругового орошения пиролизного газа, а нижняя часть конденсатосборника соединена с баком для бионефти.

Слой пиролиза соединен с циклонным сепаратором и сепаратором для разделения твердых фаз. Сепаратор для разделения твердых фаз соединен с бункером угольного порошка и камерой нагревания кипящего слоя. Нижняя часть камеры нагревания кипящего слоя снабжена трубопроводом, соединенным со слоем пиролиза, чтобы подавать нагретый твердый носитель к слою пиролиза для повторного использования.

Верхняя часть камеры нагревания кипящего слоя соединена с устройством сушки узла предварительной обработки материала биомассы посредством трубопровода для отходящего тепла и дымовых газов, и верхняя часть слоя сжигания соединена с трубопроводом воздухозаборника.

Трубопровод, соединяющий выходное отверстие бака для бионефти и газификационную печь, оснащен нефтяным насосом высокого давления, и бионефть нагнетается и подается к газификационной печи на газификацию.

Преимущества изобретения резюмируются ниже.

Во-первых, изобретение использует технологию быстрого пиролиза. По сравнению со способом газификации, раскрытым в китайской патентной заявке № 200810236639.4, изобретение дает возможность непосредственно трансформировать биомассу в бионефть, что повышает удельную энергоемкость биомассы и делает транспортировку и хранение удобными; с другой стороны, высокий энергетический выход (60-80%) может быть достигнут при температуре 400-600°C, что снижает энергопотребление и также может повысить степень конверсии углерода всей установки.

Во-вторых, в изобретении также принята технология нагревания циркулирующего твердого теплоносителя как источника тепла слоя пиролиза посредством использования тепла, полученного сжиганием самообразующегося неконденсируемого пиролизного газа. Технология нагревания слоя пиролиза по настоящему изобретению имеет следующие три особенности: 1) тепло, необходимое в технологии пиролиза, обеспечивается внутренним узлом установки, чтобы достичь термического равновесия установки и не привносить существенно внешнюю энергию; 2) тепло для нагревания циркулирующего твердого теплоносителя обеспечивается за счет непосредственного сжигания неконденсируемого пиролизного газа и воздуха. Другими словами, используется химическая энергия пиролизного газа, а с другой стороны, используется воздух вместо чистого кислорода, что чрезвычайно снижает стоимость всей установки и повышает гибкость использования слоя пиролиза; 3) нагретый циркулирующий твердый теплоноситель непосредственно подается к слою пиролиза для контакта с сырьем, что не только увеличивает теплопроизводительность слоя пиролиза, но также повышает выход нефти в реакции быстрого пиролиза.

В-третьих, изобретение использует тепло отходящих дымовых газов, образующихся при сжигании неконденсируемого пиролизного газа, для сушки сырья, что повышает энергоэффективность всей установки.

В-четвертых, изобретение не использует технологию предварительной обработки сырья на входе газификационной печи. Сырье непосредственно подается к газификационной печи после нагнетания нефтяным насосом высокого давления. Эта технология является простой и эффективной. По сравнению со способом газификации, раскрытым в китайской патентной заявке № 200810236639.4, относительно подачи ко входу патентуемый способ избегает технической проблемы, касающейся пневматической подачи порошка и закупоривания смолой при подаче сухого угольного порошка, а также значительно снижает энергопотребление входящего сырья и повышает стабильность, надежность и техническую осуществимость установки.

В-пятых, изобретение использует наружно-круговую конденсацию аэрозоля. Теплообменник бионефти размещается снаружи конденсатосборника, что удобно для очистки и технического обслуживания, а также позволяет избежать остановки на текущий ремонт.

В-шестых, изобретение использует технологию нагнетания и транспортировки нефтяным насосом. По сравнению со способом газификации, раскрытым в китайской патентной заявке № 200810236639.4, патентуемый способ избегает технической проблемы, касающейся пневматической подачи порошка и закупоривания смолой при подаче сухого угольного порошка, а также повышает стабильность, надежность и техническую осуществимость установки.

В-седьмых, с технологией быстрого пиролиза образующаяся бионефть почти не содержит угольного шлака, что избавляет от проблемы высокой температуры плавления золы в технологии получения синтез-газа из биомассы. Последующее устройство удаления шлака для газификационной печи также не является необходимым, что предотвращает щелочнометалльную коррозию и накопление золы, а также повышает стабильность, надежность и техническую осуществимость установки.

