УЧАСТКОВЫЙ СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ БИОМАССЫ ПРИ ВЫСОКОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ И АТМОСФЕРНОМ ДАВЛЕНИИ Российский патент 2016 года по МПК C10J3/02 C10J3/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение касается способа газификации биомассы при высокой температуре и атмосферном давлении с использованием интегрированного участка газификации и, более конкретно, способа газификации биомассы с использованием интегрированного участка газификации, содержащего блок предварительной обработки и хранения биомассы, блок газификации биомассы, блок охлаждения сырого синтез-газа, промывки и удаления пыли, и блок хранения свежего газа.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Улучшение энергетической эффективности и сохранение энергии являются долгосрочной стратегической политикой для развития национальной экономики в Китае, а также основной стратегией сбережения энергии и снижения выбросов.

По сравнению со сгоранием топлива сравнительно отсталым малоприменяемым способом газ, полученный газификацией топлива, имеет гораздо лучшую цену и обширное применение. Например, газ газификации может быть синтезирован для получения нефтепродуктов, которые имеют большое значение для решения проблемы нехватки жидкого топлива и защиты окружающей среды. Между тем, газ газификации также является исходным материалом для получения массовых химических веществ, таких как метанол, этанол и уксусная кислота. Кроме того, газ газификации также может быть использован в комбинированном цикле комплексной газификации (IGCC) для генерации энергии, и его эффективность генерации энергии увеличена на 15% по сравнению с генерацией энергии с помощью обычного прямого сгорания. Кроме того, так как газ газификации имеет низкие производственные затраты на получение водорода, он является перспективным исходным материалом для топливных элементов - важным источником водорода.

Существующие технологии газификации включают в себя технологию газификации с неподвижным слоем, технологию газификации с псевдоожиженным слоем и технологию газификации с фонтанирующим-псевдоожиженным слоем. Неподвижный слой накладывает высокие требования на термическую стабильность, механическую прочность и адгезию исходного материала. Доказано, что при использовании обычного неподвижного слоя для газификации биомассы сырой газ имеет относительно высокое содержание смолы, и обычный неподвижный слой не может стабильно работать в долговременных инженерных приложениях и является неэкономичным. Хотя способ газификации с псевдоожиженным слоем имеет широкую приспособляемость к топливу, сырой газ имеет высокое содержание СН₄, смолы и зольной пыли, эффективность превращения в эффективный газ (СО+Н₂) является низкой, и способ промывки и очистки сырого газа является относительно сложным. Газификация с фонтанирующим-псевдоожиженным слоем имеет высокую эффективность и в настоящее время является наиболее продвинутой технологией газификации, однако она имеет более узкую приспособляемость к топливу, и дробление топлива на основе биомассы стоит слишком много, затрудняя реализацию.

Промышленное применение технологии газификации было повсюду реализовано в 1950-х. В конце двадцатого века недостаток запасов нефти и газа способствует быстрой разработке и исследованию нового способа газификации, и разработано новое поколение газификаторов, имеющих широкую приспособляемость к углю, высокое давление газификации, высокую эффективность газификации и свободных от загрязнений. Наиболее представительными из них являются печь Shell из Нидерландов, печь Texaco из США и печь Lurgi из Германии.

Технология газификации биомассы является новой технологией, разработанной в этом веке, использующей биомассу в качестве источника энергии и быстро развивающейся. Многочисленные исследования для разных технологий были выполнены в этой области. В начале 1980-х были начаты исследования технологии газификации биомассы и было достигнуто большое развитие от единственного газификатора с неподвижным слоем к псевдоожиженному слою, циркулирующему псевдоожиженному слою, двойному циркулирующему псевдоожиженному слою и окислительному псевдоожиженному слою, от устройств газификации с низким показателем калорийности к устройствам газификации со средним показателем калорийности, и от бытовых газовых плит к промышленной сушке, централизованной подаче газа и системам генерации электрической энергии. Однако общий уровень является недостаточным, и технология является незрелой с множеством технологических проблем. Даже многие демонстрационные проекты имеют много проблем в технологии, например низкое содержание эффективных компонентов в газе газификации, высокое содержание смолы, малую масштабируемость, нестабильную работу, высокие эксплуатационные расходы, затрудняющие реализацию коммерческого применения.

