УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОХИМИЧЕСКОЙ ГАРМОНИЗАЦИИ И ГАЗИФИКАЦИИ ВЛАЖНОЙ БИОМАССЫ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2015 года по МПК C10J3/26 C10J3/66 

Изобретение относится к устройству для термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей, и/или сухой биомассы для изготовления энергоносителя и/или сырьевого носителя посредством реактора карбонизации с подогревом, имеющего закрывающееся входное отверстие, в котором биомасса преобразовывается в твердый, наливной или газообразный энергоноситель и/или сырьевой носитель и выводится через закрывающееся выходное отверстие в охлаждающий резервуар, соединенный с реактором карбонизации для временного хранения энергоносителя и/или сырьевой носителя, который соединен с нижестоящим реактором газификации, в котором газ и отходы, такие как зола, отделяются от биомассы.

Уровень техники

Газификация биомассы широко известна. Под ней понимают процесс, при котором биомасса преобразовывается в получаемый газ или горючий газ посредством газификационного или окисляющего агента (как правило, воздуха, кислорода, двуокиси углерода или пара) с помощью неполного сгорания.

Посредством газификации биомасса, которая находится в виде твердого топлива, может преобразовываться в газообразное вторичное топливо, которое может более эффективно применяться в различных вариантах использования, например, для выработки электричества или в качестве топлива и топлива для двигателей внутреннего сгорания (горючего газа) или для использования в качестве синтез-газа для химического синтеза. Аналогичные процессы также существуют для других видов твердого топлива, в особенности для газификации угля (угольной газификации).

Газификация биомассы начинается после сушки при температуре приблизительно 150°C, когда первыми выделяются пар и кислород. При более высоких температурах сжигаются твердые составляющие биомассы. Этот газ воспламеняется, как только подается вторичный воздух; точка воспламенения составляет от 230°C до 280°C.

Промышленная газификация биомассы представляет собой неполное горение посредством газификационного или окисляющего агента (как правило, воздуха, кислорода, двуокиси углерода или пара) без воспламенения при температуре от 700°C до 900°C, при котором она окисляется не до двуокиси углерода (СО₂), как при горении, но, главным образом, до окиси углерода (СО). Кроме того, компонентами получающегося в результате газа являются водород (Н₂), двуокись углерода (CO₂), метан (СН₄), пар (H₂O) и некоторое количество остаточных газов и примесей, в зависимости от используемой биомассы. Остается сухой остаток (зола и кокс); более того, некоторые фракции генераторного газа могут конденсироваться при понижении температуры (деготь и вода).

Горючий получаемый газ может далее окисляться в последующем процессе посредством горения (горючий газ) или химического синтеза (синтез-газ) с выделением энергии (экзотермический процесс). Если газификация происходит с воздухом, получающийся в результате генераторный газ, разбавленный азотом, часто называют тощим газом (LCV, низкокалорийный газ).

Гидротермическая карбонизация (например: "водная карбонизация при повышенной температуре") представляет собой химический процесс для простого и высокоэффективного изготовления лигнита, синтез-газа, жидких прекурсоров нефти и гумуса из биомассы с выделением энергии. За несколько часов процесс технически повторяет образование лигнита ("обугливание"), которое в природе происходит за 50000 - 50 миллионов лет.

На сегодняшний день известен следующий рабочий процесс: биомасса, в особенности растительный материал, (для простоты представленный как сахар, с формулой С₆Н₁₂О₆, в следующем уравнении реакции) подогревается до 180°C вместе с водой в изохорном процессе в резервуаре под давлением. Давление может увеличиваться до 2 МПа. Во время реакции также образуются оксониевые ионы, которые понижают pH до pH 5 или ниже. При этом процессе углероды переходят в водную фазу и, таким образом, теряются. Эта энергия больше недоступна для рабочего процесса. Этот этап можно ускорить с помощью добавления небольшого количества лимонной кислоты. Необходимо иметь в виду, что при малых значениях pH в водную фазу переходит больше углерода. Протекающая реакция является экзотермической, т.е. выделяется энергия. Через 12 часов углерод продуктов извлечения преобразовывается полностью: 90 - 99% углерода находится в виде твердой фазы в качестве водного шлама пористых шариков лигнита (C₆H₂O), размер пор которых составляет от 8 до 20 нм; остальные 1 - 10% углерода либо растворяются в водной фазе, либо преобразовываются в двуокись углерода. Уравнение реакции для образования лигнита:

Реакцию можно прекращать на нескольких стадиях с неполным разложением воды, получая разные промежуточные соединения. При прекращении через несколько минут образуются жидкие промежуточные соединения, липофильные вещества, но манипулировать ими очень трудно в силу их высокой реактивности. Далее, эти вещества полимеризуются и образуют торфоподобные структуры, которые приблизительно через 8 часов становятся доступными в качестве промежуточных соединений.

Теоретически реакцию можно было бы катализировать определенными металлическими частицами, но они очень быстро присоединяться -к продуктам и утратят свою функцию.

Благодаря экзотермической реакции гидротермической карбонизации выделяется около 3/8 показателя калорийности биомассы по сухой массе (с высоким содержанием лигнина, смолы и/или нефти, по меньшей мере 1/4). При умелом управлении процессом было бы возможно, посредством этого отработанного тепла, изготавливать сухой биоуголь из влажной биомассы и факультативно использовать некоторую часть преобразованной энергии для выработки энергии.

