ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к получению синтез-газа, более конкретно к способу и системе получения синтез-газа из биомассы коксованием. Способ относится к технической области получения синтез-газа или горючего газа с использованием биомассы. Синтез-газ является смесью, содержащей CO, H2 и множество карбогидратов (углеводов), которые содержат углерод, водород и кислород. Синтез-газ, полученный способом по настоящему изобретению, может быть использован в газотурбинных энергетических установках, топливных элементах, синтетическом масле, металлургических и других системах.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Так как сокращение запасов традиционных ископаемых топлив (угля, нефти и природного газа) и проблемы загрязнения окружающей среды, вызванные использованием ископаемых топлив, непосредственно угрожают выживанию и развитию человечества, то придание значимости разработке возобновляемой и безопасной для окружающей среды энергии стало консенсусом правительств всех стран. Биомасса, т.е. органическая материя, образованная растениями в результате фотосинтеза, имеет множество источников и доступна в большом количестве. Она может быть преобразована в чистый газ или жидкое топливо для выработки энергии и получения промышленных исходных материалов и химических продуктов. Как энергия она является чистой и возобновляемой при нулевых выбросах углекислого газа, и потенциально может полностью заменить ископаемые топлива в качестве нового источника энергии, который стал приоритетным для всех стран.
Существует множество способов преобразования биомассы в чистый газ или жидкое топливо, среди которых технология газификации биомассы может быть адаптирована ко множеству видов и имеет хорошие перспективы к расширению. Газификация биомассы является термохимическим процессом, т.е. биомасса взаимодействует с газифицирующим агентом (таким, как воздух, кислород, пар, углекислый газ и т.д.) при высокой температуре с получением смешанного газа, состоящего из карбогидрата, содержащего углерод, водород и кислород. Смешанный газ называется синтез-газом. Компоненты синтез-газа определяются соединениями используемой биомассы, типом газифицирующего агента, условиями реакции и конструкцией используемой установки для газификации. Целями газификации являются, с одной стороны, минимизация потребления материалов и агентов для газификации, а также содержания смолы в синтез-газе, а с другой стороны, максимальное увеличение эффективности газификации и эффективности конверсии углерода, а также содержания активного ингредиента (CO и H2) в синтез-газе. Цели определяются видом используемого газогенератора, типом газифицирующего агента, размером частиц биомассы, давлением и температурой при газификации, а также влажностью и содержанием золы в биомассе, и т.д.
Печи для газификации, использующиеся в процессе газификации, могут быть разделены на три класса: с неподвижным слоем, с псевдоожиженным слоем и печи для газификации с газификацией в потоке. Печь для газификации с неподвижным слоем имеет простую структуру газификации, с ней удобно работать, у нее гибкий режим работы, более высокая доля конверсии по углероду, широкий диапазон рабочей загрузки, который может составлять от 20% до 110%, а твердое топливо остается в слое длительный период времени. Однако температура не является равномерной, и у нее меньшая эффективность теплообмена, низкая теплотворная способность синтез-газа на выходе, а синтез-газ содержит большое количество смолы. Печь для газификации с псевдоожиженным слоем удобна для введения материала и отделения золы, а температура является равномерной, и ее легко регулировать. Однако она чувствительна к характеристикам исходных материалов (сырью). Если изменяются адгезия, теплостойкость, содержание влаги или температура плавления золы исходных материалов, режим работы станет аномальным. Кроме того, чтобы обеспечить нормальное образование псевдоожиженного слоя в печи для газификации, требуется поддерживать более низкую температуру, а синтез-газ содержит большее количество смолы. Так как в печах для газификации с неподвижным и псевдоожиженным слоем образуется большое количество смолы, должны быть установлены блок для крекинга смолы и оборудование для очистки, что приводит к сложному процессу. Печь для газификации с газификацией в потоке имеет высокую и равномерную рабочую температуру, хорошие параметры умножения, и она особенно подходит для крупномасштабного промышленного применения. Смола крекируется полностью. Однако печь для газификации с газификацией в потоке имеет строгие требования к размерам частиц сырья. Основываясь на современной технологии измельчения, не существует способа измельчения биомассы, имеющей большое количество целлюлозы, до частиц подходящего размера для газификации в потоке. Соответственно, печь для газификации с газификацией в потоке не может использоваться для газификации биомассы. На сегодняшний день основными проблемами при разработке процесса газификации биомассы являются крекинг и предварительная обработка биомассы до газификации.