Большое число исследований газификации биомассы было выполнено в Европе и Америке в последние годы, например способ плазменной газификации, пиролитический способ, многостадийный способ газификации. Пилотные тестовые установки различного масштаба были построены с использованием этих способов, и технологические достижения были получены, но еще не использованы в коммерческой работе.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ввиду вышеописанных проблем одной из задач изобретения является обеспечить способ газификации биомассы при высокой температуре и атмосферном давлении путем использования участка газификации. Данный способ газификации биомассы имеет высокую эффективность превращения углерода из исходного материала, широкую приспособляемость к топливу, очень низкое содержание смолы в сыром синтез-газе, высокую доступность устройства, компактную структуру, простую систему, небольшие капитальные вложения, стабильную работу, низкие эксплуатационные расходы и подходит для крупномасштабного коммерческого применения.

Техническое решение изобретения следующее.

Способ газификации биомассы при высокой температуре и атмосферном давлении путем использования участка газификации, который содержит предварительную обработку и хранение биомассы, газификацию биомассы в газификаторе, охлаждение сырого синтез-газа, промывку и удаление пыли из сырого синтез-газа и хранение свежего синтез-газа. Тепловую энергию для газификации биомассы в газификаторе подают с помощью внешнего источника тепла, и температуру реакции в газификаторе регулируют от 1300 до 1750°С. Биомасса в газификаторе превращается в сырой синтез-газ, и шлак удаляют из газификатора в жидком состоянии. Сырой синтез-газ охлаждают с помощью башенного охладителя и двухстадийного бойлера-утилизатора отходящего тепла, где извлекают теплосодержание. Сырой синтез-газ после охлаждения промывают и обрабатывают путем электроосаждения пыли, и полученный чистый и свежий синтез-газ хранят с помощью бака для хранения газа. Весь участок газификации работает при отрицательном давлении или при положительном давлении от 0 до 50 кПа.

В качестве улучшения изобретения данный способ газификации биомассы содержит следующие этапы:

1) дробление собранной биомассы, подача биомассы в газификатор при обеспечении внешнего источника тепла и окислителя в газификатор, регулирование рабочей температуры газификатора от 1300 до 1750°С и предоставление возможности биомассе полностью контактировать с окислителем, так что происходят обезвоживание, осаждение летучего вещества, пиролиз и реакция газификации соответственно с получением сырого синтез-газа и золы;

2) введение сырого синтез-газа в башенный охладитель и двухстадийный бойлер-утилизатор отходящего тепла с уменьшением температуры сырого синтез-газа до интервала от 85 до 200°С и с отбором теплосодержания; и

3) промывка сырого синтез-газа после отбора теплосодержания и удаление из него пыли с получением чистого и свежего синтез-газа, имеющего содержание пыли и содержание смолы <10 мг/Нм² и температуру <45°С; и перенос чистого и свежего синтез-газа в бак для хранения газа для хранения или непосредственно в процесс ниже по потоку для использования.

В качестве улучшения изобретения внешний источник тепла подают с помощью плазменного факельного генератора, микроволнового плазменного генератора или лазерного термогенератора.

В качестве улучшения изобретения во всем способе от газификации топлива на основе биомассы в свежий синтез-газ до образования свежего синтез-газа вся аппаратура работает при отрицательном давлении или микроположительном давлении от 0 до 50 кПа.

Более конкретно, участок газификации содержит блок предварительной обработки и хранения биомассы, блок подачи биомассы, блок внешнего источника тепла, блок газификатора, блок охлаждения сырого синтез-газа, блок промывки сырого синтез-газа, блок хранения свежего синтез-газа и блок обработки золы и сточной воды.

1. Блок предварительной обработки и хранения биомассы

Исходные материалы (такие как биомасса и городские твердые отходы) подвергают простой предварительной обработке в месте получения топлива или в данной установке, где исходные материалы дробят на частицы, имеющие диаметр от 50 до 30 мм. Топливо после дробящей обработки хранят в помещении для хранения топлива в данной установке. Мелкие частицы, такие как рисовая шелуха, могут непосредственно использоваться в качестве топлива газификатора без какой-либо обработки и сохраняться в топливе.