Самым главным аспектом является то, что делается доступным простой способ для преобразования атмосферного СО₂ непрямым путем через биомассу в устойчивую, безвредную форму запасания, углеродную воронку. При использовании способа гидротермической карбонизации, равно как и других способов карбонизации биомассы, станет возможным децентрализованное долговременное хранение больших объемов углерода по всему миру. Это будет гораздо безопаснее жидкого или газообразного депонирования двуокиси углерода, которое обсуждается на сегодняшний день. При адекватной химической стойкости угля, его тоже можно очень эффективно использовать для мелиорации почвы.

Искусственно изготовляемый гумус можно применять для рекультивации нарушенных земель. Благодаря этому ускоренному росту растений можно связывать дополнительную двуокись углерода из атмосферы, так что конечным эффектом будет достижение эффективности углерода выше 1 или отрицательного баланса СО₂. Получающаяся в результате угольная суспензия может использоваться для горения или для работы с новейшими типами топливных элементов с продуктивностью 60%, которые на данный момент исследуют в Гарвардском университете. Для изготовления традиционных видов топлива смесь углерода/воды сначала нужно сильно нагреть, чтобы образовался так называемый синтез-газ, газовая смесь окиси углерода и водорода:

Альтернативно, жидкие промежуточные соединения, которые образуются во время неполной реакции биомассы, могут использоваться для изготовления топлива и пластмасс.

Кроме того, получающуюся в результате угольную суспензию можно брикетировать и сбывать как экологически безвредную - поскольку это нейтральная двуокись углерода - "натуральный уголь", который, в отличие от начальной биомассы, должно быть возможным посредством разделения/фильтрации/уплотнения сушить с меньшим потреблением энергии, и который, благодаря своему высокому содержанию энергии на единицу объема/массы, будет требовать меньших транспортных расходов и меньших складских площадей.

Главной проблемой при изготовлении синтез-газа из биомассы является образование дегтя, чего в значительной степени можно избежать при гидротермическом процессе. Однако тогда не очевидно, почему для этого следует избирать непрямой путь через биоуголь. В сверхкритических условиях, при 400°C и давлении, равном, по меньшей мере, 221,2 бар (критическая температура воды составляет 374°C), должно быть возможным расщеплять суспензию биомассы на CO₂ и Н₂, но это требует больших затрат энергии.

Проблемами, которые еще предстоит решить, являются проблемы со сбором, транспортировкой и хранением обсуждаемой биомассы и пригодное управление процессом. Эти операции также требуют энергии - которой должно быть меньше, чем выделяется при гидротермической карбонизации.

Наконец, каждому процессу горения биомассы предшествует процесс газификации, поскольку сама по себе биомасса не является горючей - по существу, горючими являются только газы, которые вырабатываются из биомассы.

При карбонизации биомассы в соответствии с текущим уровнем техники, такой как гидротермическая карбонизация НТС в водной или паровой среде, в реактор снаружи дополнительно подается вода или пар. Это означает существенные дополнительные расходы на сооружение и работу карбонизационной установки. Для обеспечения воды или пара и для нагрева воды требуется тепловая энергия. Утилизация или сброс технической воды после карбонизации представляет дополнительную операцию, которая влечет за собой значительные технические и финансовые издержки.

При известных процессах образуются газы и испарения. Это часто представляет дополнительную проблему, для решения которой необходимы технические средства и значительные дополнительные затраты.

Проблема, которую должно решить изобретение, заключается в получении более-менее всего углерода и газов из биомассы и простой и экономной их выработке.

Эта проблема решается согласно изобретению посредством

a) подачи внешней тепловой энергии в реактор карбонизации, который функционально соединен с нагревательным элементом, в частности окружен нагревательной рубашкой, и подачи дополнительной тепловой энергии, по меньшей мере, от одной установки, в особенности от реактора газификации, через дополнительный трубопровод,

b) подачи энергии охлаждения от охлаждающего резервуара на реактор газификации,

c) подачи влаги, в особенности воды, на охлаждающий резервуар, чтобы обеспечить по существу непрерывное протекание процесса,

d) подача реакционного газа от реактора карбонизации и/или охлаждающего резервуара в емкость для хранения газа, где реакционный газ повторно подается в реактор газификации.

Таким путем, углерод, в особенности уголь, для нагрева и для приводов и более того также газы получают из биомассы простым, экономным и энергосберегающим образом на оборудовании, которое легко установить, для использования различными потребителями, такими как газовые двигатели, газовые турбины и отопительные установки.

Способ согласно изобретению предпочтительно использует водосодержащую биомассу, которая, в основном, встречается в виде городских отходов, и от которой во многих случаях необходимо избавляться, неся большие расходы. Однако при этом способе также возможно использовать другую биомассу, от которой не надо избавляться как от остатков.

Для реализации способа используется, по меньшей мере, два реактора. Это с одной стороны реактор карбонизации, а с другой стороны реактор газификации.