Китайская патентная заявка № 200510043836.0 раскрывает способ и устройство для газификации биомассы с низким содержанием смолы. Способ включает независимые процессы пиролиза и газификации, а биомасса преобразовывается в синтетический газ с низким содержанием смолы. В данном способе пиролитический газ и древесный уголь подвергают неполному сжиганию в газификаторе, а смолу крекируют при высокой температуре. Несмотря на то что содержание смолы значительно снижается, потребляется много древесного угля, что приводит к низкому содержанию CO, образующегося в последующей реакции восстановления, и к высокому содержанию CO2 в синтез-газе. Во-вторых, из-за низкой температуры при реакции сгорания температура при последующем восстановлении становится ниже, а средняя температура в зоне восстановления составляет менее 700°С, и, следовательно, выход эффективного синтез-газа (CO и H2) значительно снижается (приблизительно 30%). В-третьих, зола и остаток непрореагировавшего углерода из реакции восстановления извлекаются напрямую, что приводит к низкой степени конверсии углерода. Наконец, газификатор, используемый в данном способе, представлен в форме с неподвижным слоем, а так как реакция восстановления протекает с поглощением тепла, разница температур между верхним и нижним (у верхнего приблизительно 1000°С, а у нижнего приблизительно 500°С) слоями огромна, что является характерным недостатком газификатора с неподвижным слоем.
Патент США № 6863878B2 раскрывает способ и устройство для получения синтез-газа из углеродсодержащих материалов. Способ включает процессы коксования (или пиролиза) и газификации независимо друг от друга. В данном способе температура коксования удерживается на уровне менее 450°F таким образом, чтобы снизить содержание смолы, образующейся в результате пиролиза. Однако в ходе стадии коксования твердые продукты не измельчаются перед транспортировкой их в реакционные камеры газификатора, что будет снижать скорость и степень реакции газификации. Во-вторых, так как реакция газификации протекает в реакционной камере, требуется большое количество транспортного газа, но транспортный газ будет забирать много тепла во время транспортировки, и, следовательно, эффективность газификации оказывается низкой, температура неравномерной, а последующая система регенерации отходящего тепла массивной. В-третьих, неэкономично, когда только что полученный синтез-газ используется для обеспечения тепла для газификации и коксования. В-четвертых, продукты сжигания (главным образом, CO2 и Н2О) непосредственно извлекают и не полностью используют, что приводит к низкой эффективности газификации. Наконец, золу и остаток непрореагировавшего углерода в синтез-газе также непосредственно извлекают, что приводит к низкой степени конверсии углерода.
Китайская патентная заявка № 200810236639.4 раскрывает способ получения синтез-газа из биомассы высокотемпературной газификацией. Способ также задействует комбинацию карбонизации (коксования) и высокотемпературной газификации. Однако у способа есть следующие проблемы: во-первых, тепло для карбонизационной печи подается от прямого сгорания внешнего горючего газа и кислорода; введенный высококачественный внешний топливный газ сильно увеличивает потребление энергии системой; во-вторых, задействованная система подачи порошка для пиролитического газа является сложной; когда пиролитический газ высокой температуры смешивают с порошкообразным углеродом низкой температуры и загружают в газификатор, смесь может легко сконденсироваться с образованием смолы, вызывая закупорку и нарушая нормальную работу; наконец, древесный уголь высокого давления, образованный в карбонизационной печи, загружают в мельницу для размола при нормальном давлении после декомпрессии и охлаждения, для того, чтобы преобразовать в порошок, а затем порошкообразный углерод сжимают и подают в газификатор пиролитическим газом. Весь процесс является сложным и потребляет большое количество энергии, таким образом, осуществимость проекта плохая.
Из вышеописанных способов традиционная газификация из биомассы или из твердых углеродсодержащих материалов не может давать синтез-газ с высокой эффективностью при низкой стоимости. Хотя технология независимого пиролиза и газификации может задействовать различные биомассы и снизить содержание смолы в синтез-газе, но недостатки, такие как неравномерная температура, большие инвестиции в оборудование для регенерации отходящего тепла, высокое потребление материалов, низкая эффективность газификации и низкая степень конверсии углерода, ограничивают применение газификации биомассы в промышленности. В особенности не существует эффективного способа газификации биомассы с использованием газогенератора с газификацией в потоке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В виду вышеописанных проблем одной из целей настоящего изобретения является обеспечение способа и системы для получения синтез-газа из биомассы карбонизацией, которые имеют высокую эффективность и низкую стоимость.
Техническая схема настоящего изобретения описана ниже: способ получения синтез-газа из биомассы карбонизацией, где способ включает следующие стадии:
1) предварительная обработка исходного материала биомассы;
2) проведение низкотемпературной карбонизации с получением продуктов в виде пиролитического газа и древесного угля, охлаждение древесного угля на выходе из карбонизационной печи до температуры 60-280°С, и транспортировка охлажденного древесного угля в бункер для хранения древесного угля;
3) отделение пиролитического газа от порошкообразного древесного угля после вывода пиролитического газа из верхней части карбонизационной печи для прохождения через газоадсорбционный сепаратор;
4) доставка части отделенного пиролитического газа в слой сгорания для сжигания, нагрев другой части отделенного пиролитического газа горячим дымовым газом, образовавшимся при горении слоя сгорания, а затем доставка нагретого пиролитического газа в карбонизационную печь в качестве источника тепла для карбонизационной печи; доставка отходящего горячего дымового газа после теплообмена в зону предварительной обработки исходного материала биомассы для сушки; подача отделенного порошкообразного древесного угля в бункер для хранения древесного угля;
5) размол порошкообразного древесного угля с получением суспензии; и
6) введение угольной суспензии при помощи насоса высокого давления для угольной суспензии в печь для газификации для осуществления газификации.