Вкратце, изобретение стремится реализовать простоту, эффективность, энергосбережение, экономичность и высокую техническую осуществимость проекта. Одновременно изобретение повышает эффективность газификации, уменьшает количество эффективного синтез-газа и повышает интенсивность преобразования энергии установки.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 является принципиальной схемой способа и установки для получения синтез-газа из биомассы путем пиролиза в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание вариантов осуществления

Предпочтительные примеры, способ и конструктивная схема установки согласно изобретению описаны с прилагаемым чертежом.

Как показано на фиг.1, газификационная установка для получения синтез-газа из биомассы включает узел предварительной обработки материала биомассы, узел пиролиза, узел конденсации и узел газификации. А именно газификационная установка включает: сырье биомассы 1, устройство измельчения 2, устройство сушки 3, бункер биомассы 4, слой пиролиза 5, циклонный сепаратор 6, сепаратор для разделения твердых фаз 7, бункер угольного порошка 8, слой сжигания 9-1, камеру нагревания кипящего слоя 9-2, трубопровод воздухозаборника 10, ведущий к слою сжигания, трубопровод отходящего тепла и дымовых газов 11, выходное отверстие тепла отходящих дымовых газов устройства сушки 11a, конденсатосборник 12, циркуляционный нефтяной насос 13, теплообменник бионефти 14, компрессор неконденсируемого пиролизного газа 15, бак для бионефти 16, нефтяной насос высокого давления 17, форсунку газификационной печи 18, кислородный трубопровод 19, ведущий к форсунке газификационной печи, газификационную печь 20, водоохлаждающую стенку газификационной печи 21, трубопровод синтез-газа 22, трубопровод угольного шлака 23, трубопровод обессоленной и обескислороженной воды 24, трубопровод насыщенного водяного пара 25, трубопровод внешнего топлива N1, воздушный трубопровод N2, ведущий к слою сжигания, и выпускной трубопровод N3.

Узел пиролиза включает слой пиролиза 5, слой сжигания 9-1 и камеру нагревания кипящего слоя 9-2. Слой пиролиза 5 соединен с циклонным сепаратором 6 и с сепаратором для разделения твердых фаз 7. Сепаратор для разделения твердых фаз 7 соединен с бункером угольного порошка 8 и камерой нагревания кипящего слоя 9-2. Нижняя часть камеры нагревания кипящего слоя 9-2 снабжена трубопроводом, соединенным со слоем пиролиза 5, чтобы подавать нагретый твердый носитель к слою пиролиза 5 для повторного использования.

Верхняя часть камеры нагревания кипящего слоя 9-2 соединена с устройством сушки 3 узла предварительной обработки материала биомассы посредством трубопровода для отходящего тепла и дымовых газов 11. Верхняя часть слоя сжигания 9-1 соединена с трубопроводом воздухозаборника 10.

Конденсатосборник 12 узла конденсирования соединен с компрессором неконденсируемого пиролизного газа 15 посредством трубопровода. Выходное отверстие компрессора неконденсируемого пиролизного газа 15 соединено соответственно со слоем пиролиза 5 и слоем сжигания 9-1. Неконденсируемый пиролизный газ используется в качестве топлива слоя сжигания 9-1 и как псевдоожижающая среда слоя пиролиза 5.

Для конденсации аэрозоля принят способ наружной циркуляции. Нижняя часть конденсатосборника 12 соединена с циркуляционным нефтяным насосом 13 посредством трубопровода. Циркуляционный нефтяной насос 13 соединен с внешним теплообменником бионефти 14. Одна часть бионефти нагнетается циркуляционным нефтяным насосом 13 и охлаждается в теплообменнике бионефти 14 для кругового орошения пиролизного газа. Нижняя часть конденсатосборника 12 соединена с баком для бионефти 16.

Трубопровод, соединяющий выходное отверстие бака для бионефти 16 и газификационную печь 20, оснащен нефтяным насосом высокого давления 17. Бионефть нагнетается и подается к газификационной печи 20 для газификации.

