СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПОДАЧИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ И ЭКСПЛУАТИРУЮЩАЯ ЕЕ УСТАНОВКА Российский патент 2015 года по МПК C10J3/80 C10J3/20 C01B3/32 B01J7/00 B01J23/00 

Изобретение относится к способу подачи тепловой энергии из системы термообработки сырья. Оно относится также к системе, осуществляющей такой способ, и к установке термообработки сырья, включающей указанную систему.

Термообработка влажного и/или сухого сырья или произведенных продуктов для сушки/обезвоживания и/или для получения особых характеристик хорошо известна и предусматривается различными промышленными производителями.

Термообработка влажных материалов требует, с одной стороны, потока газа для обработки, называемого также газом-теплоносителем, и, с другой стороны, требует тепловой энергии для осуществления обработки, причем указанная тепловая энергия передается сырью, которое требуется обработать, благодаря потоку обрабатывающего газа.

Наиболее широко используемыми потоками обрабатывающего газа являются горячий воздух, газы неполного сгорания, водяной пар или любой нагревающий газ, не имеющей иной цели, чем перенести и передать свою тепловую мощность обрабатываемой среде. Диоксид углерода, CO₂, был целью таких важных разработок, как теплоноситель для термообработки углеродсодержащих материалов, благодаря таким его свойствам, как химическая стабильность и нейтральность по отношению к большинству обрабатываемых сред, и благодаря особым взаимодействиям, которые возникают естественным образом, с углеродсодержащими материалами, особенно, когда углеродсодержащие материалы являются влажными, в особых условиях для таких взаимодействий: температура, давление, степень насыщения водяного пара и т.д.

Тепловая энергия, требуемая для обработки сырья, обеспечивается средствами, обычно известными как "теплоносители". Указанные способы и системы термообработки зависят от внешнего снабжения тепловой энергией.

В последние несколько лет было разработано много способов термообработки сырья, чтобы одновременно создавать нагревающий газ, как CO₂, и теплоту, требуемую для обработки, из сухих материалов, содержащих углерод, путем их сжигания с чистым кислородом. С другой стороны, указанное сжигание с кислородом производит поток газообразного CO₂ и тепловую энергию, необходимую для осуществления термообработки.

Однако эти способы и системы зависят, в свою очередь, от непрерывного потока кислорода.

Таким образом, современные способы и системы зависят:

- от непрерывной внешней подачи тепловой энергии, требуемой для обработки,

- или от непрерывной внешней подачи кислорода, требуемого для сжигания с чистым кислородом.

Однако эти способы и системы требуют много энергии и отрицательно влияют на окружающую среду.

Одной целью настоящего изобретения является устранить указанные недостатки.

Другой целью изобретения является предоставить способ и систему для снабжения системы термообработки сырья, потребляющие меньше энергии.

Другой целью настоящего изобретения является предложить способ и систему подачи для системы термообработки, позволяющие освободить указанную систему от поддержания непрерывного внешнего снабжения.

Наконец, целью изобретения является предложить способ и систему подачи для системы термообработки, снижающие негативное влияние такой системы на окружающую среду.

Изобретение позволяет достичь указанных целей посредством способа подачи тепловой энергии в систему термообработки сырья, причем указанный способ содержит по меньшей мере один цикл следующих стадий:

- газификация в первом реакторе, так называемом реакторе газификации, сухого сырья, содержащего углерод, потоком газифицирующего газа, содержащего СО₂ при высокой температуре и кислород О₂, причем указанная газификация дает первый газовый поток, содержащий CO₂, молекулы моноксида углерода (СО) и молекулярного водорода (H₂) и, возможно, водяной пар (H₂О_г);

- окисление во втором реакторе, так называемом реакторе окисления, носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО), указанных молекул моноксида углерода (СО) и молекулярного водорода (H₂), присутствующих в указанном первом газовом потоке, причем указанное окисление дает второй газовый поток при высокой температуре, содержащий CO₂ и водяной пар (Н₂O_г), и носители кислорода в восстановленном состоянии (Me);

- активация в третьем реакторе, так называемом реакторе активации, указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии газовым потоком, содержащим элементарный кислород, причем указанное окисление обеспечивает доступ кислорода в окисленном состоянии и избыток тепловой энергий;

- подача части тепловой энергии указанного второго газового потока и/или указанного избытка тепла с указанной активации в указанную систему термообработки сырья; и

- повышение температуры потока газифицирующего газа по меньшей мере одной частью избыточного тепла с активации носителей кислорода для повышения температуры указанного потока газифицирующего газа до температуры газификации.

В настоящем описаний раскрыты:

- поток газифицирующего газа означает поток газообразного СО₂, используемый для газификации высушенного сырья;

- поток обрабатывающего газа означает газовый поток, используемый системой термообработки для проведения термообработки сырья; и

- перенесенный поток обрабатывающего газа означает поток обрабатывающего газа на выходе обрабатывающей системы, полученный после обработки загрузки сырья.

На этой стадии описания газификация сухого сырья осуществляется с подачей чистого кислорода, таким образом, способ по изобретению все же зависит от источника O₂, необходимого для потребностей в тепле указанной газификации. Далее будет подробно рассмотрено, как предлагаемые изобретением система и способ освобождаются от зависимости от внешнего подвода кислорода.