В способе получения синтез-газа низкотемпературная карбонизация представляет собой медленный пиролиз, проводимый в условиях атмосферного давления и изоляции от кислорода в карбонизационной печи, при этом температуру в карбонизационной печи регулируют путем изменения доли пиролитического газа и воздуха на уровне 200-400°C, скорость повышения температуры в карбонизационной печи поддерживают на уровне 5-20°C/мин, а время удерживания исходных материалов биомассы в камере поддерживают на уровне 20-90 мин.
В способе размола порошкообразного древесного угля для получения суспензии предусмотрен атмосферный размол, а затем в мельницу подают воду и добавку для получения суспензии древесного угля.
В способе получения синтез-газа содержание порошкообразного древесного угля в угольной суспензии составляет 50-70 масс.%, предпочтительно 60-65 масс.%.
В способе получения синтез-газа температуру карбонизационной печи поддерживают на уровне 250°C±10°C, скорость повышения температуры в карбонизационной печи предпочтительно поддерживают на уровне 15°C/мин, а время удержания исходных материалов биомассы в печи предпочтительно поддерживают на уровне 50 мин.
Система газификации для получения синтез-газа из биомассы пиролизом включает секцию предварительной обработки исходного материала биомассы, карбонизационную печь, печь для газификации, соединительный трубопровод, соединяющий карбонизационную печь и печь для газификации, и пневматическую транспортную систему. Верхняя часть карбонизационной печи соединена с циклонным сепаратором; выход циклонного сепаратора соединен со слоем сгорания и бункером для хранения древесного угля; выход слоя сгорания соединен с теплообменником для нагрева повторно используемого пиролитического газа; а выход нагретого пиролитического газа соединен с карбонизационной печью, а выход отдавшего тепло отработанного дымового газа соединен с системой сушки.
В системе газификации охлаждаемый водой шнековый конвейер расположен в трубопроводе в направлении от выхода древесного угля из карбонизационной печи к бункеру для хранения древесного угля, а охлаждаемый водой шнековый конвейер используется для охлаждения древесного угля на выходе древесного угля из карбонизационной печи до 60-280°C, а затем для подачи охлажденного древесного угля в бункер для хранения древесного угля.
В системе газификации мельница, емкость для суспензии древесного угля и насос высокого давления для суспензии древесного угля последовательно расположены на трубопроводе от выхода из бункера для хранения древесного угля до карбонизационной печи.
В системе газификации труба для подачи входящего газа для слоя сгорания соединена с воздуховодом, а воздух используется как газ, поддерживающий горение.
Преимущества настоящего изобретения приведены ниже.
Во-первых, применяя низкотемпературную технологию медленного пиролиза, с одной стороны, древесное волокно биомассы можно значительно разрушить, биомасса легко размалывается, потребление энергии снижается, а объемная энергетическая плотность биомассы увеличивается; с другой стороны, по сравнению со способом газификации по патентной заявке Китая 200810236639.4 при более низкой температуре, в особенности при температуре 250°С±10°С, могут быть получены более высокий выход твердых веществ и более высокий энергетический выход (массовый выход древесного угля составляет 60-80%, а энергетический выход древесного угля составляет 70-90%), потребление энергии снижено, а степень конверсии углерода всей системы благоприятным образом возрастает.
Во-вторых, настоящее изобретение использует технологию нагрева повторно используемого пиролитического газа как источника тепла для карбонизационной печи за счет использования тепла, выделяющегося при сгорании самопроизвольно образующегося пиролитического газа. Технология нагрева карбонизационной печи по настоящему изобретению имеет следующие три отличительных признака: 1) тепло, необходимое для технологии пиролиза, обеспечивается во внутренней части системы таким образом, чтобы реализовать тепловое равновесие системы и совсем не подводить внешнюю энергию; 2) теплота для нагрева повторно используемого пиролитического газа обеспечивается прямым сжиганием пиролитического газа и воздуха. Другими словами, используется химическая энергия пиролитического газа, а с другой стороны, вместо чистого кислорода используется воздух, что значительно снижает стоимость всей системы и увеличивает технологическую гибкость карбонизационной печи; 3) нагретый повторно используемый пиролитический газ прямо подают в карбонизационную печь для контакта с исходным материалом, что не только увеличивает эффективность нагрева карбонизационной печи, но также поддерживает нормальную работу для наивысшего выхода древесного угля в условиях атмосферного давления, изоляции от кислорода и медленного пиролиза.