Способ получения синтез-газа из биомассы путем пиролиза включает нижеследующие стадии:

1) предварительная обработка сырья биомассы: измельчение сырья биомассы до получения частиц размером 1-6 мм и высушивание сырья до влажности в 10-20 вес.%;

2) пиролиз сырья биомасы, использующий технологию быстрого пиролиза биомассы, гарантирующую, что температура слоя пиролиза составляет 400-600°C путем регулирования отношения неконденсируемого пиролизного газа к воздуху и регулирования температуры камеры нагревания кипящего слоя, время пребывания газовой фазы на слое пиролиза составляет 0,5-5 с, а продуктом слоя пиролиза является пиролизный газ и угольный порошок;

3) отделение пиролизного газа от угольного порошка и твердого теплоносителя при помощи циклонного сепаратора;

4) разделение угольного порошка и твердого теплоносителя при помощи сепаратора для разделения твердых фаз, загрузка угольного порошка в бункер угольного порошка для накопления, нагревание твердого теплоносителя в камере нагревания кипящего слоя и далее подача твердого теплоносителя к слою пиролиза для повторного использования;

5) подача образованного пиролизного газа к конденсатосборнику для конденсации аэрозоля, конденсация конденсируемой части пиролизного газа для образования бионефти, нагнетание образовавшейся бионефти при помощи нефтяного насоса высокого давления и далее подача к газификационной печи на газификацию; и

6) подача одной части неконденсируемого пиролизного газа на слой сжигания для сжигания с воздухом, подача другой части неконденсируемого пиролизного газа на слой пиролиза в качестве псевдоожижающей среды.

Для конденсации аэрозоля принят способ наружной циркуляции. Бионефть на дне конденсатосборника нагнетается и выкачивается нефтяным насосом, и бионефть возвращается к конденсатосборнику для конденсации аэрозоля после охлаждения в наружном теплообменнике для бионефти. Одна часть конденсируемого пиролизного газа конденсируется с образованием бионефти. Одна часть бионефти загружается в бак для бионефти, а другая часть нагнетается циркуляционным нефтяным насосом и охлаждается теплообменником бионефти для кругового орошения пиролизного газа.

Тепло отходящих дымовых газов, образующееся в камере нагревания кипящего слоя на стадии 4), используется для сушки сырья биомассы на стадии 1) предварительной обработки сырья биомассы.

Способ работы:

1. Способ запуска установки:

1) открыть регулирующий клапан V3 на выпускном трубопроводе N3, оставляя закрытыми регулирующий клапан V2, ведущий к конденсатосборнику 12, и регулирующий клапан V9 на трубопроводе между конденсатосборником 12 и компрессором неконденсируемого пиролизного газа 15;

2) открыть регулирующий клапан V1 на трубопроводе внешнего топлива N1 и регулирующий клапан V7 на воздушном трубопроводе N2, ведущие к слою сжигания, оставляя закрытым регулирующий клапан V8 на трубопроводе между компрессором неконденсируемого пиролизного газа 15 и слоем пиролиза 5, чтобы подвести тепло дымовых газов, образующихся при сжигании топлива и воздуха на слое сжигания 9-1, к камере нагревания кипящего слоя 9-2 для нагревания твердого теплоносителя;

3) открыть регулирующий клапан V5 на трубопроводе для тепла отходящих дымовых газов между камерой нагревания кипящего слоя 9-2 и слоем пиролиза 5 и регулирующий клапан V6 на трубопроводе между бункером биомассы 4 и слоем пиролиза 5 для частичной подачи тепла отходящих дымовых газов в устройство сушки 3 для сушки сырья биомассы, частичная подача тепла отходящих дымовых газов на слой пиролиза 5 в качестве псевдоожижающей среды, отделение твердой фазы от смешанного пиролизного газа, образованного в реакции на слое пиролиза 5, при помощи циклонного сепаратора 6 и далее удаление из установки через трубопровод N3; и

4) открыть регулирующий клапан V2 после выполнения этапов 1), 2) и 3) на 10-20 минут, охлаждая пиролизный газ распылением в конденсатосборнике 12, накапливающем бионефть; после 15-30 мин работы открыть регулирующий клапан V9, закрывая регулирующие клапаны V1, V5 и V7, открывая регулирующие клапаны V4 и V8 одновременно; в этих условиях установка начинает нормально работать.

2. Нормальный режим работы установки:

Сырье биомассы подается в устройство сушки 3 через устройство измельчения 2. Сырье биомассы высушивается и обезвоживается теплом топочных газов в установке и далее подается к бункеру биомассы 4 для хранения. Оно также может быть подано к слою пиролиза 5 при помощи загрузочного устройства.