Для сравнения, при описываемом здесь способе энергия, необходимая для выпаривания, обеспечивается посредством утилизации тепла, которое выделяется во время охлаждения изготовленного в реакторе газа.

Благодаря операции газификации, которой предшествует карбонизация биомассы, реакторный газ, изготовленный способом согласно изобретению, является почти полностью свободным от дегтя или дегтеобразующих составляющих. В частности, это также достигается, потому что управление процессом осуществляется таким образом, что содержание летучих, негорючих фракций в биомассе можно снизить с текущих 80% до приблизительно 30%, сравните таблицы 1 и 2. Показатели для установки предшествующего уровня техники приведены в таблице 1, а для оборудования согласно изобретению в таблице 2.

После того, как реакторный газ покидает реактор газификации, он очищается посредством отделения пыли, чтобы удалить твердые частицы, например мелкую пыль, и затем может применяться для выработки энергии и тепла.

Небольшая доля дополнительной воды или греющего пара означает, что вырабатывается лишь очень малое количество технической воды. Дополнительных расходов на проведение переработки отработанной воды или сброс отработанной воды тоже не возникает, поскольку подаваемая вода выпаривается в установке.

Установка может применяться в малых промышленных масштабах с использованием газомоторных генераторных агрегатов, использующих тепло, для снабжения энергией и теплом ограниченных локальных районов расселения и параллельно для устранения пригодных городских отходов.

При способе согласно изобретению проблема загрязнения газов и образования дегтя также решается тем, что происходит почти полное внутреннее устранение критических продуктов реакции в газообразном виде и в виде испарений посредством горения в реакторе газификации.

Это ведет к уклонению от CO₂, тогда как только в этом случае, небольшая часть возможной энергии будет свободной.

Одно преимущество гидротермической карбонизации заключается в том, что применимая растительная биомасса не ограничивается растениями с низким содержанием влаги, и энергия, достижимая без выбросов двуокиси углерода, не сокращается из-за необходимых этапов сушки или, при потребности, может прямо применяться для сушки конечных продуктов. Таким образом, даже растительный материал, который ранее едва ли подлежал применению, такой как скошенная трава и срезанные ветки из садов и озелененных территорий в городах, можно использовать для выработки энергии, и при этом обходиться без двуокиси углерода, которая бы иначе образовывалась - а также без еще более экологически вредного метана - во время бактериального преобразования биомассы. Работа комплектной установки также является энергосберегающей, потому что почти вся выделяющаяся тепловая энергия повторно подается в рабочий процесс.

Для этих целей выгодно, чтобы влажная биомасса, которую принимает реактор карбонизации, выпаривалась под давлением от 5 до 30 бар, предпочтительно под давлением от 15 до 25 бар, в особенности под давлением около 20 бар и при температуре от 200°C до 1200°C, предпочтительно от 400°C до 800°C, и образовывался реакционный газ, который бы подавался прямо или непрямым путем в реактор газификации через трубопровод.

Выгодно, чтобы реактор газификации функционировал в температурном диапазоне от 1200°C до 1800°C, предпочтительно от 1000°C до 1400°C, и в рабочем процессе выделял тепловую энергию через трубопровод, соединяющий реактор газификации и реактор карбонизации.

Согласно разработке изобретения дополнительная возможность заключается в том, чтобы циклонный сепаратор и/или газоочистное устройство соединялось через трубопровод с реактором газификации, где между циклонным сепаратором и/или газоочистным устройством может обеспечиваться теплообменник, который остужает газ до рабочей температуры теплообменника от 40°C до 80°C или от 50°C до 60°C и повторно подает освобожденную в результате отведенную энергию в систему нагрева и/или в рабочий процесс установки. Тепловая энергия, которая выделятся из теплообменника, подается через трубопровод потребителю, такому как система нагрева.

Более того, выгодно, чтобы вредные вещества или примеси, которые выделяются в реакторе карбонизации и/или в охлаждающем резервуаре,

уничтожались или, по меньшей мере, частично уничтожались с помощью теплового устройства или выводились.

Предпочтительно устройство для термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей, и/или сухой биомассы для изготовления энергоносителя и/или сырьевого носителя посредством реактора карбонизации с подогревом, имеющего закрывающееся входное отверстие, в котором биомасса преобразовывается в твердый, наливной или газообразный энергоноситель и/или сырьевой носитель и выводится через закрывающееся выходное отверстие в охлаждающий резервуар, соединенный с реактором карбонизации, для временного хранения энергоносителя и/или сырьевого носителя, который соединен с нижестоящим реактором газификации, в котором газ и отходы, такие как зола, отделяются от биомассы, отличается тем, что:

a) устройство термохимической карбонизации и газификации или реактор карбонизации влажной, в особенности водосодержащей и/или сухой биомассы соединен через закрывающееся соединение с охлаждающим резервуаром;

b) реактор карбонизации и/или охлаждающий резервуар в каждом случае соединены через трубопровод с емкостью для хранения газа, в особенности емкостью для хранения реакционного газа;

c) емкость для хранения реакционного газа соединена через трубопровод с реактором газификации;

d) реактор газификации соединен прямо или непрямым путем с устройством для очистки, таким как циклонный сепаратор и/или газоочистное устройство;

e) полученная тепловая энергия или энергия, которая выделятся в реакторе газификации, подается через, по меньшей мере, один трубопровод для управления процессами устройства термохимической карбонизации и газификации или в реактор карбонизации.