В-третьих, настоящее изобретение использует отходящий горячий дымовой газ, образующийся при сгорании пиролитического газа, для высушивания исходного материала, увеличивая, таким образом, энергетическую эффективность всей системы.
В-четвертых, используя технологию получения суспензии атмосферным размолом, древесный уголь на выходе из карбонизационной печи вводят в мельницу атмосферного углеразмола, а затем смешивают с определенным количеством воды и добавок с получением угольной суспензии. Данный процесс является простым и эффективным. По сравнению со способом газификации по патентной заявке Китая № 200810236639.4 с загрузкой со стороны ввода способ по настоящему изобретению значительно снижает потребление энергии вводимого исходного материала и увеличивает стабильность, надежность и возможность технической реализации системы.
В-пятых, настоящее изобретение использует технологию сжатия и транспортировки угольной суспензии насосом. По сравнению со способом газификации по патенту 200810236639.4 настоящий способ избегает технических проблем, связанных с пневматической транспортировкой порошка и закупорки смолой при загрузке сухого порошкообразного угля, а также увеличивает стабильность, надежность и возможность технической реализации системы.
Вкратце, настоящее изобретение направлено на то, чтобы реализовать простой, надежный, энергосберегающий, экономичный проект с высокой возможностью технического осуществления. В то же время настоящее изобретение увеличивает эффективность газификации, снижает количество эффективного синтез-газа и увеличивает скорость преобразования энергии в системе.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг. 1 представлена схема способа и системы получения синтез-газа из биомассы карбонизацией в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предпочтительные примеры, технологическая схема способа и системы по настоящему изобретению описаны на прилагаемом чертеже.
Как показано на фиг.1, система газификации по настоящему изобретению включает впускное отверстие 1 для доставки исходного материала биомассы, систему 2 высушивания, бункер 3 для хранения биомассы, карбонизационную печь 4, циклонный сепаратор 5, воздуховод 6 для слоя горения, слой 7 горения, компрессор 8, теплообменник 9 для нагревания повторно используемого пиролитического газа, дымоход 10 для отработанного горячего дымового газа для системы высушивания, охлаждаемый водой шнековый конвейер 11, бункер 12 для хранения древесного угля, мельницу 13, водопровод 14 для получения суспензии для мельницы, дополнительный трубопровод 15 для мельницы, емкость 16 для угольной суспензии, насос 17 высокого давления для угольной суспензии, трубопровод 18 для кислорода для инжекционной горелки печи для газификации, сопло 19 форсунки печи для газификации, печь 20 для газификации, охлаждаемую водой стенку 21 печи для газификации, трубопровод 22 для синтез-газа, трубопровод 23 для остаточной золы, трубопровод 24 для обессоленной и дезоксигенированной воды, трубопровод 25 для насыщенного пара, трубопровод N1 для внешнего топлива и выпускной трубопровод N2.
В системе газификации верхняя часть карбонизационной печи 4 соединена с циклонным сепаратором 5, а выпускной конец циклонного сепаратора 5 соединен со слоем 7 сгорания и с бункером 12 для хранения древесного угля соответственно. Выпускной конец слоя 7 сгорания соединен с теплообменником 9 для нагрева повторно используемого пиролитического газа. Выход для нагретого пиролитического газа соединен с карбонизационной печью 4, а выход для отработанного нагретого дымового газа соединен с системой 2 высушивания.
Охлаждаемый водой шнековый конвейер 11 расположен в трубопроводе от выхода для древесного угля карбонизационной печи 4 к бункеру 12 для хранения древесного угля и используется для охлаждения древесного угля на выходе для древесного угля карбонизационной печи до 60-280°С, а затем для подачи охлажденного древесного угля в бункер 12 для хранения древесного угля.
Мельница 13, емкость 16 для угольной суспензии и насос 17 высокого давления для угольной суспензии расположены на трубопроводе последовательно от выхода из бункера 12 для хранения древесного угля к печи 20 для газификации.
Труба для подачи входящего газа для слоя 7 сгорания соединена с воздуховодом 6, а воздух используется как поддерживающий горение газ.
Способ получения синтез-газа из биомассы карбонизацией включает следующие стадии:
1) предварительная обработка исходного материала биомассы;
2) проведение низкотемпературной карбонизации с получением продуктов - пиролитического газа и древесного угля, охлаждение древесного угля на выходе из карбонизационной печи до температуры 60-280°С, и транспортировка охлажденного древесного угля в бункер для хранения древесного угля;
3) отделение пиролитического газа от порошкообразного древесного угля после вывода пиролитического газа из верхней части карбонизационной печи для прохождения через газоадсорбционный сепаратор;
4) доставка части отделенного пиролитического газа в слой сгорания для сжигания, нагрев другой части отделенного пиролитического газа горячим дымовым газом, образовавшимся при горении слоя сгорания, в теплообменнике, а затем доставка нагретого пиролитического газа в карбонизационную печь как источник тепла для карбонизационной печи; доставка отработанного горячего дымового газа после теплообмена в зону предварительной обработки исходного материала биомассы для высушивания; подача отделенного порошкообразного древесного угля в бункер для хранения древесного угля;
5) размол порошкообразного древесного угля с получением суспензии; и
6) введение угольной суспензии в печь для газификации при помощи насоса высокого давления для угольной суспензии, для осуществления газификации.