Для городских твердых отходов и промышленных отходов сначала выполняют разделение, при котором извлекают металлические и бумажные продукты и отделяют конструкционные отходы, такие как большие кирпичи. Отходы после разделения дробят на частицы, имеющие диаметр от 50 до 300 мм, и используют в качестве топлива газификатора, и хранят в помещении для хранения топлива на основе биомассы.

Основным устройством в этом способе является дробилка.

2. Блок подачи биомассы

Блок подачи биомассы образован из системы переноса биомассы и системы питания газификатора.

Биомасса переносится из помещения для хранения топлива в передний бункер газификатора по ленточному конвейеру или скребковому конвейеру, оборудованному измеряющим устройством, для снижения сдуваемой пыли и разлитого топлива. Покрытие транспортера из стекла и стали является герметичным. Если применяют ленточный конвейер, угол установки транспортера предпочтительно регулируют от 15° до 18° и максимум не больше чем 20°.

Топливо непрерывно подают в реактор газификатора по двум маршрутам, расположенным на двух сторонах газификатора, чтобы избежать взрыва и отравления сырым синтез-газом, вытекшим из реактора газификатора. Питание газификатора использует винтовое подающее устройство, содержащее уплотнительную заглушку, и предпочтительно двухстадийное винтовое подающее устройство, содержащее уплотнительную заглушку (CN 202040828 U). Кроме того, азотное герметизирующее защитное устройство и водораспыляющее защитное устройство добавлены для гарантии безопасности.

Газообразный азот имеет чистоту выше чем 99,9% и давление от 0,3 до 0,7 мегапаскалей.

Распыление воды использует воду для пожаротушения, которая доступна из пожарного трубопровода.

3. Блок внешнего источника тепла

Внешний источник тепла подается с помощью плазменного факельного генератора, микроволнового плазменного генератора или лазерного термогенератора. Такой внешний источник тепла обеспечивает высококвалифицированный источник тепла для газификации. Инертные материалы помещают на дно реактора, образуя слой. Свойства высокой температуры и высокой активности плазмы используются, чтобы усилить способ газификации. Создается зона высокотемпературной реакции при температуре от 1300 до 1750°С, сильно улучшая и облегчая способ газификации.

Блок внешнего источника тепла применяет технологию плазменной горелки и, в частности, содержит: корпус плазменной горелки, воспламенитель электрической дуги, систему подачи среды горелки, систему подачи энергии горелки и систему охлаждающей защиты горелки. Выход пламени плазменной горелки присоединен к газификатору для подачи тепловой энергии в газификатор. Система подачи энергии горелки присоединена к положительному электроду и отрицательному электроду горелки для подачи энергии для плазменной горелки. Труба для циркуляции охлаждающей воды присоединена к охлаждающим трубам электродов плазменной горелки для охлаждения электродов и увеличения срока службы электродов до более чем 2000 ч. Труба подачи среды горелки присоединена к входной трубе среды плазменной горелки, и плазма четвертого состояния активируется между электродами горелки и входит в газификатор в виде активированной энергии. Воспламенитель электрической дуги применяется для запуска плазменной горелки.