Выгодно, чтобы реактор газификации соединялся через трубопровод с устройством обработки для переработки и/или дальнейшей обработки угля, получаемого в реакторе газификации.

Особенно важно для данного изобретения, чтобы охлаждающий резервуар и/или реактор газификации соединялся через трубопровод с устройством обработки для переработки или дальнейшей обработки угля, получаемого в резервуаре и/или в реакторе газификации, и чтобы нетканый материал фильерного способа производства или ленточная ткань использовалась в качестве несущего слоя.

Также выгодно, чтобы насыщенный пар получали в реакторе газификации, который соединен через трубопровод, передающий насыщенный пар, с потребителем или системой нагрева и/или паровым поршневым двигателем.

Более того, выгодно, чтобы реактор газификации соединялся через, по меньшей мере, один трубопровод с потребителем или, по меньшей мере, с газовым компрессором и/или газовым двигателем.

Также выгодно, чтобы реактор газификации и/или охлаждающий резервуар можно было охлаждать посредством охлаждающего устройства, или в каждом случае окружать охлаждающей рубашкой, и чтобы охлаждающее устройство снабжалось охлаждающей водой, где, по меньшей мере, также охлаждающая вода из охлаждающей рубашки охлаждающего резервуара подается через трубопровод в реактор газификации.

Кроме того, способ предпочтительно отличается следующими этапами способа:

а) биомасса преобразовывается в реакторе карбонизации посредством внешней тепловой энергии и дополнительной тепловой энергии, которая подается с установки в реактор карбонизации, в твердый, наливной или газообразный энергоноситель и/или сырьевой носитель;

b) газ, образующийся в реакторе карбонизации, принимает емкость для хранения реакционного газа;

c) реакционный газ, полученный или присутствующий в реакторе карбонизации и охлаждающем резервуаре, подается прямо или непрямым путем в реактор газификации;

d) по меньшей мере, доля энергии, полученной при способе термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей и/или сухой, биомассы, повторно подается в процесс обработки, в особенности в реактор карбонизации;

e) уголь, полученный в реакторе газификации, подается в устройство дальнейшей обработки;

f) энергия охлаждения, которой снабжается охлаждающий резервуар, подается одновременно или впоследствии в охлаждающую рубашку реактора газификации;

g) выделившаяся энергия, выработанная в реакторе, или насыщенный пар подается одному или более потребителям, таким как система нагрева, и/или на паровой поршневой двигатель.

Согласно разработке изобретения дополнительная возможность заключается в том, что реакционный газ, который вырабатывается в комплектной установке или в реакторе карбонизации, подается прямо или непрямым путем в циклонный сепаратор и/или в газоочистное устройство, затем в осушитель, или прямо или непрямым путем через компрессор потребителю.

Выгодно, чтобы в одном или более трубопроводе обеспечивались регулирующие клапаны, которые можно выключать и включать вручную или с помощью приводных устройств, где приводными устройствами можно управлять через компьютер в зависимости от рабочего процесса.

Дальнейшие преимущества и детали изобретения объясняются в формуле изобретения и в описании и показаны на графических материалах, на которых:

Фиг. 1 представляет собой технологическую схему для устройства для термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей и/или сухой, биомассы для изготовления энергоносителя и/или сырьевого носителя посредством реактора карбонизации с подогревом, который имеет закрывающееся входное отверстие, в котором биомасса преобразовывается в твердый, наливной или газообразный энергоноситель и/или сырьевой носитель;

Фиг. 2 представляет собой общий вид устройства для термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей и/или сухой, биомассы для изготовления энергоносителя и/или сырьевого носителя;

Фиг. 3 представляет собой частичный вид устройства согласно Фиг. 1;

Фиг. 4 представляет собой частичный вид реактора газификации с верхней частью газификатора, средней частью газификатора и нижней частью газификатора.

Фиг. 1 показывает реактор 1 карбонизации для термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей и/или сухой, биомассы для изготовления энергоносителя и/или сырьевого носителя. В реактор 1 карбонизации биомасса подается через принимающую емкость 2, которая обеспечена впускным клапаном или плоской задвижкой 13 и плоской задвижкой или выпускным клапаном 15. В реакторе 1 карбонизации обеспечивается мешалка 5, в которой перемешивается биомасса, которая состоит из влажной, в особенности

водосодержащей и/или сухой, биомассы. Она может включать, среди прочего, отходы, такие как пищевые остатки, биологические отходы и древесину. Мешалку 5 можно приводить в действие вручную или посредством мотора 3.

При первоначальном пуске комплектной установки в первую очередь древесину или древесный уголь помещают в реактор 16 газификации, и потом запускают установку. Реакционный газ, полученный в реакторе 16 газификации, подается через трубопровод 32 в нагревательный элемент 4, который окружает реактор 1 карбонизации. В результате начинается карбонизация. Газ, который принимает нагревательный элемент 4, постоянно охлаждается посредством введения биомассы. В результате этого рабочего процесса экономится энергия. Возникающие энергетические потери пополняются в установке с подачей внешней энергией.