Низкотемпературная карбонизация представляет медленный пиролиз, проводимый в условиях атмосферного давления и изоляции от кислорода в карбонизационной печи, при этом температуру карбонизационной печи поддерживают на уровне 200-400°C, регулируя долю пиролитического газа и воздуха, скорость повышения температуры карбонизационной печи регулируют в интервале 5-20°C/мин, а время удерживания исходных материалов биомассы в печи регулируют в интервале 20-90 мин. Температуру карбонизационной печи предпочтительно поддерживают на уровне 250°C±10°C, скорость повышения температуры в карбонизационной печи предпочтительно поддерживают на уровне 15°C/мин, а время удерживания исходных материалов биомассы в печи предпочтительно поддерживают предпочтительно равным 50 мин.
В способе размола порошкообразного древесного угля с получением суспензии применяют атмосферный размол, а затем добавляют воду и добавки для размола с получением угольной суспензии. Содержание порошкообразного древесного угля в угольной суспензии составляет 50-70 масс.%, предпочтительно 60-65 масс.%.
Процесс работы:
1. Процесс запуска системы:
1) открывают регулирующий клапан V1 на трубопроводе от бункера 3 для хранения биомассы до карбонизационной печи 4 и регулирующий клапан V4 на отходящем трубопроводе N2 и удерживают закрытыми регулирующий клапан V2 в слое 7 сгорания и регулирующий клапан V3 на трубопроводе от циклонного сепаратора 5 к компрессору 8;
2) открывают регулирующий клапан V6 на трубопроводе N1 для внешнего топлива, регулирующий клапан V5 на воздуховоде 6 для слоя сгорания, а также регулирующий клапан V8 на трубопроводе от слоя 7 сгорания к карбонизационной печи 4 и регулирующий клапан V9 на трубопроводе от слоя 7 сгорания к системе 2 сушки и держат закрытым регулирующий клапан V7 на трубопроводе от слоя 7 сгорания к теплообменнику 9 для нагревания повторно используемого пиролитического газа, таким образом, обеспечивая поступление горячего дымового газа, образовавшегося в результате сгорания топлив и воздуха в слое 7 сгорания, в систему 2 высушивания и карбонизационную печь 4 для обеспечения энергии; и
3) после 20-40 минут работы по способу от стадии 1) до стадии 2) открывают регулирующие клапаны V2, V3 и V7, одновременно закрывая регулирующие клапаны V4, V6, V8 и V9, таким образом, чтобы система в это же время начала нормально работать.
2. Нормальный процесс работы системы:
Исходный материал биомассы загружают в сушильную систему 2 по вводному каналу 1 подачи исходного материала биомассы. Исходный материал биомассы сушат и обезвоживают горячим дымом в системе, а затем транспортируют в бункер 3 для хранения биомассы, и исходный материал биомассы подают в карбонизационную печь 4.
Продукт карбонизационной печи 4 включает пиролитический газ и древесный уголь, содержащий CO, H2, CO2, H2O, CH4 и смолу. Необработанный пиролитический газ отделяют в циклонном сепараторе 5, а затем частицы древесного угля в необработанном пиролитическом газе подают в бункер 12 для хранения древесного угля, и пиролитический газ после предварительной очистки загружают в слой сгорания 7 и компрессор 8.
В слое сгорания 7 пиролитический газ для сжигания подвергают реакции горения с воздухом из трубопровода 6. Нагретый дым, образовавшийся при горении, нагревает циркуляционный пиролитический газ; задавая долю пиролитического газа, образовавшегося при горении с воздухом, температуру карбонизационной печи 4 регулируют на уровне 400-600°С, а скорость повышения температуры карбонизационной печи 4 регулируют на уровне 5-20°С/мин.
После введения в компрессор 8 для увеличения давления повторно используемый пиролитический газ нагревают до определенной температуры в теплообменнике 9 для нагрева повторно используемого пиролитического газа, а затем нагретый повторно используемый пиролитический газ поступает в карбонизационную печь 4 для обеспечения ее энергией, требуемой для карбонизационной печи; горячий дымовой газ после теплообмена поступает в систему 2 высушивания для высушивания исходных материалов биомассы.