С другой стороны, помимо сухого сырья способ по изобретению не требует непрерывного подвода тепловой и/или электрической мощности от внешнего источника энергии. Единственная внешняя энергия, потребляемая в способе по изобретению, есть тепловая и/или электрическая энергия, требующаяся для пуска этапа газификации в самом начале процесса. После начала газификации способ по изобретению позволяет подать достаточно энергии для осуществления всех стадий процесса. Таким образом, как будет подробнее поясняться ниже в описании, тепло второго газового потока достаточно, чтобы снабжать систему термообработки тепловой энергией. Энергия, имеющаяся в теплосодержании второго газового потока, и тепловая энергия, даваемая активацией носителей кислорода, достаточна, чтобы довести поток газифицирующего газа до температуры газификации. Всю энергию, необходимую для повышения температуры указанного потока газифицирующего газа, фактически можно получить от дополнительного тепла, обеспечиваемого подачей кислорода (O₂) в реактор газификации. Указанная подача ограничена дополнительными потребностями в тепле, каждая молекула O₂ окисляет две молекулы водорода (Н₂) и/или атомы С, давая две молекулы H₂O и/или две молекулы СО (или ту и другую в зависимости от начального состава углеродсодержащего сырья), генерируя таким образом тепловую энергию, полезную для реакции в способе по изобретению. Затем можно провести новую стадию газификации, и таким образом, новый цикл стадий процесса.

В одном особенно предпочтительном варианте осуществления поток обрабатывающего газа, используемый обрабатывающей системой, может содержать, по меньшей мере частично, второй газовый поток, содержащий CO₂ (выделенный по меньшей мере частично из водяного пара, который его содержит). В этом варианте осуществления подача по меньшей мере одной части тепловой энергии в систему термообработки может включать в себя подачу по меньшей мере одной части второго газового потока в систему термообработки сырья. В таком случае второй газовый поток представляет собой средства переноса тепловой энергии в систему термообработки.

В этом первом варианте осуществления способ по изобретению снабжает систему термообработки не только тепловой энергией, но также газовым потоком для обработки.

Во всех случаях в первом варианте осуществления способ по изобретению может включать этап снижения температуры указанной части второго газового потока, подаваемого в систему термообработки, перед его использованием как поток обрабатывающего газа.

Снижение температуры можно осуществить путем теплообмена или смешением с газовым потоком, содержащим холодный CO₂.

Во всех случаях в первом варианте осуществления способ по изобретению может содержать этап регулирования концентрации CO₂ во втором газовом потоке перед его использованием в качестве потока обрабатывающего газа в системе термообработки. Регулирование концентрации СО₂ во втором газовом потоке можно проводить путем смешения последнего с некоторым количеством чистого, холодного (≤20°С) и сухого CO₂ в требуемых пропорциях.

В этом первом варианте осуществления способ по изобретению может включать рециркуляцию по замкнутому контуру по меньшей мере одной части СО₂, присутствующего в потоке термообрабатывающего газа, на вход системы термообработки, образуя, по меньшей мере в части, поток газифицирующего газа, причем указанная рециркуляция в замкнутом контуре включает этап разделения CO₂ и водяного пара, присутствующего в указанном насыщенном потоке обрабатывающего газа.

Указанная рециркуляция позволяет использовать, по меньшей мере частично, один и тот же газовый поток CO₂ одновременно как поток газифицирующего газа и как поток газа для обработки и регулирования указанного потока обрабатывающего газа.

Позднее в настоящем описании будет показано, что указанный газовый поток CO₂ может с выгодой обеспечиваться газификацией.

Во втором варианте осуществления подача по меньшей мере одной части тепловой энергии в обрабатывающую систему может включать передачу тепловой энергии потоку термообрабатывающего газа. В этом случае теплоперенос может быть осуществлен в теплообменниках, которые известны специалисту в данной области.

Во всех случаях в этом втором варианте осуществления способ по изобретению может включать возврат в замкнутом контуре по меньшей мере одной части CO₂ во второй газовый поток, чтобы образовать указанный поток газифицирующего газа.

Рециркуляция может включать этап разделения CO₂ и водяного пара, присутствующего во втором газовом потоке, системами, которые известны специалисту в данной области.

Предпочтительно активация носителей кислорода в восстановленном состоянии может включать окисление указанных носителей в восстановленном состоянии заранее нагретым атмосферным воздухом.

В первом варианте осуществления предварительный нагрев атмосферного воздуха предпочтительно может включать передачу тепловой энергии от насыщенного потока термообрабатывающего газа, проводимую на выходе системы термообработки, в указанный атмосферный воздух после термообработки.

Во втором варианте осуществления предварительный нагрев атмосферного воздуха может предпочтительно включать передачу тепловой энергии от второго газового потока на входе второго реактора в указанный атмосферный воздух.

В случае первого варианта осуществления передача тепловой энергии от насыщенного потока термообрабатывающего газа, проводимая на выходе системы, в указанный атмосферный воздух осуществляет разделение CO₂ и водяного пара, присутствующих в указанном потоке термообрабатывающего газа.