Реактор 1 карбонизации функционально соединен с нагревательным элементом, в частности окружен нагревательной рубашкой 4. В реактор 1 карбонизации подается, по меньшей мере, внешняя тепловая энергия и выгодным, энергосберегающим образом тепловая энергия, по меньшей мере, с комплектной установки, в особенности с реактора 16 газификации, так чтобы установка могла функционировать очень экономно. Биомасса может подаваться в реактор 1 карбонизации непрерывно или партиями. Продувочный клапан 7 для управления давлением реактора 1 карбонизации обеспечивается в верхней части реактора 1 карбонизации. Если биомасса подается в реактор 1 карбонизации партиями, то реактор 1 карбонизации наполняется холодной или также нагретой биомассой и подогревается нагревательным элементом, так чтобы присутствующая в биомассе вода выпаривалась. Пар подается в реакционную сборочную емкость 21, так чтобы энергия, которая также делается доступной для реактора 16 газификации, могла полностью утилизироваться. С дальнейшей подачей тепла выше приблизительно 180°C начинается химическая реакция, и из

биомассы вырабатывается, главным образом, уголь и газообразные продукты реакции.

Реакционный газ, выводимый из реактора 1 карбонизации, имеет температуру, по меньшей мере, 300-400°C.Его направляют, по меньшей мере, частично через трубопровод 28 в емкость 21 для хранения реакционного газа, а оттуда в реактор 16 газификации. В трубопроводе 28 имеется невозвратный клапан 80, так чтобы избыточное давление из емкости 21 для хранения реакционного газа не могло выйти в реактор 1 карбонизации.

В емкости 21 для хранения реакционного газа газ охлаждается охлаждающим устройством 49, которое соединено через трубопровод 51 и 30 с охлаждающим резервуаром 9, до температуры приблизительно 80°C. В охлаждающем резервуаре 9 и емкости 21 для хранения реакционного газа преобладает давление приблизительно от 2 до 5 бар. Охлаждающая вода передается из емкости 21 для хранения реакционного газа через трубопровод 78 в охлаждающую рубашку 52 реактора 16 газификации. В результате может вырабатываться более насыщенный пар. Через трубопровод 78 емкость 21 для хранения реакционного газа для реактора 16 газификации может полностью опорожняться.

В резервуаре 16 обеспечиваются различные замерные точки 81, с помощью которых можно контролировать температуру в резервуаре 16.

Емкость 21 для хранения газа имеет регулировочную функцию и служит для приема реакционных газов из реактора 1 карбонизации и резервуара 9. Реакционный газ из емкости 21 для хранения реакционного газа сжигается с углем в реакторе 16 газификации.

Во время горения реакционного газа и угля в реакторе 16 газификации происходит образование синтез-газа, который затем подается одному или более потребителю, такому как газовый двигатель.

По достижении необходимой температуры реакции в биомассе начинается химическая реакция и в дополнение к биоуглю также происходит образование газа, главным образом CO₂ и пара. Эта парогазовая смесь называется реакционным абгазом. Полное давление внутри реактора находится из суммы давления кипения пара и парциального давления фракции инертного газа в реакторе 1 карбонизации. Реакция связана с выработкой тепла, т.е. в реакторе карбонизации протекает экзотермическая реакция. Для ограничения давления реактор 1 карбонизации имеет регулирующий давление или управляемый клапан 7. После завершения реакции в реакторе 1 карбонизации сбрасывается давление путем полного открывания клапана 7, до тех пор пока его нельзя будет безопасно открыть и удалить биоуголь.

При непрерывной работе биомасса подается в реактор 1 карбонизации небольшими количествами и через короткие временные промежутки через охлаждающий резервуар 9 сверху. В реакторе 1 карбонизации всегда высокое давление и высокая температура около 16 бар и 200°C.Подаваемая биомасса нагревается в реакторе 1 карбонизации, и вода, которую она содержит, выпаривается, по меньшей мере, частично, или даже полностью, в зависимости от продолжительности процесса. Реагирующая биомасса проходит через реактор сверху вниз при непрерывном перемешивании. После процесса реакции уголь удаляется из охлаждающего резервуара 9 или буферной емкости, также называемой шлюзом со сжатым воздухом. Чтобы ограничить давление в резервуаре, из реактора карбонизации клапаном 7 управления давлением непрерывно выводится реакционный абгаз. Шлюз со сжатым воздухом также может быть в виде буферной емкости.

Чтобы для биоугля в охлаждающем резервуаре 9 в рабочем процессе можно было делать доступным достаточное количество влаги, пресная вода подается в него через охлаждающее устройство 49 и трубопровод 51. Более

того, охлаждающий резервуар 9 может быть оснащен мешалкой, чтобы обеспечивать лучшее проникновение влаги в биоуголь. Установка также может функционировать циклично или при переменном давлении, с давлением приблизительно 20 бар и температурой 200°C в реакторе 1 карбонизации. Биоуголь, присутствующий в охлаждающем резервуаре 9, охлаждается. Для этого охлаждающий резервуар 9 имеет охлаждающую рубашку 51. Давление в охлаждающем резервуаре 9 также контролирует управляемый давлением клапан 12, в зависимости от того, как протекает процесс.