Древесный уголь, образовавшийся в карбонизационной печи 4, подают в бункер 12 для хранения древесного угля на хранение после охлаждения на охлаждаемом водой шнековом конвейере 11. Древесный уголь поступает в мельницу 13 на размол с водой из водопровода 14 с получением суспензии для размола и добавкой из трубопровода 15 для добавки на размол с получением угольной суспензии. Полученную угольную суспензию вводят в емкость 16 для угольной суспензии, а затем при помощи насоса 17 высокого давления для угольной суспензии подают в инжекционную горелку 19 печи для газификации после повышения давления угольной суспензии до рабочего давления в печи для газификации 20. Кислород из трубопровода 18 для кислорода также доставляют в инжекционную горелку 19 печи для газификации для проведения реакции высокотемпературной газификации в печи 20 для газификации, а температуру синтез-газа на выходе из печи для газификации поддерживают на уровне 1200-1600°С, регулируя количество кислорода и количество тепла при теплообмене с охлаждаемой водой стенкой 21 (печи для газификации), в которую вводят обессоленную и обескислороженную воду. Продуктами газификации являются главным образом CO и H2, небольшое количество CO2 и H2O и незначительное количество CH4; обессоленная и обескислороженная вода образует насыщенный пар высокого давления после поглощения тепла охлаждаемой водой стенкой 21 печи для газификации, насыщенный пар высокого давления поступает в нижерасположенную систему по трубопроводу 25 для насыщенного пара, а зольный остаток, образовавшийся во время газификации, извлекают по трубопроводу 23 для остатка золы.
Пример 1
В качестве исходного материала биомассы использовали древесину. Элементный состав и характеристики высушенной древесины представлены в таблице 1.
Устанавливали следующие основные рабочие условия:
1) содержание воды в материалах на выходе из системы 2 сушки составляло 15 масс.%;
2) давление в карбонизационной печи 4 составляло атмосферное давление, а температуру в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 200°С;
3) скорость роста температуры в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 20°С/мин;
4) время удерживания исходных материалов биомассы в печи поддерживали на уровне 90 мин;
5) высокотемпературный древесный уголь охлаждали до 60°С на охлаждаемом водой шнековом конвейере 11; и
6) давление в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 4,0 МПа (А), а температуру в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 1400°С.
Согласно заданным условиям в процессе осуществления иллюстрируемой прилагаемыми чертежами системы основные данные и параметры производительности системы были следующие:
1) массовый выход древесного угля из исходных материалов биомассы, введенных в карбонизационную печь 4, составлял 75%;
2) в синтез-газе, выводимом по трубопроводу 22 для синтез-газа, содержание CO и H2 составляло 78%;
3) степень конверсии углерода в системе газификации составляла 99,9%, а потребление кислорода доступным синтез-газом составляло 0,33 моль/моль.
Пример 2
В качестве исходного материала биомассы (таблица 1) использовали древесину из примера 1.
Устанавливали следующие основные рабочие условия:
1) содержание воды в материалах на выходе из системы 2 сушки составляло 10 масс.%;
2) давление в карбонизационной печи 4 составляло атмосферное давление, а температуру в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 300°С;
3) скорость повышения температуры в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 10°С/мин;
4) время удерживания исходных материалов биомассы в печи поддерживали на уровне 80 мин;
5) высокотемпературный древесный уголь охлаждали до 60°С на охлаждаемом водой шнековом конвейере 11; и
6) давление в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 4,0 МПа (А), а температуру в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 1400°С.
Согласно заданным условиям в процессе осуществления иллюстрируемой прилагаемыми чертежами системы основные данные и параметры производительности системы были следующие:
1) массовый выход древесного угля из исходных материалов биомассы, введенных в карбонизационную печь 4, составлял 80%;
2) в синтез-газе, выводимом по трубопроводу 22 для синтез-газа, содержание CO и H2 составляло 82%;
3) степень конверсии углерода в системе газификации составляла 99,9%, а потребление кислорода доступным синтез-газом составляло 0,32 моль/моль.
Пример 3
В качестве исходного материала биомассы (таблица 1) использовали древесину из примера 1.
Устанавливали следующие основные рабочие условия:
1) содержание воды в материалах на выходе из системы 2 сушки составляло 20 масс.%;
2) давление в карбонизационной печи 4 составляло атмосферное давление, а температуру в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 400°С;
3) скорость повышения температуры в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 5°С/мин;
4) время удерживания исходных материалов биомассы в печи поддерживали на уровне 30 мин;
5) высокотемпературный древесный уголь охлаждали до 60°С на охлаждаемом водой шнековом конвейере 11; и
6) давление в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 4,0 МПа (А), а температуру в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 1400°С.
Согласно заданным условиям в процессе осуществления иллюстрируемой приложенными чертежами системы основные данные и параметры производительности системы были следующими:
1) массовый выход древесного угля из исходных материалов биомассы, введенных в карбонизационную печь 4, составлял 70%;
2) в синтез-газе, выводимом по трубопроводу 22 для синтез-газа, содержание CO и H2 составляло 75%;
3) степень конверсии углерода в системе газификации составляла 99,9%, а потребление кислорода доступным синтез-газом составляло 0,34 моль/моль.