В случае второго варианта осуществления передача тепловой энергии от второго газового потока на указанный атмосферный воздух осуществляет разделение CO₂ и водяного пара, присутствующих в указанном втором газовом потоке.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается система подачи тепловой энергии для системы термообработки сырья, содержащая:

- первый реактор газификации сырья, содержащего сухой углерод (MPCS), потоком газифицирующего газа, содержащего CO₂ при высокой температуре и добавление кислорода (O₂), обеспечивающее возможное дополнение тепла, полезное для реакции газификации, причем указанный реактор дает первый газовый поток, содержащий CO₂, молекулы моноксида углерода (СО), молекулярный водород (Н₂) и, в конечном счете, водяной пар (Н₂O_г);

- второй реактор окисления носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО) указанных молекул моноксида углерода (СО) и молекулярного водорода (Н₂), присутствующих в указанном первом газовом потоке, причем указанный второй реактор дает второй газовый поток (DFG) при высокой температуре, содержащий CO₂ и водяной пар (Н₂O_г), и носители кислорода в восстановленном состоянии (Me);

- третий реактор активации указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии газовым потоком, содержащим элементарный кислород, причем указанный реактор дает носители кислорода в окисленном состоянии и избыток тепловой энергии;

- средства подачи по меньшей мере части тепловой энергии указанного второго газового потока и/или указанного избыточного тепла с указанной активации в указанную систему термообработки сырья; и

- средства повышения температуры указанного потока газифицирующего газа по меньшей мере одной частью избыточного тепла с активации носителей кислорода для повышения температуры указанного потока газифицирующего газа до температуры газификации.

С другой стороны, система может содержать механические средства транспортировки носителей кислорода из второго реактора в третий реактор и/или из третьего реактора во второй реактор.

Преимущественно, система согласно изобретению может содержать схему возврата в замкнутый контур по меньшей мере части CO₂, присутствующего во втором газовом потоке, как поток газифицирующего газа, причем указанная схема рециркуляции содержит средства разделения CO₂ и водяного пара.

В особенно предпочтительном варианте системы согласно изобретению контур рециркуляции охватывает, по меньшей мере опосредовано, второй реактор, систему термообработки, средства отделения CO₂ от водяного пара, средства повышения температуры потока газифицирующего газа и первый реактор.

Согласно другому аспекту изобретения предлагается система термообработки сырья, включающая предлагаемую изобретением систему энергоснабжения и газовый поток обработки (FGT).

Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается установка для термообработки сырья, содержащая систему термообработки сырья и систему энергоснабжения указанной системы термообработки согласно изобретению.

Другие преимущества и характеристики выявятся из анализа подробного описания неограничивающих вариантов осуществления и из приложенных фигур, где:

фигура 1 схематически показывает первый вариант установки согласно изобретению; и

фигура 2 схематически показывает второй вариант установки согласно изобретению.

Фигура 1 схематически показывает один предпочтительный вариант установки согласно изобретению.

Установка 100 включает систему 102 подачи тепловой энергии для установки 104 термообработки.

Система подачи 102 содержит реактор газификации 106, реактор окисления 108 и реактор активации 110 носителей кислорода.

Реактор газификации 106 содержит (не показано) камеру подачи углеродсодержащего материала MPCS под контролем СО₂. Эта питающая камера контролируется CO₂, чтобы предотвратить доступ воздуха в реактор газификации 106 и гарантировать герметичность указанного реактора газификации. Она содержит питающее отверстие (не показано) и устройство ввода (не показано) углеродсодержащего материала MPCS в реактор газификации.

Реактор газификации 106 снабжается, с одной стороны, сухим сырьем, содержащим углерод, MPCS, 112 и, с другой стороны, потоком газифицирующего газа FGG, содержащего CO₂ при температуре 1000°С или выше. В конечном счете дополнительное тепло может создаваться в центре реакции газификации в результате введения кислорода (O₂) в поток газифицирующего газа FGG. Каждый моль этого введенного кислорода окисляет в таком случае два моля H₂ и/или два моля С, создавая соответствующую тепловую энергию в ядре реактора газификации. Указанное возможное дополнение позволяет контролировать терморегулирование реакции в указанном реакторе газификации и увеличивать выход реакции, повышая конечную выработку энергии и производительность реакции в способе по изобретению.

В реакторе газификации 106 сухое углеродсодержащее сырье, MPCS, приводится в контакт с потоком газифицирующего газа FGG, поддерживающим углеродсодержащее сырье при высокой температуре, примерно 1000-1100^оС. При этой температуре взаимодействие между CO₂ и сухим углеродсодержащим сырьем полное. Термическая реакция является бурной и мгновенной. Углеродсодержащее сырье MPCS реагирует с молекулярным кислородом О этого же углеродсодержащего сырья M.PCS, образуя моноксид углерода СО, согласно реакции:

Остальные атомы углерода в сухом углеродсодержащем сырье MPCS доводятся до входной температуры химически активного CO₂. При этой температуре они предпочтительно являются окислителями-восстановителями и реагируют с CO₂ по следующей реакции, называемой "равновесиями BOUDOUART", при 1000^оС.