4. Блок газификации

Газификатор представляет собой атмосферный газификатор с неподвижным слоем, его рабочее давление составляет от 0 до 50 кПа, а температура зоны газификации составляет от 1300 до 1750°С. Среду газификации выбирают из группы, состоящей из воздуха, обогащенного кислородом воздуха, чистого кислорода, водяного пара или их смеси. Вследствие тепловой энергии, подаваемой внешним источником тепла, и присутствия большого количества плазмы, имеющей высокую активность, реакция газификации протекает с высокой скоростью и приводит к высокой конверсии углерода, приблизительно выше 99,8%. Температуру у дна газификатора регулируют от 1450 до 1750°С, реализуя удаление шлака в жидком состоянии. Удаление шлака из газификатора использует непрерывное удаление шлака или периодическое удаление шлака соответственно содержанию золы. Непрерывное удаление шлака используется, когда исходный материал имеет высокое содержание золы, а периодическое удаление шлака используется, когда исходный материал имеет низкое содержание золы. Температуру верхней части газификатора регулируют от 800 до 1450°С, скорость потока сырого синтез-газа в нем регулируют от 0,5 до 2,0 м/с, так что время пребывания сырого синтез-газа в газификаторе увеличивается, и гарантируется полное разложение углеводородов с большими молекулами в сыром синтез-газе. Сырой синтез-газ в итоге выводится из газификатора через его верхнюю часть, скорость потока сырого синтез-газа на выходе газификатора регулируют от 8 до 20 м/с, и содержание пыли в сыром синтез-газе составляет <20 г/Нм³.

Блок газификации образован, главным образом, из корпуса газификатора и его вспомогательных средств.

5. Блок охлаждения сырого синтез-газа

Сырой синтез-газ выходит из газификатора в блок охлаждения сырого синтез-газа для отбора отходящего тепла.

Блок охлаждения сырого синтез-газа содержит трубу водяного охлаждения или газового охлаждения или адиабатическую трубу, башенный охладитель и двухстадийный бойлер-утилизатор отходящего тепла.

Сырой синтез-газ выходит из газификатора через водоохлаждаемую трубу в башенный охладитель, где сырой синтез-газ охлаждается до температуры ниже 850°С распыляемой водой, водоохлаждаемый змеевик или пароохлаждаемый змеевик, и расплавленный шлак, переносимый сырым синтез-газом, затвердевает и отделяется. Сырой синтез-газ, имеющий температуру ниже 850°С после обработки в башенном охладителе, переносится в бойлер-утилизатор отходящего тепла первой ступени для отбора отходящего тепла, температура сырого синтез-газа снижается до температуры выше точки конденсации тяжелой смолы, так что тяжелая смола предотвращается здесь от конденсации, и температура сырого синтез-газа снижается до интервала от 350 до 450°С. Скорость потока сырого синтез-газа в бойлере-утилизаторе отходящего тепла первой ступени регулируют от 7 до 20 м/с. Бункер золы обеспечен для удаления летучей золы. Сырой синтез-газ из бойлера-утилизатора отходящего тепла первой ступени переносится в бойлер-утилизатор отходящего тепла второй ступени для отбора отходящего тепла. Сырой синтез-газ продолжает охлаждаться, температура сырого синтез-газа снижается до интервала от 85 до 200°С, так что тяжелая смола конденсируется в бойлере-утилизаторе отходящего тепла второй ступени и собирается лотком. Скорость потока сырого синтез-газа в бойлере-утилизаторе отходящего тепла второй ступени регулируют от 7 до 20 м/с. Летучую золу выпускают с помощью бункера золы.

Блок охлаждения сырого синтез-газа главным образом содержит двухстадийный бойлер-утилизатор отходящего тепла, башенный охладитель, водоохлаждаемый змеевик и насос для циркуляции воды. Бойлер-утилизатор отходящего тепла первой ступени представляет собой бойлер-утилизатор отходящего тепла водотрубного типа, а бойлер-утилизатор отходящего тепла второй ступени представляет собой бойлер-утилизатор отходящего тепла жаротрубного типа.

6. Блок промывки сырого синтез-газа

Сырой синтез-газ после отбора тепла имеет температуру, сниженную до интервала от 85 до 200°С, и содержание пыли ≤20 г/Нм³. Сырой синтез-газ переносится трубой в очищающую-охлаждающую башню или скруббер Вентури для дополнительного снижения температуры сырого синтез-газа и удаления из него пыли. Температура сырого синтез-газа после промывки снижается до интервала от 15 до 55°С, и промывочная вода циркулируется для использования. Фильтр расположен в трубе циркуляции воды для удаления загрязнений, переносимых циркулирующей промывочной водой. Таким образом, качество циркулирующей воды предохраняется от ухудшения, и периодичность выпуска загрязнений снижается. Загрязнения периодически выпускают соответственно качеству циркулирующей промывочной воды и добавляют свежую циркулирующую воду. Циркулирующая вода охлаждается в полой охлаждающей башне с механической тягой. Остаток на фильтре после затвердевания возвращают в газификатор в виде слоя или переносят в хранилище золы с расплавленным шлаком, реализуя полную утилизацию.