Пример 4
В качестве исходного материала биомассы (таблица 1) использовали древесину из примера 1.
Устанавливали следующие основные рабочие условия:
1) содержание воды в материалах на выходе из системы 2 сушки составляло 12 масс.%;
2) давление в карбонизационной печи 4 составляло атмосферное давление, а температуру в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 250°С;
3) скорость повышения температуры в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 15°С/мин;
4) время удерживания исходных материалов биомассы в печи поддерживали на уровне 40 мин;
5) высокотемпературный древесный уголь охлаждали до 60°С на охлаждаемом водой шнековом конвейере 11; и
6) давление в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 4,0 МПа (А), а температуру в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 1400°С.
Согласно заданным условиям в процессе осуществления иллюстрируемой приложенными чертежами системы основные данные и параметры производительности системы были следующие:
1) массовый выход древесного угля из исходных материалов биомассы, введенных в карбонизационную печь 4, составлял 82%;
2) в синтез-газе, выводимом по трубопроводу 22 для синтез-газа, содержание CO и H2 составляло 84%;
3) степень конверсии углерода в системе газификации составляла 99,9%, а потребление кислорода доступным синтез-газом составляло 0,31 моль/моль.
Пример 5
В качестве исходного материала биомассы (таблица 1) использовали древесину из примера 1.
Устанавливали следующие основные рабочие условия:
1) содержание воды в материалах на выходе из системы 2 сушки составляло 16 масс.%;
2) давление в карбонизационной печи 4 составляло атмосферное давление, а температуру в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 220°С;
3) скорость повышения температуры в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 12°С/мин;
4) время удерживания исходных материалов биомассы в печи поддерживали на уровне 50 мин;
5) высокотемпературный древесный уголь охлаждали до 60°С на охлаждаемом водой шнековом конвейере 11; и
6) давление в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 4,0 МПа (А), а температуру в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 1400°С.
Согласно заданным условиям в процессе осуществления иллюстрируемой приложенными чертежами системы основные данные и параметры производительности системы были следующие:
1) массовый выход древесного угля из исходных материалов биомассы, введенных в карбонизационную печь 4, составлял 85%;
2) в синтез-газе, выводимом по трубопроводу 22 для синтез-газа, содержание CO и H2 составляло 86%;
3) степень конверсии углерода в системе газификации составляла 99,9%, а потребление кислорода доступным синтез-газом составляло 0,3 моль/моль.
Пример 6
В качестве исходного материала биомассы (таблица 1) использовали древесину из примера 1.
Устанавливали следующие основные рабочие условия:
1) содержание воды в материалах на выходе из системы 2 сушки составляло 18 масс.%;
2) давление в карбонизационной печи 4 составляло атмосферное давление, а температуру в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 320°С;
3) скорость повышения температуры в карбонизационной печи 4 поддерживали на уровне 18°С/мин;
4) время удерживания исходных материалов биомассы в печи поддерживали на уровне 70 мин;
5) высокотемпературный древесный уголь охлаждали до 60°С на охлаждаемом водой шнековом конвейере 11; и
6) давление в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 4,0 МПа (А), а температуру в печи 20 для газификации поддерживали на уровне 1400°С.
Согласно заданным условиям в процессе осуществления иллюстрируемой приложенными чертежами системы основные данные и параметры производительности системы были следующие:
1) массовый выход древесного угля из исходных материалов биомассы, введенных в карбонизационную печь 4, составлял 78%;
2) в синтез-газе, выводимом по трубопроводу 22 для синтез-газа, содержание CO и H2 составляло 81%;
3) степень конверсии углерода в системе газификации составляла 99,9%, а потребление кислорода доступным синтез-газом составляло 0,32 моль/моль.
Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения синтез-газа из биомассы карбонизацией проводят предварительную сушку и обезвоживание исходной биомассы. Затем проводят низкотемпературную карбонизацию при атмосферном давлении и изоляции от кислорода при температуре в карбонизационной печи 200-400°С, скорости повышения температуры 5-20°С/мин и времени удерживания исходной биомассы 20-90 мин. Получают продукты в виде пиролитического газа и древесного угля. Охлаждают древесный уголь на выходе из карбонизационной печи до температуры 60-280°C и транспортируют его в бункер для хранения. Пиролитический газ отделяют от порошкообразного древесного угля. Часть отделенного пиролитического газа направляют в слой сгорания для сжигания, а другую часть нагревают горячим дымовым газом, образовавшимся при горении в слое сгорания. Нагретый пиролитический газ направляют в карбонизационную печь в качестве источника тепла. Отходящий горячий дымовой газ после теплообмена направляют в зону предварительной обработки исходной биомассы для сушки. Отделенный порошкообразный древесный уголь подают в бункер для хранения. Порошкообразный древесный уголь размалывают с получением суспензии, которую вводят в печь для газификации насосом высокого давления. Изобретение позволяет повысить эффективность газификации, стабильность и надежность системы 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 карбонизацией, включающий следующие стадии:
1) предварительная обработка исходного материала биомассы, включающая сушку и обезвоживание;
2) проведение низкотемпературной карбонизации, представляющей собой медленный пиролиз, проводимый в условиях атмосферного давления и изоляции от кислорода в карбонизационной печи, где при этом температуру в карбонизационной печи регулируют в интервале 200-400°С, регулируя доли пиролитического газа и воздуха, скорость повышения температуры в карбонизационной печи регулируют в интервале 5-20°С/мин, а время удерживания исходных материалов биомассы в печи регулируют в интервале 20-90 мин, с получением продуктов в виде пиролитического газа и древесного угля; охлаждение древесного угля на выходе из карбонизационной печи до температуры 60-280°C и транспортировка охлажденного древесного угля в бункер для хранения древесного угля;
3) отделение пиролитического газа от порошкообразного древесного угля после выхода пиролитического газа из верхней части карбонизационной печи для прохождения через газоадсорбционный сепаратор;
4) доставка части отделенного пиролитического газа в слой сгорания для сжигания, нагрев другой части отделенного пиролитического газа горячим дымовым газом, образовавшимся при горении в слое сгорания, а затем доставка нагретого пиролитического газа в карбонизационную печь в качестве источника тепла для карбонизационной печи; доставка отходящего горячего дымового газа после теплообмена в зону предварительной обработки исходного материала биомассы для сушки; подача отделенного порошкообразного древесного угля в бункер для хранения древесного угля;
5) размол порошкообразного древесного угля с получением суспензии; и
6) введение угольной суспензии в печь для газификации насосом высокого давления для угольной суспензии для осуществления газификации.
2. Способ по п.1, где в способе размола порошкообразного древесного угля для получения суспензии используют атмосферное размалывание, а в мельницу добавляют воду и добавку.
3. Способ по п.1 или 2, где содержание порошкообразного древесного угля в угольной суспензии составляет 50-70 масс.%.
4. Способ по п.1 или 2, где температуру в карбонизационной печи поддерживают на уровне 250°C±10°C, скорость повышения температуры в карбонизационной печи поддерживают на уровне 15°C/мин, а время удерживания исходных материалов биомассы в печи поддерживают на уровне 50 мин.
5. Способ по п.1 или 2, где содержание порошкообразного древесного угля в угольной суспензии составляет 60-65 масс.%.
6. Система газификации для получения синтез-газа из биомассы пиролизом с использованием способа по любому из пп.1-6, включающая
а) секцию предварительной обработки исходного материала биомассы;
b) карбонизационную печь;
c) печь для газификации;
d) соединительный трубопровод для карбонизационной печи и печи для газификации; и
e) пневматическую транспортирующую систему;
где
верхняя часть карбонизационной печи (4) соединена с циклонным сепаратором (5);
выводной конец циклонного сепаратора (5) соединен со слоем (7) сгорания и бункером (12) для хранения древесного угля;
выводной конец слоя (7) сгорания соединен с теплообменником (9) для нагрева повторно используемого пиролитического газа;
выход для нагретого пиролитического газа соединен с карбонизационной печью (4); и
выход дымохода для отработанного дымового газа, отдавшего тепло, соединен с системой (2) сушки.
7. Система газификации по п.6, где охлаждаемый водой шнековый конвейер (11) расположен в трубопроводе от выхода угля из карбонизационной печи (4) до бункера (12) для хранения древесного угля, а охлаждаемый водой шнековый конвейер (11) используется для охлаждения древесного угля на выходе древесного угля из карбонизационной печи до 60-280°C, а затем для подачи охлажденного древесного угля в бункер (12) для хранения древесного угля.
8. Система газификации по п.6 или 7, где мельница (13), емкость (16) для угольной суспензии и насос (17) высокого давления для угольной суспензии расположены последовательно на трубопроводе от выхода из бункера (12) для хранения древесного угля до печи (20) для газификации.
9. Система газификации по п.6 или 7, где входная труба для подачи газа в слой (7) сгорания соединена с воздуховодом (6), а воздух используется как поддерживающий горение газ.
| CN 1931959 A, 21.03.2007; | |||
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА ИЗ БИОМАССЫ | 2004 |
|
RU2336296C2 |
| Устройство для сигнализации о дефектах изоляции проводов | 1940 |
|
SU62926A1 |
| CN 101294092 A, 29.10.2008; | |||
| CN 101407313 A, 15.04.2009 | |||
| Станок для закручивания сверл | 1922 |
|
SU6671A1 |
| Прибор для определения фильтрационных свойств глинистых грунтов | 1986 |
|
SU1449907A1 |