Газовая смесь, называемая первым газовым потоком PFG, выходящая из реактора газификации 106, имеет температуру ≥900^оС. Она состоит из:

- СО, полученного пиролизом сухого углеродсодержащего сырья (MPCS) и конверсией "реакционноспособного CO₂" в СО (посредством остаточных атомов углерода при температуре, оптимальной для его окислительно-восстановительных свойств);

- Н₂, выделяемого при разложении молекул сухого углеродсодержащего сырья (MPCS), создаваемом пиролизом, генерируемым "реакционноспособным CO₂" при температуре 1000-1100^оС;

- паров Н₂О_г, получаемых вынужденным окислением Н₂, используемых для дополнительного тепла, требуемого для пиролиза указанного сухого углеродсодержащего сырье (MPCS);

- возможно, избытка CO₂ из потока газифицирующего газа FGG. Избыток CO₂ является теплоносителем, который может применяться как дополнение к "реакционноспособному СО₂", при необходимости подачи тепловой энергии для газификации и эндотермической реакции BOUDOUART. Этот первый газовый поток PFG находится при температуре 900°С или выше на выходе реактора газификации 106.

Затем первый газовый поток PFG вводится в реактор окисления 108. Этот реактор окисления 108 снабжается, с одной стороны, первым газовым потоком PFG, и с другой стороны, носителями кислорода в окисленном или активированном состоянии, обозначенном как МеО.

Активированные носители кислорода МеО окисляют молекулы моноксида углерода СО и молекулярный водород Н₂, присутствующие в первом газовом потоке PFG, согласно следующим реакциям:

, и

Указанное окисление проводится путем восстановления активированных носителей кислорода МеО в деактивированные носители кислорода Me, заменяя их кислород на молекулы газов СО и Н₂. Фактически, указанные молекулы являются в высшей степени окислительно-восстановительными и горючими при температуре на выходе реактора газификации 106, которая выше 900^оС.

Газообразная смесь, называемая вторым газовым потоком DFG, выходящая из реактора окисления 108, содержит:

- CO₂, полученный в результате реакции окисления молекул СО,

- CO₂, изначально присутствовавший в первом газовом потоке, и

- пары Η₂O_г, полученные в реакции окисления молекул Н₂.

Этот второй газовый поток DFG выходит из реактора окисления 108 при температуре 900^°С или выше и будет служить потоком обрабатывающего газа в системе термообработки.

Однако второй газовый поток DFG на входе в реактор окисления 108 находится при температуре ≥900°С. Поэтому он горячее, чем требуется для большинства операций термообработки, для которых он производится. Кроме того, он содержит примерно 34% водяного пара (эта степень относится к химическому составу MPCS вводимому в работу в реакторе газификации). Требуется быстро охладить этот газовый поток перед его вводом в зону термообработки системы 104, добавляя холодный и сухой СО₂, идущий с резервуара 114 кондиционирования CO₂.

Холодный и сухой СО₂ смешивают со вторым газовым потоком DFG в смесительном устройстве 116 в желаемых пропорциях, получая поток обрабатывающего газа FGT, отвечающий условиям указанной обработки.

Поток обрабатывающего газа FGT, состоящий из СО₂ и водяного пара, имеет в настоящем примере температуру 200^°С или ниже. Этот поток обрабатывающего газа подается в систему термообработки 104 сырья.

Система термообработки 104 дает на выходе насыщенный поток обрабатывающего газа FGTC, состоящий из потока обрабатывающего газа FGT и водяного пара, идущего с обработки сырья. Учитывая непрерывную выработку энергии и, как результат, непрерывное образование CO₂, эквивалентная часть потока обрабатывающего газа FGT должна удаляться. Эта эквивалентная часть потока обрабатывающего газа FGTC удаляется на выходе системы термообработки 104. Этот СО₂ может быть затем выпущен в атмосферу без вреда для окружающей среды, так как он образован из возобновляемых материалов; кроме того, основная энергия, генерированная в способе/системе согласно изобретению, не образует или не выбрасывает опасного СО₂. Указанный СО₂ можно также повторно использовать в других приложениях после удаления влаги и/или таким, как есть в установке выращивания микроводорослей для производства сырьевой биомассы.

Возвращаемый насыщенный поток обрабатывающего газа FGTC подается в абсорбционную холодильную установку 118, как и поток атмосферного воздуха FA. Холодильная установка производит теплообмен между насыщенным потоком обрабатывающего газа FGTS и потоком атмосферного воздуха FA. Указанный теплообмен передает тепло от насыщенного потока термообрабатывающего газа FGTS в поток атмосферного воздуха FA. Указанный теплообмен позволяет достаточно охладить насыщенный поток термообрабатывающего газа FGTS, чтобы сконденсировать водяной пар и разделить СО₂ и водяной пар. На выходе холодильная установка дает жидкую воду Н₂О_г, поток воздуха FAR, предварительно нагретого до температуры, соответствующей стадии термообработки, причем конечная температура обработка составляет 30^оС, а для сухой древесины она может доходить до 130^°С и выше (выше 300^°С, если это процесс высокотемпературной обработки), а также поток возвращаемого CO₂, обозначенный FCO₂.

Поток предварительно нагретого воздуха FAR подается в реактор активации 110 для деактивированных носителей кислорода. Указанный реактор 110 получает также деактивированные носители кислорода (т.е. в восстановленном состоянии) Ме из реактора окисления 108. Эти деактивированные носители кислорода Me приводятся в контакт с потоком предварительно нагретого атмосферного воздуха FAR. Молекулы кислорода O₂, присутствующие в потоке разогретого атмосферного воздуха FAR, окисляют (активируют) деактивированные носители кислорода согласно следующей реакции:

Когда носители кислорода активированы, их можно подавать в реактор окисления 108 для осуществления нового окисления.