Сырой синтез-газ из очищающей-охлаждающей башни или скруббера Вентури выходит в электрический пылесборник, где пыль и другие примеси в сыром синтез-газе удаляются под действием создаваемого в нем, высоковольтного электрического поля. Свежий синтез-газ из мокрого электрического пылесборника переносится нагнетающим вентилятором угольного газа в бак для хранения газа или непосредственно подается в устройства последующего процесса в качестве исходного газа.

Блок промывки сырого синтез-газа содержит, главным образом, очищающую башню, электрический пылесборник, фильтр, нагнетающий вентилятор и нанос для циркуляции воды.

7. Блок хранения свежего газа

Свежий газ после охлаждения и промывки переносится с помощью нагнетающего вентилятора угольного газа и трубы в бак для хранения газа мокрого типа или сухого типа для снабжения последующих процессов.

Блок хранения свежего газа представляет собой, главным образом, бак для хранения газа.

8. Блок обработки золы и сточной воды

Зола и шлак, получаемые на участке газификации биомассы, расплавленный шлак, получаемый в блоке газификатора, и зола, получаемая в блоках охлаждения и промывки. Высокотемпературный расплавленный шлак, полученный в газификаторе, гранулируют и применяют в качестве строительного материала для полной утилизации. Зола из блоков охлаждения и промывки затвердевает и используется в качестве слоя газификатора для рециркуляции.

Система удаления шлака газификатора образована из лотка для удаления шлака, бака для шлака и выпускной системы.

Золу в блоке промывки отфильтровывают из циркулирующей промывочной воды фильтром и собирают.

Сточная вода, получаемая в данном способе, включает в себя сточную воду от промывки синтез-газа и конденсат синтез-газа, полученный в баке для хранения газа. Вода в сточной воде от промывки синтез-газа, главным образом, приносится топливом, входит в блок промывки вместе с сырым синтез-газом и затем осаждается в процессе промывки.

Сточная вода переносится трубой сточной воды в устройство обработки сточной воды для рециркуляции.

По сравнению с предшествующим уровнем техники способ газификации биомассы изобретения имеет следующие преимущества.

1) Плазменная горелка применяется для обеспечения внешнего источника тепла для газификации. Шлак выпускают в жидком состоянии. Реакция газификации имеет высокую температуру, высокую скорость газификации и высокую конверсию углерода. Качество сырого газа является высоким.

2) Газификацию выполняют в атмосферном неподвижном слое. Корпус газификатора имеет простую структуру, небольшие капитальные затраты и легок в работе. Кроме того, простыми являются система питания, система сбора шлака и система очистки.

3) Приспособляемость к исходному материалу является широкой, и биомасса разных типов, MSW, уголь и шпон являются доступными. Таким образом, может быть реализована смешанная газификация множества типов исходных материалов.

4) Воздух, обогащенный кислородом воздух, чистый кислород, водяной пар или их смесь применяется в качестве окислителя.

5) Двухстадийный бойлер-утилизатор отходящего тепла используется для отбора теплосодержания, так что улучшается общая тепловая эффективность угольного газа.

6) Участок газификации имеет короткое движение и небольшие вложения в устройства.

7) Участок газификации имеет короткое время запуска и хорошую управляемость.

8) Участок газификации имеет сложившуюся систему, высокую степень локализации, низкую величину отказов системы и высокую полезность.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 представляет собой структурное изображение участка газификации изобретения.

Фиг. 2 представляет собой структурное изображение газификатора в участке газификации изобретения.

Фиг. 3 представляет собой структурное изображение блока охлаждения и блока промывки для охлаждения и очистки сырого синтез-газа.