Продукт слоя пиролиза 5 включает пиролизный газ и угольный порошок, содержащие CO, H₂, CO₂, H₂O, CH₄ и смолу. Неочищенный пиролизный газ сепарируется циклонным сепаратором 6, и далее твердый теплоноситель и частицы угольного порошка неочищенного пиролизного газа сбрасываются в сепаратор для разделения твердых фаз 7 через отверстие для сброса золы.

Первоначально сепарированный пиролизный газ подается к конденсатосборнику 12 для кругового орошения бионефтью. Неконденсируемый пиролизный газ сжимается компрессором неконденсируемого пиролизного газа 15 и затем подается соответственно к слою сжигания 9-1 и к слою пиролиза 5. Конденсируемый пиролизный газ конденсируется для образования бионефти. Часть образованной бионефти может быть использована для кругового орошения. Остальное формируется в бионефть и подается к баку для бионефти 16.

После того как твердый теплоноситель и угольный порошок разделены в сепараторе для разделения твердых фаз 7, твердый теплоноситель сбрасывается в камеру нагревания кипящего слоя 9-2, а угольный порошок подается в бункер для угольного порошка 8.

В слое сжигания 9-1 неконденсируемый пиролизный газ для сжигания подвергается реакции сжигания с воздухом из трубопровода 10. Тепло дымовых газов, образованных при сжигании, подается к камере нагревания кипящего слоя 9-2, чтобы нагреть циркулирующий твердый теплоноситель. Температура слоя пиролиза 5 задается как 400-600°C путем регулировки отношения неконденсируемого пиролизного газа, образованного при сжигании, к воздуху. Время пребывания газовой фазы на слое пиролиза 5 задается так, чтобы составлять 0,5-5 с. Тепло отходящих дымовых газов, проходящих через камеру нагревания кипящего слоя 9-2, подается к устройству сушки 3 для высушивания.

Давление бионефти в баке для бионефти 16 сперва поднимается, чтобы стать равным рабочему давлению газификационной печи 20 при помощи нефтяного насоса высокого давления 17, и далее бионефть подается к форсунке газификационной печи 18. Кислород в трубопроводе 19 также подается к форсунке газификационной печи 18 для создания высокотемпературной реакции газификации в газификационной печи 20. Температура синтез-газа 22 на выходе из газификационной печи задается в пределах 1200-1600°C путем регулировки количества кислорода и количеством поглощаемого тепла от водоохлаждающей стенки 21 газификационной печи, наполненной обессоленной и обескислороженной водой. Продукт газификации в основном относится к CO и H₂, а также содержит немного CO₂ и H₂O и следовые количества CH₄. Обессоленная и обескислороженная вода охлаждается водоохлаждающей стенкой 21 газификационной печи для создания среднего давления насыщенного водяного пара, который подается к последующему устройству через трубопровод 25. Угольный шлак, образованный при газификации, удаляется через трубопровод 23.

Пример 1

Используется древесина в качестве сырья биомассы. Элементный состав и технические данные сухой древесины приведены в таблице 1.

Таблица 1
Элементный состав и технические данные сухой древесины Наименование Символ Единица измерения Значение Углерод C_ar % (кг/кг) 39,43 Водород H_ar % (кг/кг) 5,21 Кислород O_ar % (кг/кг) 38,36 Азот N_ar % (кг/кг) 0,15 Сера S_ar % (кг/кг) 0,21 Хлор Cl_ar % (кг/кг) 0,00 Зола A_ar % (кг/кг) 5,00 Влажность M_ar % (кг/кг) 11,64 Точка плавления золы FT °C 1436 Низшая теплота сгорания LHV МДж/кг 14,75

Основные рабочие условия установлены, как изложено ниже:

1) диаметр зерен материала на выходе устройства измельчения 2 составляет 6 мм;

2) влажность материала на выходе из устройства сушки 3 составляет 15 вес.%;

3) давление на слое пиролиза 5 является нормальным давлением, и температура регулируется на уровне 400°C;

4) время пребывания газовой фазы на слое пиролиза 5 составляет 5 с; и

5) давление в газификационной печи 20 регулируется на уровне 4,0 МПа (A), а температура регулируется на уровне 1400°C.