Реактор активации 110 дает на выходе активированные носители кислорода МеО, которые будут подаваться в реактор окисления 108, и поток FAA горячего воздуха, бедный кислородом. Такой бедный кислородом поток воздуха FAA все еще является горячим и может использоваться средствами теплообмена (не показаны) для кондиционирования потока обрабатывающего газа FGT и/или для предварительного нагрева возвращаемого потока CO₂, обозначенного FCO₂, перед его введением в теплообменник Е1 реактора активации 110.

Так как реакция окисления носителей кислорода очень экзотермическая, в реакторе активации 110 создается большой избыток тепловой энергии, соответствующий более 85% внутреннего энергетического потенциала отработанного MPCS.

Это избыточное тепло отбирается первым теплообменником Е1, на который подается часть возвращаемого потока CO₂, обозначенного FCO₂ (холодного или подогретого потоком FAA в непоказанном теплообменнике). Указанный CO₂ нагревается в теплообменнике Е1 до температуры 1000°С или выше. Газовый поток СО₂, полученный на выходе указанного теплообменника Е1, используется как поток газифицирующего газа FGG.

Другая часть потока холодного CO₂ (≤20^оС) FCO₂ используется для подачи в резервуар 114 кондиционирования CO₂.

Избыточное тепло, созданное в реакторе активации 110, также отбирается во втором теплообменнике, позволяя поднять температуру теплофикационного газового потока FGG, служащего для создания термодинамического потенциала в форме водяного пара высокого давления и высокой температуры для когенерации механической энергии и/или электричества в системе 120, которая может содержать турбогенератор.

С другой стороны, система подачи содержит механическое устройство 130, позволяющее транспортировать носители кислорода из реактора окисления 108 в реактор активации 110 и наоборот.

Фигура 2 схематически показывает второй вариант установки согласно изобретению.

Установка 200, показанная на фигуре 2, содержит все элементы установки 100, показанной на фигуре 1.

С другой стороны, установка 200 включает в себя биореактор 202, содержащий микроводоросли.

Часть CO₂, присутствующего в насыщенном потоке обрабатывающего газа FGTS, охлаждается и нагнетается в биореактор 202. В биореакторе 202 для выращивания водорослей диоксид углерода CO₂ используется для фотосинтеза, осуществляемого микроводорослями. Фотосинтез, с одной стороны, производит биомассу ВС, содержащую углерод, а с другой стороны, поток газообразного кислорода FO₂ в результате разделения на элементарный углерод <С> и молекулярный кислород <O₂>.

Полученная карбонизированная биомасса ВС подается в систему 204 кондиционирования биомассы, которая может представлять собой:

- систему экстракции эфирных масел из микроводорослей с высоким содержанием липидов и молекул фармацевтической направленности, используемых в фармакопее, и/или углеводородов для рафинирования; в конце этой экстракции примерно 30% биомассы остается в форме углерода, который можно вернуть в газификатор 106;

- или, например, сушильную установку для кондиционирования перед введением в реактор газификации 106.

Поток газообразного кислорода FO₂ можно подавать в систему согласно изобретению, например, на уровне реактора газификации 102, чтобы дополнить газификацию углеродсодержащего материала в реакторе 102. Таким образом, достигается автономность процесса, делая его свободным от внешних носителей кислорода (как тепловые установки).

Предпочтительно выработка карбонизированной биомассы в этом втором варианте осуществления повышает производительность в целом.

Далее будет обсуждаться энергетический баланс способа по изобретению, применяющего установку 100, показанную на фигуре 1, взяв для примера загрузку 1 кг биомассы как сухого углеродсодержащего сырья MPCS. Средний химический состав 1 кг биомассы следующий:

- С≈50%: т.е. 0,500 кг на 1 кг MCPS, т.е. 41,67 моль.

Таким образом, теплосодержание равно 41,67×394 кДж/моль=16417, 98 кДж.

- O₂≈44%, т.е. 0, 440 кг на 1 кг MCPS, т.е. 13,75 моль O₂, соответственно 27,50 моль «О»; и

- Н₂≈6%, т.е. 0,060 кг на 1 кг MCPS, т.е. 29,76 моль.

Таким образом, теплосодержание равно 29,76×242 кДж/моль=7201,92 кДж,

т.е. внутренний энергетический потенциал:

16417,98+7201,92=23619,90 кДж, на выходе реактора газификации.

В соответствии с этим составом "эндогенная" газификация этого MCPS в реакторе газификации 106 будет создавать:

- 27,50 моль СО;

- 14,17 моль С; и

- 29,76 моль Н₂;

т.е. на 1 кг (MCPS/биомасса): 0,830 кг в форме газа и 0,170 кг в форме жидкого углерода, т.е. углерода биомассы.

Эти 14,17 моля углерода при температуре ≥1000°С будут реагировать с таким же количеством молей CO₂ и восстанавливать его с образованием 28,34 моль СО.

Термохимическая реакция CO₂+С=2СО является эндотермической согласно реакциям:

т.е. дефицит тепла составляет 172 кДж/моль CO₂, участвующего в этой реакции.