В зависимости от того, как протекает процесс, влажная биомасса, которую принимает реактор 1 карбонизации, может выпариваться под давлением от 5 до 30 бар, предпочтительно под давлением от 15 до 25 бар, в особенности под давлением около 20 бар и при температуре от 200°C до 1200°C, предпочтительно от 400°C до 800°C, и может образовываться реакционный газ, который подается прямо или непрямым путем в реактор 16 газификации через трубопровод 30.

Реактор 16 газификации согласно Фиг. 1 или согласно Фиг. 4 (частичное представление) функционирует при атмосферном давлении. Он подразделяется на верхнюю часть 61 газификатора, среднюю часть 62 газификатора и нижнюю часть 63 газификатора. Биоуголь, который принимает резервуар 9, подается через отверстие 64 для подачи в верхнюю часть 61 газификатора. Там он нагревается теплом, подаваемым из средней части 62 газификатора, до температуры приблизительно до 900°C, при которой начинается дальнейшая газификация угля или биоугля.

При этой температуре биоуголь достигает средней части 62 реактора 16 газификации. Там при температуре свыше 900°C происходит газификация. Реакционный газ, который выделяется из биоугля, достигает температуры до 1800°C. Посредством соответствующего управления процессом реакции при помощи компьютера посредством ручного управления, температура сухих

веществ, которые все еще присутствуют в реакторе 16 газификации, ограничивается так, чтобы зола не плавилась.

Как видно из Фиг. 4, реактор 16 газификации состоит из наружного корпуса 66, в котором часть 67 газификатора размещается в воронковидной части, поперечное сечение которой в верхней области больше, чем в средней области. Дно 63 реактора газификации расширяется к его разгрузочному концу. Разгрузочный конец состоит из нескольких выходных отверстий 68, обеспеченных в дне 63 реактора газификации для выведения реакторного газа и золы.

Реакторный газ направляется через выходные отверстия 68 в перфорированной, частично цилиндрически или конически расширенной внутренней стенке 69 дна 63 реактора газификации в кольцевой зазор 70, образованный между внешней стенкой 71 и внутренней стенкой 69 дна 63 реактора газификации.

Реактор 16 газификации также соединен прямо или непрямым путем с устройством для очистки, таким как циклонный сепаратор 18 и/или газоочистное устройство 20. Оттуда газ передается в газовый компрессор 44 и/или в газовый двигатель 48.

Реактор 16 газификации также соединен через трубопровод 30 с емкостью 21 для хранения реакционного газа (Фиг. 1). Кроме того, реактор 16 газификации имеет отверстия 82 для технического обслуживания, которые можно открывать при необходимости.

В верхней части корпуса 66 реактора 16 газификации имеется одно или более выходные отверстия 72, распределенные по окружности, через которые реакторный газ изымается из реактора 16 газификации. Соединенные с ними трубопроводы 73 выходят в один или более пылеуловители, которые представлены, например, в виде циклонных сепараторов 18, и из которых реакторный газ подается для дальнейшего

использования или подается потребителям, таким как газовый двигатель 48 или газовый компрессор 44. Зола выводится в нижний конец дна 63 реактора газификации через выходное отверстие 65 и переносится оттуда транспортером в сборочную емкость.

В нижней области внешней периферии средней части 62 газификатора обеспечиваются одна или более газовые трубки или термически соединенные плавильные агрегаты 74, так чтобы реакционный абгаз 75 из реактора 1 карбонизации и факультативно также из охлаждающего резервуара 9 мог вдуваться в зону газификации реактора 16 газификации. В результате посредством высоких температур отходы, которые еще присутствуют, такие как сера и хлорные соединения, сжигаются. Реактор 16 газификации (фигуры 1 и 4) и/или охлаждающий резервуар 9 охлаждаются посредством охлаждающего устройства 49 и в каждом случае окружены охлаждающей рубашкой 51, 52. Охлаждающее устройство 49 снабжается охлаждающей водой, где, по меньшей мере, также охлаждающая вода из охлаждающей рубашки 51 охлаждающего резервуара 9 может подаваться через трубопровод 54 в реактор 16 газификации.

Тепло, которое забирает холодоноситель, может использоваться для выпаривания охлаждающей воды и для перегрева выработанного таким образом пара 76 высокого давления.

Реактор 16 газификации может функционировать непрерывно. Биомасса подается через короткие временные промежутки или непрерывно. Реакторный газ и зола непрерывно выводятся из реактора 16 газификации в виде потоков объема или массы.

Описанные реакторы 1 и 16 функционируют приблизительно одновременно. При размещении реактора 1 карбонизации, охлаждающего резервуара 9 и реактора 16 газификации согласно Фиг. 4 в виде функционального блока, достигается компактное размещение. Как уже упоминалось, подаваемая

биомасса расположена над комплектным устройством, состоящим из 1, 9, 16. Биомасса принимается через входной шлюз со сжатым воздухом в приемную емкость 2 и подается в реактор 16 газификации. Она проходит через него сверху вниз и по завершении карбонизации выводится в охлаждающий резервуар 9. При непрерывной работе реактора 1 карбонизации охлаждающий резервуар 9, который принимает биоуголь из реактора 1 карбонизации, функционирует с перерывами.