В соответствии с вышеустановленными условиями основные данные и рабочие характеристики установки в процессе реализации изобретения подробно объяснены с прилагаемым чертежом:

1) количество биотоплива, извлеченного из сырья биомассы, подаваемого на слой пиролиза 5, составляет 55%;

2) содержание CO и H₂ на выходе синтез-газа из трубопровода 22 составляет в пересчете на сухой вес 76%; и

3) степень конверсии углерода установки составляет 99,9% и фактическое потребление кислорода синтез-газа составляет 0,33 моль/моль.

Пример 2

Используется древесина примера 1 в качестве сырья биомассы (таблица 1).

Основные рабочие условия установлены, как изложено ниже:

1) диаметр зерен материала на выходе устройства измельчения 2 составляет 5 мм;

2) влажность материала на выходе из устройства сушки 3 составляет 20 вес.%;

3) давление на слое пиролиза 5 является нормальным давлением, и температура регулируется на уровне 500°C;

4) время пребывания газовой фазы на слое пиролиза 5 составляет 3 с; и

5) давление в газификационной печи 20 регулируется на уровне 4,0 МПа (A), а температура регулируется на уровне 1400°C.

В соответствии с вышеустановленными условиями основные данные и рабочие характеристики установки в процессе реализации изобретения подробно объяснены с прилагаемым чертежом:

1) количество биотоплива, извлеченного из сырья биомассы, подаваемого на слой пиролиза 5, составляет 60%;

2) содержание CO и H₂ на выходе синтез-газа из трубопровода 22 составляет в пересчете на сухой вес 80%; и

3) степень конверсии углерода установки составляет 99,9% и фактическое потребление кислорода синтез-газа составляет 0,31 моль/моль.

Пример 3

Используется древесина примера 1 в качестве сырья биомассы (таблица 1).

Основные рабочие условия установлены, как изложено ниже:

1) диаметр зерен материала на выходе устройства измельчения 2 составляет 4 мм;

2) влажность материала на выходе из устройства сушки 3 составляет 10 вес.%;

3) давление на слое пиролиза 5 является нормальным давлением, и температура регулируется на уровне 600°C;

4) время пребывания газовой фазы на слое пиролиза 5 составляет 2 с; и

5) давление в газификационной печи 20 регулируется на уровне 4,0 МПа (A), и температура регулируется на уровне 1400°C.

В соответствии с вышеустановленными условиями основные данные и рабочие характеристики установки в процессе реализации изобретения подробно объяснены с прилагаемым чертежом:

1) количество биотоплива, извлеченного из сырья биомассы, подаваемого на слой пиролиза 5, составляет 65%;

2) содержание CO и H₂ на выходе синтез-газа из трубопровода 22 составляет в пересчете на сухой вес 82%; и

3) степень конверсии углерода установки составляет 99,9%, и фактическое потребление кислорода синтез-газа составляет 0,31 моль/моль.

Пример 4

Используется древесина примера 1 в качестве сырья биомассы (таблица 1).

Основные рабочие условия установлены, как изложено ниже:

1) диаметр зерен материала на выходе устройства измельчения 2 составляет 3 мм;

2) влажность материала на выходе из устройства сушки 3 составляет 13 вес.%;

3) давление на слое пиролиза 5 является нормальным давлением, и температура регулируется на уровне 450°C;

4) время пребывания газовой фазы на слое пиролиза 5 составляет 1 с; и

5) давление в газификационной печи 20 регулируется на уровне 4,0 МПа (A), и температура регулируется на уровне 1400°C.

В соответствии с вышеустановленными условиями основные данные и рабочие характеристики установки в процессе реализации изобретения подробно объяснены с прилагаемым чертежом:

1) количество биотоплива, извлеченного из сырья биомассы, подаваемого на слой пиролиза 5, составляет 66%;

2) содержание CO и H₂ на выходе синтез-газа из трубопровода 22 составляет в пересчете на сухой вес 84%; и

3) степень конверсии углерода установки составляет 99,9%, и фактическое потребление кислорода синтез-газа составляет 0,3 моль/моль.

Пример 5

Используется древесина примера 1 в качестве сырья биомассы (таблица 1).