На чертежах использованы следующие ссылочные позиции: 17 - водоохлаждаемая труба; 18 - водоохлаждаемый башенный охладитель; 19 - бойлер-утилизатор отходящего тепла водотрубного типа; 20 - бойлер-утилизатор отходящего тепла жаротрубного типа; 21 - очищающая-охлаждающая башня; 22 - мокрый электрический пылесборник; 23 - нагнетающий вентилятор угольного газа; 24 - бак мокрого газа и 25 - факел.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Способ газификации биомассы при высокой температуре и атмосферном давлении с использованием участка газификации дополнительно иллюстрируется путем объединения конкретных вариантов осуществления и чертежей.

Как показано на фиг. 1, способ газификации биомассы при высокой температуре и атмосферном давлении выполняют на участке газификации, содержащем блок 1 предварительной обработки и хранения обрабатываемых исходных материалов, блок 2 подачи биомассы, блок 3 внешнего источника тепла, блок 4 газификатора, блок 5 охлаждения сырого синтез-газа, блок 6 промывки сырого синтез-газа, блок 7 хранения свежего синтез-газа и блок 8 обработки золы и сточной воды. Эти устройства вместе образуют участок эффективной газификации и подают свежий синтез-газ в последующий процесс синтеза биодизельного топлива или комбинированный цикл комплексной газификации (IGCC).

Способ подачи биомассы использует двухстадийную технологию винтовой подачи для подачи биомассы согласно китайской патентной заявке №201120140199.х.

Пример. Участок газификации использует атмосферный газификатор с неподвижным слоем, оборудованный внешним источником тепла и двухстадийным бойлером-утилизатором отходящего тепла. Более конкретно, участок газификации содержит блок предварительной обработки и хранения обрабатываемых исходных материалов, блок подачи биомассы, блок внешнего источника тепла, блок газификатора, блок охлаждения сырого синтез-газа, блок промывки сырого синтез-газа, блок хранения свежего синтез-газа и блок обработки золы и сточной воды

Данный способ газификации биомассы более конкретно выполняют следующим образом:

1) Собирают топливо на основе биомассы и просто дробят, пока его диаметр не уменьшится до менее 300 мм, раздробленную биомассу затем переносят с помощью ленточного конвейера в блок подачи биомассы.

2) Инертные материалы (такие как остаток на фильтре после затвердевания) добавляют на дно газификатора с помощью питающего устройства, образуя слой, имеющий определенную толщину. Газификатор применяет режим адиабатической изоляции или охлаждения.

3) Запускают блок 3 внешнего источника тепла, температуру газификатора регулируют от 1300 до 1750°С, и давление на выходе газификатора регулируют от 0 до 50 кПа. Тем временем окислитель распыляют в газификатор. Расплавленное вещество образуется в областях инертного слоя и слоя топлива. Высокотемпературный топочный газ газифицирует топливо на основе биомассы, так что органические соединения в топливе пиролизуются в СО и Н₂, а неорганическая золя плавится, образуя расплавленный шлак, который затем выпускают из инертного слоя газификатора через его днище.

4) Сырой синтез-газ течет вверх, проходит через выходную трубу, расположенную на верхней части газификатора, и входит в двухстадийный бойлер-утилизатор отходящего тепла, так что температура сырого синтез-газа снижается до интервала от 85 до 200°С и отбирается теплосодержание.

5) Сырой синтез-газ входит в блок промывки для дополнительного снижения температуры до интервала от 15 до 55°С, вредные вещества, такие как пыль, удаляются из него с получением свежего синтез-газа, который переносят с помощью нагнетающего вентилятора угольного газа в бак для хранения газа для хранения или в процесс ниже по потоку для использования.

6) Золу и сточную воду, полученные в данном способе газификации, обрабатывают для рециркуляции или для полной утилизации.

Блок внешнего источника тепла представляет собой устройство, которое использует устройство, генерирующее внешний источник тепла, чтобы обеспечивать тепловую энергию для газификации горючих веществ. Устройство, генерирующее внешний источник тепла, представляет собой устройство, которое создает источник тепла с помощью электрической энергии, такое как генератор плазменной горелки и микроволновой генератор плазмы, или с помощью источника света, такого как лазерный термогенератор.