Наконец, состав первого газового потока следующий:

- 55,84 моль СО, таким образом, полезная тепловая энергия для удовлетворения эндотермических потребностей равна:

- 14,17 моль СО₂×172 кДж/моль=2437,24 кДж + (теплосодержание MCPS и реакционноспособного СО₂, использующееся для газификации и конверсии = 1786,14 кДж);

- 29,76 моль Н₂;

причем потребность в энергии на газификацию составляет:

2437,24+1786,14 кДж=4223,38 кДж.

Молекулярные взаимодействия в этой пиролитической среде считаются бестепловыми. Экзотермическое окисление с молекулярным кислородом компенсирует экзотермический крекинг молекул системы. Эта реакция должна рассчитываться на теплоноситель и общий теплообмен, дающий полезную мощность, по термочувствительности к достижению температуры указанного пиролиза. Роль теплоносителя заключается также в подаче энергии для компенсации эндотермичности (и кислорода) для реакции атомов углерода, которые не находят этот кислород в молекулярном составе своей среды. Полный баланс реакций в этом реакторе газификации эндотермический.

Подача тепла, используемого для протекания указанных реакций, равна 4223,38 кДж на 1 кг (MCPS/биомасса).

Если указанный газовый поток FGG состоит ровно из 14,17 моль СО₂, используемого в реакции конверсии, при его переносе в реактор активации 110 он имеет температуру выше 1000°С, т.е. извлеченное теплосодержание составляет всего 574,344 кДж.

Таким образом, 4233,38-574,344=3649,036 кДж тепловой мощности теряется для реакции в реакторе газификации 106.

Как будет видно из ряда иллюстраций, имеющаяся энергия (генерированная в цепи реакции) достаточна, чтобы дать такую тепловую мощность. С другой стороны, это приводит к переносу такой энергии от источника в реактор газификации 102. Для этого требуется добавка возвращаемого CO₂ (в таком случае используется внешняя подача, чтобы запустить процесс).

Для создания такой тепловой энергии можно осуществить ввод O₂ с потоком газифицирующего газа FGG на входе активной фазы в реактор газификации 106.

В пиролитической среде согласно изобретению, находящейся при температуре 1000-1100^оС, молекулярный водород реагирует сначала с доступным кислородом, и способ по изобретению (в этом случае) дает 29,762 моль Н₂, т.е. полное теплосодержание равно: 7202,404 кДж.

Если выбрана эта опция, затем потребуется 15,079 моль водорода, чтобы произвести недостающую тепловую мощность. Каждый введенный моль O₂ будет реагировать с двумя молями водорода, давая два моля H₂O, таким образом, затем потребуется 7,54 моль O₂, чтобы компенсировать нехватку тепловой мощности, необходимой для этой реакции. Остается 14,863 моль Н₂, которые будут реагировать с СО, давая цепь реакций в реакторе окисления 108.

На выходе реактора окисления

Теплосодержание 14,683 моль Н₂ равно:

14,683×242 кДж/моль=3553,286 кДж; и

теплосодержание 55,84 моль СО равно:

55,84×283 кДж/моль=15802,72 кДж.

Окисление СО и Н₂, присутствующих в первом газовом потоке PFG, идущем из реактора окисления 106, является экзотермическим: 15802,72+3553,286=19356,008 кДж.

Например, когда носителем кислорода является NiO (NiO в активном состоянии и Ni в неактивном состоянии), требуется 70523 моль МеО, чтобы окислить 55,84 моль СО и 14,683 моль Н₂. Восстановление 70,523 моль МеО в 70,523 моль Me, если взять, к примеру, восстановление NiO в Ni, является эндотермическим:

70,523 моль × 244,30 кДж/моль=17066,566 кДж.

Наконец, тепловой баланс реакции в реакторе окисления является экзотермическим и создает 2289,442 кДж.

Второй газовый поток DFG, выходящий из реактора окисления, состоит из CO₂, образованного в реакции, плюс, возможно, избыток нагретого CO₂+водяной пар, образованный при окислении Н₂, т.е.:

- 2,457 кг CO₂ из реакции (55,84 моль, 1,252 Нм³) +

- 0,536 кг Н₂О₂ из реакций (29,76 моль, 0, 667 Нм³),

- т.е. 22% по массе и 53% по объему.

Этот второй газовый поток DFG находится при температуре ≥900°С и имеет значительный тепловой потенциал: 3573,083 кДж теплосодержания +2228,951 кДж энтальпии 29,762 молей паров (Н₂О_г), которые должны конденсироваться в жидкую H₂O, т.е.: 5802,034 кДж.

Эта тепловая энергия используется в теплообменной системе 116 для создания потока обрабатывающего газа FGT. Указанный поток обрабатывающего газа FGT содержит в основном:

- часть второго газового потока DFG, который должен сохраняться после обмена его тепловой мощности в указанном теплообменнике 116 с холодным и сухим CO₂ (идущим из буфера 114), который был частично обезвожен во время указанного теплообмена;

- часть сухого CO₂, поступающего из буфера 114, который будет служить носителем холода в теплообменнике 116, будет использоваться для кондиционирования указанного потока обрабатывающего газа FGT (согласно требованиям обезвоживания и охлаждения, причем указанный сухой CO₂ из буфера 114 может находиться в избытке; затем избыток снова вводят в охлаждающую систему 118 для повторного использования).