Основные рабочие условия установлены, как изложено ниже:

1) диаметр зерен материала на выходе устройства измельчения 2 составляет 2 мм;

2) влажность материала на выходе из устройства сушки 3 составляет 16 вес.%;

3) давление на слое пиролиза 5 является нормальным давлением, и температура регулируется на уровне 550°C;

4) время пребывания газовой фазы на слое пиролиза 5 составляет 1,5 с; и

5) давление в газификационной печи 20 регулируется на уровне 4,0 МПа (A), а температура регулируется на уровне 1400°C.

В соответствии с вышеустановленными условиями основные данные и рабочие характеристики установки в процессе реализации изобретения подробно объяснены с прилагаемым чертежом:

1) количество биотоплива, извлеченного из сырья биомассы, подаваемого на слой пиролиза 5, составляет 70%;

2) содержание CO и H₂ на выходе синтез-газа из трубопровода 22 составляет в пересчете на сухой вес 86%; и

3) степень конверсии углерода установки составляет 99,9%, и фактическое потребление кислорода синтез-газа составляет 0,3 моль/моль.

Пример 6

Используется древесина примера 1 в качестве сырья биомассы (таблица 1).

Основные рабочие условия установлены, как изложено ниже:

1) диаметр зерен материала на выходе устройства измельчения 2 составляет 1 мм;

2) влажность материала на выходе из устройства сушки 3 составляет 18 вес.%;

3) давление на слое пиролиза 5 является нормальным давлением, и температура регулируется на уровне 520°C;

4) время пребывания газовой фазы на слое пиролиза 5 составляет 0,5 с; и

5) давление в газификационной печи 20 регулируется на уровне 4,0 МПа (A), а температура регулируется на уровне 1400°C.

В соответствии с вышеустановленными условиями основные данные и рабочие характеристики установки в процессе реализации изобретения подробно объяснены с прилагаемым чертежом:

1) количество биотоплива, извлеченного из сырья биомассы, подаваемого на слой пиролиза 5, составляет 75%;

2) содержание CO и H₂ на выходе синтез-газа из трубопровода 22 составляет в пересчете на сухой вес 90%; и

3) степень конверсии углерода установки составляет 99,9%, и фактическое потребление кислорода синтез-газа составляет 0,285 моль/моль.

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения синтез-газа из биомассы проводят предварительную обработку биомассы, включающую измельчение биомассы до получения частиц размером 1-6 мм и высушивание сырья до влажности 10-20 вес.%. Затем осуществляют пиролиз биомассы с помощью технологии быстрого пиролиза, при этом температура слоя пиролиза 400-600°C, а время пребывания газовой фазы на слое пиролиза 0,5-5 с. Продукт слоя пиролиза является пиролизным газом и угольным порошком. Отделяют пиролизный газ от угольного порошка и твердого теплоносителя с помощью циклонного сепаратора. Далее разделяют угольный порошок и твердый теплоноситель в сепараторе для разделения твердых фаз, загружают угольный порошок в бункер угольного порошка для накопления, нагревают твердый теплоноситель в камере нагревания кипящего слоя и подают твердый теплоноситель к слою пиролиза для повторного использования. После этого подают пиролизный газ к конденсатосборнику для конденсации аэрозоля и проводят конденсацию конденсируемой части пиролизного газа для образования бионефти, а затем нагнетание образовавшейся бионефти нефтяным насосом высокого давления и подачу к газификационной печи на газификацию. Одну часть неконденсируемого пиролизного газа подают на слой сжигания для сжигания с воздухом, а другую часть неконденсируемого пиролизного газа подают на слой пиролиза в качестве псевдоожижающей среды. Изобретение позволяет повысить эффективность газификации, стабильность и надежность установки для получения синтез-газа из биомассы. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл., 6 пр.