Окислитель представляет собой смешанный газ, содержащий воздух, кислород и водяной пар, или смешанный газ, содержащий воздух и водяной пар, или смешанный газ, содержащий кислород и водяной пар.

Как показано на фиг. 2, блок газификатора в участке газификации содержит винтовое питающее устройство 9, содержащее герметичную пробку, газификатор 10, перегретый пар 12, воздушный компрессор 13, питание 14 энергии горелки и плазменную горелку 15. Выход винтового питающего устройства 9 присоединен к входу питания газификатора 10. И выход газа воздушного компрессора 13, и труба перегретого пара присоединяются к входу среды газификации, расположенному на боковой стороне нижней части газификатора 10. Дробленое топливо на основе биомассы непрерывно подается в газификатор 10 через винтовое питающее устройство 9. Герметичная пробка винтового питающего устройства 9 предохраняет высокотемпературный синтез-газ от обратного течения и создает определенную флуктуацию давления в газификаторе. Количество топлива регулируют путем регулирования скорости вращения винтового питающего устройства 9.

Газификатор 10 представляет собой газификатор с неподвижным слоем с верхней тягой, содержащий выход 11 сырого синтез-газа в его верхней части, выход 16 шлака, расположенный на его днище, и вход среды газификации, расположенный на боковой стороне его нижней части под неподвижным слоем. Газификатор находится в адиабатической форме, его внешняя часть представляет собой стальной кожух, облицовка которого сделана из адиабатического изолирующего материал, а поверхность, обращенная к пламени, сделана из высокохромистых кирпичей, так что газификатор способен выдерживать высокую температуру, а также сопротивляться коррозии среды газификации. Газификатор 10 обеспечен зоной расплавленного шлака, зоной окисления, зоной восстановления, зоной пиролиза и зоной высушивания снизу вверх. Температурные интервалы регулируются соответствующим образом согласно термохимическим характеристикам разных зон, достигая, тем самым, лучшего реакционного эффекта. Например, температурные интервалы являются следующими: зона расплавленного шлака от 1400 до 1750°С, зона окисления и восстановления от 1000 до 1300°С, и зона просвета в верхней части газификатора от 900 до 1200°С. Выход 11 сырого синтез-газа представляет собой выход, с помощью которого сырой синтез-газ выводят из газификатора. Сырой синтез-газ из газификатора затем охлаждают с помощью бойлера-утилизатора отходящего тепла и обрабатывают с помощью очищающей-охлаждающей башни для удаления пыли, получая квалифицированный синтез-газ из биомассы. Синтез-газ из биомассы после вышеуказанных обработок имеет калорийность приблизительно от 12 до 15 МДж/Нм³, относящуюся к средней калорийности, и может быть использован в качестве топлива, подаваемого в газовую турбину для генерации энергии.

Воздушный компрессор 13 подает воздух в газификатор, и данный воздух используется в качестве носителя тепловой энергии от плазменной горелки 15. Воздух, входящий в газификатор вместе с водяным паром из трубы пара 12, используется в качестве среды газификации для газификации биомассы, участвует в реакции окисления-восстановления и регулирует температуру газификатора 2 до определенной степени.

Питание 14 энергии горелки подает электрическую энергию к плазменной горелке 15, так что ток и выходная мощность плазменной горелки контролируются и регулируются.

В качестве внешнего источника тепла для реакций в газификаторе плазменная горелка 15 также поддерживает высокую температуру в газификаторе, тем самым обеспечивая условия для выпуска шлака в жидком состоянии. Выход плазменной горелки 15, газовый выход воздушного компрессора 13 и труба перегретого пара присоединяются к входу среды газификации. Выходная труба воздушного компрессора 13 окружает выход плазменной горелки 15, а труба пара окружает выходную трубу воздушного компрессора 13. Воздух вводится из положения между двумя электродами и из выходного кольца плазменной горелки в линейном потоке. Водяной пар входит в газификатор во вращательном потоке в самой внешней оболочке. Вращательный поток входит в газификатор и увеличивает возмущение, тем самым интенсифицируя способ газификации. Количество воздуха, вводимое в газификатор, определяется количеством тепловой энергии, переносимой от плазменной горелки. Во время работы, вместе с состоянием загрузки газификатора 10, состав и калорийность синтез-газа могут регулироваться в определенной степени путем регулирования мощности горелки и скорости потока воздуха и пара, тем самым оптимизируя способ газификации.