Указанный поток обрабатывающего газа FGT будет затем доведен до температуры, требуемой для обработки сырья (рабочая температура: от 30 до ≥300°С и выше для высокотемпературной обработки), и его остаточная влажность будет минимальной.

К этому этапу системы и способа по изобретению тепловой баланс уже положительный:

- 4223,38 кДж подачи тепла на реакции в реакторе газификации на 1 кг (MPCS/биомасса);

+2289,442 кДж экзотермическая реакция в реакторе окисления первого газового потока ("топливо");

+5802,034 кДж теплосодержания, доступного для второго газового потока DFG, выходящего из реактора окисления.

Таким образом, положительный итог на 1 кг использованной биомассы MPCS:

2289,442 кДж+5802,034=8091,476-4223,38 кДж=3868,096 кДж

На выходе реактора активации

Реактивация Me в МеО является экзотермической: 244,30 кДж/моль.

В примере имеем 70,523 моль Me на кг MPCS использованной биомассы. Рассматривая тепловую энергию, генерированную в этом реакторе активации: +17228,769 кДж/кг MPCS использованной биомассы.

Газификация CO₂ получит свою тепловую мощность из теплообменника Е1 (т.е. 4223,38 кДж/кг MPCS, учитывая предыдущий баланс.

Окончательный баланс энергии реакций и обменов в системе/способе по изобретению дает:

3868,096+17228,769=21096,865 кДж/кг MCPS.

Учитывается также 89% энергетического потенциала сырья.

Вся эта энергия доступна для применения и получения потребляемой мощности для системы и способа по изобретению.

Эта доступная мощность будет отбираться, чтобы позволить обработку сырья в системе термообработки. Большая часть этой энергии является избыточной и может использоваться для совместной генерации тепловой и электрической энергии, используемой для соответствующих приложений, будь то механическая и/или превращенная в электричество.

В настоящем изобретении система термообработки сырья может быть системой:

-> сушки:

• любого сырья, которое должно обезвоживаться и/или дегидратироваться перед применением в производственном процессе;

• любого сырья и/или произведенного продукта, который будет сушиться перед применением и/или кондиционированием;

-> термообработки:

• любого сырья, чувствительного (по его составу) к взаимодействию с СО₂, и которое должно подвергаться как можно более однородному теплорассеянию и/или теплорассеянию при высоких температурах (до 1000/1100°С и выше, в зависимости от требуемых взаимодействий, путем нагрева СО₂ при оптимальной кинетике) до его применения в производственном процессе;

• любого сырья и/или произведенного продукта, который должен подвергаться термообработке (любым термохимическим и/или термофизическим модификациям/нейтрализациям перед применением и/или кондиционированием).

Изобретение не ограничено описанными примерами.

Изобретение относится к подаче тепловой энергии и может быть использовано в химической промышленности и газификации. Способ подачи тепловой энергии в систему термообработки (104) сырья включает: газификацию сухого сырья в первом реакторе (106) потоком газифицирующего газа (FGG) с получением первого газового потока (PFG); окисление во втором реакторе (108) с получением второго газового потока (DFG); активацию в третьем реакторе носителей кислорода с получением избытка тепловой энергии; подачу части тепловой энергии указанного второго газового потока (DFG) и/или избыточного тепла с активации носителей кислорода в систему (104) термообработки сырья; и повышение температуры потока газифицирующего газа (FGG) по меньшей мере одной частью избыточного тепла с активации носителей кислорода для повышения температуры указанного потока газифицирующего газа (FGG) до температуры газификации. Изобретение позволяет снизить энергопотребление, негативное влияние на окружающую среду, а также исключить непрерывное внешнее снабжение. 4 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подачи тепловой энергии в систему термообработки (104) сырья, причем указанный способ включает в себя следующее:
- газификацию в первом реакторе (106), так называемом реакторе газификации сухого сырья, содержащего углерод (MPCS), потоком газифицирующего газа (FGG), содержащего СО₂ при высокой температуре и кислород (O₂), причем указанная газификация дает первый газовый поток (PFG), содержащий в основном молекулы монооксида углерода (СО), молекулярный водород (Н₂) и, в конечном итоге, водяной пар (Н₂O)_г;
- окисление во втором реакторе (108), так называемом реакторе окисления носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО) указанных молекул моноксида углерода (СО) и молекулярного водорода (Н₂), присутствующих в указанном первом газовом потоке (PFG), причем указанное окисление дает второй газовый поток (DFG) при температуре от 900°С до 1100°С, содержащий CO₂ и водяной пар (Н₂О)_г, и носители кислорода в восстановленном состоянии (Me);
- активацию в третьем реакторе, так называемом реакторе активации указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии газовым потоком (FAP), содержащим элементарный кислород, причем указанное окисление дает носители кислорода в окисленном состоянии (МеО) и избыток тепловой энергии;
- подачу части тепловой энергии указанного второго газового потока (DFG) и/или указанного избытка тепла с указанной активации в указанную систему (104) термообработки сырья; и
- повышение температуры потока газифицирующего газа (FGG) по меньшей мере одной частью избыточного тепла с активации носителей кислорода для повышения температуры указанного потока газифицирующего газа (FGG) до температуры газификации.