1. Способ получения синтез-газа из биомассы путем пиролиза, включающий:
1) предварительную обработку сырья биомассы, включающую измельчение сырья биомассы до получения частиц размером 1-6 мм и высушивание сырья до влажности 10-20 вес.%;
2) пиролиз сырья биомассы, использующий технологию быстрого пиролиза биомассы, при этом продукт слоя пиролиза является пиролизным газом и угольным порошком, где температура слоя пиролиза составляет 400-600°C, а время пребывания газовой фазы на слое пиролиза составляет 0,5-5 с;
3) отделение пиролизного газа от угольного порошка и твердого теплоносителя с помощью циклонного сепаратора;
4) разделение угольного порошка и твердого теплоносителя в сепараторе для разделения твердых фаз, загрузку угольного порошка в бункер угольного порошка для накопления, нагревание твердого теплоносителя в камере нагревания кипящего слоя и подачу твердого теплоносителя к слою пиролиза для повторного использования;
5) подачу образованного пиролизного газа к конденсатосборнику для конденсации аэрозоля, конденсацию конденсируемой части пиролизного газа для образования бионефти, нагнетание образовавшейся бионефти нефтяным насосом высокого давления и подачу к газификационной печи на газификацию; и
6) подачу одной части неконденсируемого пиролизного газа на слой сжигания для сжигания с воздухом, подачу другой части неконденсируемого пиролизного газа на слой пиролиза в качестве псевдоожижающей среды.

2. Способ по п.1, где для конденсации аэрозоля принят способ наружной циркуляции, бионефть на дне конденсатосборника нагнетается и выкачивается нефтяным насосом высокого давления и далее бионефть возвращается к конденсатосборнику для конденсации аэрозоля после охлаждения в наружном теплообменнике для бионефти; конденсируемый пиролизный газ конденсируется с образованием бионефти, одна часть бионефти подается в бак для бионефти, а другая часть сжимается циркуляционным нефтяным насосом и охлаждается в теплообменнике для бионефти, для кругового орошения пиролизного газа.

3. Способ по п.1 или 2, где тепло отходящих дымовых газов, образующихся в камере нагревания кипящего слоя на стадии 4), используется для сушки сырья биомассы на стадии 1) предварительной обработки сырья биомассы.

4. Способ по п.1 или 2, где отношение неконденсируемого пиролизного газа к воздуху и температура камеры нагревания кипящего слоя на стадии 6) регулируются, чтобы гарантировать, что температура слоя пиролиза составляет 400-600°C, а время пребывания газовой фазы на слое пиролиза составляет 0,5-5 c.

5. Установка газификации для получения синтез-газа из биомассы путем пиролиза с использованием способа по любому из пп.1-4, включающая узел предварительной обработки материала биомассы, узел пиролиза, узел конденсации и узел газификации, где
узел пиролиза включает слой пиролиза (5) и слой сжигания (9-1);
конденсатосборник (12) узла конденсации соединен с компрессором неконденсируемого пиролизного газа (15) посредством трубопровода;
выходное отверстие компрессора неконденсируемого пиролизного газа (15) соединено со слоем пиролиза (5) и слоем сжигания (9-1); и
неконденсируемый пиролизный газ используется в качестве топлива слоя сжигания (9-1) и как псевдоожижающая среда слоя пиролиза (5).

6. Установка газификации по п.5, где узел конденсации использует конденсацию аэрозоля в наружной циркуляции, нижняя часть конденсатосборника (12) соединена с циркуляционным нефтяным насосом (13) посредством трубопровода, циркуляционный нефтяной насос (13) соединен с наружным теплообменником для бионефти (14); одна часть бионефти нагнетается циркуляционным нефтяным насосом (13) и охлаждается в теплообменнике бионефти (14) для кругового орошения пиролизного газа, а нижняя часть конденсатосборника (12) соединена с баком для бионефти (16).

7. Установка газификации по п.5 или 6, где слой пиролиза (5) соединен с циклонным сепаратором (6) и с сепаратором для разделения твердых фаз (7), сепаратор разделения твердых фаз (7) соединен с бункером угольного порошка (8) и камерой нагревания кипящего слоя (9-2), нижняя часть камеры нагревания кипящего слоя (9-2) снабжена трубопроводом, соединенным со слоем пиролиза (5), чтобы подавать нагретый твердый носитель к слою пиролиза (5) для повторного использования.

8. Установка газификации по п.7, где верхняя часть камеры нагревания кипящего слоя (9-2) соединена с устройством сушки (3) узла предварительной обработки материала биомассы посредством трубопровода для отходящего тепла и дымовых газов (11) и верхняя часть слоя сжигания (9-1) соединена с трубопроводом воздухозаборника (10).

9. Установка газификации по п.6, где трубопровод, соединяющий выходное отверстие бака для бионефти (16) и газификационную печь (20), оснащен нефтяным насосом высокого давления (17) и бионефть нагнетается и подается к газификационной печи (20) на газификацию.