Влажная биомасса, которую принимает реактор 1 карбонизации, выпаривается под давлением от 5 до 30 бар, предпочтительно под давлением от 15 до 25 бар, в особенности под давлением около 20 бар и при температуре от 200°C до 1200°C, предпочтительно от 400°C до 800°C.Также образуется реакционный газ, который подается прямо или непрямым путем в реактор 16 газификации через трубопровод 30.

Другая возможность для сооружения комплектного устройства, состоящего из реактора 1 карбонизации и резервуаров 9, 16, показана на Фиг. 4. Она применима, когда вертикальное размещение невозможно в виду пространственных ограничений.

Биоуголь, покидающий охлаждающий резервуар 9, переносится посредством механических транспортных приспособлений, таких как транспортерная лента или шнековый конвейер 77, в засыпной бункер смежного реактора 16 газификации, непрерывно загружая последний.

Блок-схема комплектной установки показана на Фиг. 3.

Реактор 16 газификации соединен через трубопровод 34 с устройством 36 дальнейшей обработки для переработки и/или дальнейшей обработки угля, полученного в реакторе 16 газификации.

Насыщенный пар, который образовывается в реакторе 1 газификации, соединен через трубопровод 38 насыщенного пара с потребителем или с системой нагрева и/или паровым поршневым двигателем 42. Реакционный газ, выработанный в комплектной установке или в реакторе 1 карбонизации, подается прямо или непрямым путем в циклонный сепаратор 18 и/или газоочистное устройство 20, а затем в осушитель 56 или прямо или непрямым путем в компрессор 44 или потребителю 48.

В одном или более трубопроводах 26-34, 38, 50, 53, 54, могут обеспечиваться регулирующие клапаны, которые можно включать или выключать вручную или с помощью приводного устройства, где приводные устройства управляются через компьютер в зависимости от рабочего процесса.

Изобретения относятся к области изготовления энергоносителя и/или сырьевого носителя из водосодержащей и/или сухой биомассы. Предложено устройство для термохимической карбонизации и газификации влажной биомассы, а также применение вышеуказанного устройства. Устройство включает реактор карбонизации с подогревом, в котором биомасса преобразуется в твердый, наливной или газообразный энергоноситель и/или сырьевой носитель. После преобразования биомасса через закрывающееся выходное отверстие для временного хранения энергоносителя и/или сырьевого носителя направляется в охлаждающий резервуар, соединенный с реактором карбонизации. Охлаждающий резервуар соединен с реактором газификации с подогревом, в котором газ и отходы, такие как зола, отделяются от энергоносителя. Реактор карбонизации окружен нагревательной рубашкой для подвода тепловой энергии, а также для подвода дополнительной тепловой энергии от реактора газификации. Энергия охлаждения от охлаждающего резервуара подается в охлаждающую рубашку реактора газификации. В охлаждающий резервуар подается вода для обеспечения непрерывного протекания рабочего процесса. Реакционный газ подают из реактора карбонизации и/или охлаждающего резервуара в емкость для хранения газа. Изобретения обеспечивают получение всего углерода из газов биомассы, устранение критических продуктов реакции в газообразном виде и в виде испарений посредством горения в реакторе газификации. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

1. Устройство для термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей, и/или сухой биомассы для изготовления энергоносителя и/или сырьевого носителя посредством реактора (1) карбонизации с подогревом, имеющего закрывающееся входное отверстие (13), в котором обеспечены преобразование биомассы в твердый, наливной или газообразный энергоноситель и/или сырьевой носитель и ее вывод через закрывающееся выходное отверстие в охлаждающий резервуар (9), соединенный с реактором (1) карбонизации, для временного хранения энергоносителя и/или сырьевого носителя, который соединен с нижестоящим реактором (16) газификации, в котором обеспечено отделение газа и отходов, таких как зола, от биомассы, характеризующееся тем, что:
a) реактор (1) карбонизации функционально соединен с нагревательным элементом (4), в частности окружен нагревательной рубашкой, таким образом, что в реактор (1) карбонизации обеспечена подача внешней тепловой энергии, и реактор (1) карбонизации соединен с реактором (16) газификации дополнительным трубопроводом (31) так, что через указанный дополнительный трубопровод (31) в реактор (1) карбонизации обеспечена подача дополнительной тепловой энергии, по меньшей мере, из одной установки, в особенности из реактора (16) газификации,
b) реактор (16) газификации соединен с охлаждающим резервуаром (9) трубопроводом (54) таким образом, что через указанный трубопровод (54) обеспечена подача энергии охлаждения из охлаждающего резервуара (9) в охлаждающую рубашку (52) реактора (16) газификации,
c) охлаждающий резервуар (9) соединен с охлаждающим устройством (49) дополнительным трубопроводом (51) таким образом, что через указанный дополнительный трубопровод (51) обеспечена подача влаги, в особенности воды, в охлаждающий резервуар (9), чтобы обеспечить по существу непрерывное протекание рабочего процесса,
d) реактор (1) карбонизации соединен с емкостью (21) для хранения газа трубопроводом (28, 30) таким образом, что через указанный трубопровод (28, 30) обеспечена подача реакционного газа из реактора (1) карбонизации и/или охлаждающего резервуара (9) в емкость (21) для хранения газа, а реактор (16) газификации соединен с емкостью (21) для хранения газа трубопроводом (78) таким образом, что через указанный трубопровод (78) обеспечена повторная подача реакционного газа в реактор (16) газификации.

2. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что выполнено с возможностью выпаривания влажной биомассы, принимаемой в реакторе (1) карбонизации, под давлением от 5 до 30 бар, предпочтительно под давлением от 15 до 25 бар, в особенности под давлением около 20 бар и при температуре от 200°C до 1200°C, предпочтительно от 400°C до 800°C, при этом в устройстве обеспечено образование реакционного газа, подаваемого в реактор (16) газификации.

3. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что реактор (16) газификации выполнен с возможностью работы в температурном диапазоне от 1200°C до 1800°C, предпочтительно от 1000°C до 1400°C, при этом в рабочем процессе обеспечено выделение тепловой энергии через трубопровод (31), соединяющий реактор (16) газификации и реактор (1) карбонизации..

4. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что циклонный сепаратор (18) и/или газоочистное устройство (20) соединено через трубопровод (22) с реактором (16) газификации, при этом между циклонным сепаратором (18) и/или газоочистным устройством (20) может быть предусмотрен теплообменник, выполненный с возможностью остужения газа до рабочей температуры теплообменника от 40°C до 80°C или от 50°C до 60°C, причем обеспечена повторная подача освобожденной в результате отведенной энергии в систему нагрева и/или в рабочий процесс установки, а также обеспечена подача тепловой энергии, выделяемой из теплообменника (40), через трубопровод (41) потребителю, такому как система нагрева.

5. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что выполнено с возможностью уничтожения, или, по меньшей мере, частичного уничтожения, или выведения вредных веществ или примесей, выделяемых в реакторе (1) карбонизации и/или в охлаждающем резервуаре (9), посредством теплового устройства.

6. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что реактор (16) газификации соединен через трубопровод (34) с устройством (36) обработки для переработки и/или дальнейшей обработки угля, полученного в реакторе (16) газификации.

7. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что охлаждающий резервуар (9) и/или реактор (16) газификации соединены через трубопровод (34) с устройством (36) обработки для переработки или дальнейшей обработки угля, полученного в охлаждающем резервуаре (9) и/или в реакторе (16) газификации.

8. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что обеспечено получение насыщенного пара в реакторе (16) газификации, который соединен через трубопровод (42), передающий насыщенный пар, с потребителем или системой нагрева и/или паровым поршневым двигателем.

9. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что реактор (16) газификации соединен через, по меньшей мере, один трубопровод (53) с потребителем или, по меньшей мере, с газовым компрессором и/или газовым двигателем (48).

10. Устройство по п. 1, характеризующееся тем, что в нем обеспечена возможность охлаждения реактора (16) газификации и/или охлаждающего резервуара (9) посредством охлаждающего устройства (49) или реактор (16) газификации и/или охлаждающий резервуар (9) соответственно окружены охлаждающей рубашкой (51, 52), при этом обеспечено снабжение охлаждающего устройства (49) охлаждающей водой, причем также обеспечена подача, по меньшей мере, охлаждающей воды из охлаждающей рубашки (51) охлаждающего резервуара (9) через трубопровод (54) в реактор (16) газификации.

11. Устройство по любому из пп. 1-10, характеризующееся тем, что в одном или более из трубопроводов (26-34, 38, 40, 50, 53, 54) предусмотрены регулирующие клапаны, выполненные с возможностью выключения и включения вручную или с помощью приводных устройств, причем указанные приводные устройства выполнены с возможностью управления через компьютер в зависимости от рабочего процесса.

12. Применение устройства по любому из пп. 1-11 для термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей, и/или сухой биомассы для изготовления энергоносителя и/или сырьевого носителя из влажной и/или сухой биомассы, характеризующееся тем, что:
a) биомассу преобразуют в реакторе (1) карбонизации посредством внешней тепловой энергии и дополнительной тепловой энергии, подаваемой из установки, в особенности из реактора (16) газификации, в реактор (1) карбонизации, в твердый, наливной или газообразный энергоноситель и/или сырьевой носитель;
b) газ, образующийся в реакторе (1) карбонизации, подают в емкость (21) для хранения реакционного газа;
c) реакционный газ, полученный в реакторе (1) карбонизации или присутствующий в охлаждающем резервуаре (9), подают прямо или непрямым путем, через емкость (21) для хранения газа, в реактор (16) газификации;
d) по меньшей мере, долю энергии, полученной при термохимической карбонизации и газификации влажной, в особенности водосодержащей, и/или сухой биомассы, повторно подают в процесс обработки, в особенности в реактор (1) карбонизации;
e) уголь, полученный в реакторе (16) газификации, подают в устройство (36) дальнейшей обработки;
f) энергию охлаждения, которой снабжается охлаждающий резервуар (9), подают одновременно или впоследствии в охлаждающую рубашку (52) реактора (16) газификации;
g) выделившуюся энергию, выработанную в реакторе (16) газификации, или насыщенный пар подают одному или более потребителю, такому как система нагрева и/или на паровой поршневой двигатель.