2. Способ по п. 1, отличающийся подачей по меньшей мере одной части тепловой энергии в систему термообработки (104), включающий подачу по меньшей мере одной части второго газового потока (DFG) в систему термообработки (104) сырья для применения в качестве потока термообрабатывающего газа (FGT).

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что он включает снижение температуры указанной подачи по меньшей мере одной части второго газового потока (DFG) до его использования в качестве потока обрабатывающего газа (FGT).

4. Способ по любому из пп. 2 или 3, отличающийся наличием замкнутого контура, возвращающего по меньшей мере одну часть CO₂, присутствующего в насыщенном газовом потоке термообработки (FGTC) на выходе системы термообработки (104); чтобы образовать по меньшей мере часть указанного потока газифицирующего газа (FGG), причем указанный возврат в замкнутый контур включает этап разделения СО₂ и водяного пара (Н₂О)_г, присутствующих в указанном насыщенном потоке обрабатывающего газа (FGTC).

5. Способ по п. 1, отличающийся подачей по меньшей мере одной части тепловой энергии в систему термообработки (104), включающий передачу тепловой энергии на поток термообрабатывающего газа.

6. Способ по п. 5, отличающийся наличием возврата в замкнутый контур по меньшей мере части CO₂ из второго газового потока (DFG) для образования указанного потока газифицирующего газа.

7. Способ по любому одному из пп. 1, 2, 3, 5 или 6, отличающийся активацией носителей кислорода в восстановленном состоянии (Me), включающий окисление указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии (Me) заранее нагретым атмосферным воздухом (FAP).

8. Способ по п. 7, отличающийся предварительным нагревом атмосферного воздуха, включающий передачу тепловой энергии от насыщенного потока термообрабатывающего газа (FGTC) на выходе из системы термообработки в указанный атмосферный воздух.

9. Способ по п. 4, отличающийся передачей тепловой энергии от насыщенного потока термообрабатывающего газа (FGTC) на выходе системы термообработки (104) в указанный атмосферный воздух (FA), проводя разделение CO₂ и водяного пара (Н₂O)_г, присутствующего в указанном насыщенном потоке термообрабатывающего газа (FGTC).

10. Способ по п. 8, отличающийся передачей тепловой энергии от насыщенного потока термообрабатывающего газа (FGTC) на выходе системы термообработки (104) в указанный атмосферный воздух (FA), проводя разделение CO₂ и водяного пара (Н₂O)_г, присутствующего в указанном насыщенном потоке термообрабатывающего газа (FGTC).

11. Система (102) подачи тепловой энергии в систему термообработки (104) сырья, причем указанная система содержит:
- первый реактор газификации (106) сырья, содержащего сухой углерод (MPCS), потоком газифицирующего газа (FGG), содержащего CO₂ при температуре от 900°С до 1100°С, причем указанный реактор (106) дает первый газовый поток (PFG), содержащий СО₂, молекулы монооксида углерода (СО), молекулярный водород (Н₂) и в конечном итоге водяной пар (Н₂О)_г;
- второй реактор окисления (108) носителями кислорода в окисленном состоянии (МеО) указанных молекул монооксида углерода (СО) и молекулярного водорода (Н₂), присутствующих в указанном первом газовом потоке (PFG), снабжая указанный второй реактор (108) вторым газовым потоком (DFG) при высокой температуре, содержащим CO₂ и водяной пар (Н₂О)_г, и носители кислорода в восстановленном состоянии (Me);
- третий реактор активации (110) указанных носителей кислорода в восстановленном состоянии (Me) газовым потоком (FAP), содержащим элементарный кислород, причем указанный реактор (110) дает носители кислорода в окисленном состоянии (МеО) и избыток тепловой энергии;
- средства регулирования температуры потока обрабатывающего газа (FGT), чтобы подать по меньшей мере часть тепловой энергии указанного второго потока (DFG) и/или указанное избыточное тепло с указанной активации в указанную систему термообработки 104 сырья; и
- средства (Е1) повышения температуры указанного потока газифицирующего газа (FGG) по меньшей мере одной частью избыточного тепла с активации носителей кислорода, чтобы довести указанный поток газифицирующего газа (FGG) до температуры газификации.

12. Система по п. 11, отличающаяся наличием механических средств транспортировки (130) носителей кислорода из второго реактора (108) в третий реактор (110) и/или из третьего реактора (110) во второй реактор (108).

13. Система по любому из пп. 11 или 12, отличающаяся наличием схемы возврата в замкнутый контур по меньшей мере части CO₂, присутствующего во втором газовом потоке (DFG), а также потоке газифицирующего газа FGG, причем указанный контур рециркуляции содержит средства (118) разделения СО₂ и водяного пара (Н₂O)_г.

14. Система по п. 13, отличающаяся контуром рециркуляции, соединяющим, по меньшей мере опосредованно, второй реактор (108), систему термообработки (104), средства (118) разделения СО₂ и водяного пара (Н₂О)_г, средства (Е1) повышения температуры потока газифицирующего газа (FGG) и первый реактор (106).

15. Система термообработки сырья, включающая систему энергоснабжения и газовый поток обработки (FGT) по любому из пп. 11-14.

16. Установка (100) для термообработки сырья, содержащая систему термообработки (104) сырья и систему энергоснабжения (102) указанной системы термообработки по любому из пп. 11-15.