Способы охлаждения и промывки показаны на фиг. 3. Сырой синтез-газ, полученный в высокотемпературном неподвижном слое биомассы, имеет температуру от 1000 до 1200°С, содержание пыли ниже 20 г/Нм³ и содержание смолы ниже 3 г/Нм³ по сравнению со способом охлаждения и очистки угольного газа и коксового газа. Способ очистки сырого синтез-газа заключается в следующем: присоединяют сырой синтез-газ через высокотемпературную водоохлаждаемую трубу, распыляют воду в водоохлаждаемый башенный охладитель, частично конденсируя шлак, отбирают отходящее тепло в бойлере-утилизаторе отходящего тепла водотрубного типа и жаротрубного типа при двух разных давлениях, конденсируют тяжелую смолу в бойлере-утилизаторе отходящего тепла жаротрубного типа, промывают синтез-газ в насадочной колонне для снижения температуры и удаления пыли, дополнительно удаляют пыль и туман смолы в мокром электрическом пылесборнике и извлекают синтез-газ с помощью нагнетающего вентилятора угольного газа, переносят синтез-газ в бак мокрого газа для хранения. Параметры способа устанавливают и регулируют. Таким образом, синтез-газ охлаждают в двух стадиях, постепенно отбирают отходящее тепло и постепенно выполняют удаление пыли и удаление смолы. Синтез-газ после охлаждения и очистки имеет содержание пыли и содержание смолы <10 мг/Нм³, температуру <45°С и отбор теплосодержания выше чем 80%.

Высокотемпературная водоохлаждаемая труба и водоохлаждаемый башенный охладитель применяют мембранные структуры водоохлаждающих труб, тем самым снижая их массу, устраняя проблему опадания огнезащитных материалов и улучшая надежность работы. Высокотемпературная водоохлаждаемая труба, водоохлаждаемый башенный охладитель и бойлер-утилизатор отходящего тепла соединены последовательно, образуя систему циркуляции воды, так что решается проблема водяного охлаждения циркулирующей водой, и выполняется полный отбор тепловой энергии.

Воду распыляют в высокотемпературный синтез-газ в водоохлаждаемом башенном охладителе для снижения температуры синтез-газа до 800°С и конденсации шлака в синтез-газе; и шлак выпускают из дна башни. Таким образом, горячие поверхности бойлеров-утилизаторов отходящего тепла предохраняются от загрязнения шлаком, и гарантируется стабильность осуществления теплообмена в бойлерах-утилизаторах отходящего тепла.

Бойлер-утилизатор отходящего тепла включает в себя высокотемпературную секцию и низкотемпературную секцию. Температура синтез-газа на выходе высокотемпературной секции бойлера-утилизатора отходящего тепла составляет от 350 до 450°С, что выше точки конденсации тяжелой смолы, вследствие чего устраняется конденсация смолы. Высокотемпературная секция применяет бойлер-утилизатор отходящего тепла водотрубного типа. Рабочее давление в бойлере-утилизаторе отходящего тепла водотрубного типа равно или больше чем 1,6 мегапаскалей, тем самым улучшая качество температуры пара и удовлетворяя требованиям соответствующего химического пара. Температуру синтез-газа на выходе низкотемпературной секции бойлера-утилизатора отходящего тепла регулируют при менее чем 200°С, чтобы конденсировать тяжелую смолу в этой секции и собирать тяжелую смолу с помощью лотка. Низкотемпературная секция применяет бойлер-утилизатор отходящего тепла жаротрубного типа для улучшения эффекта теплообмена. Рабочее давление в бойлере-утилизаторе отходящего тепла жаротрубного типа составляет 0,5 мегапаскалей, и пар низкого давления, полученный в нем, подается в мокрый электрический пылесборник для выметания.

Синтез-газ из биомассы имеет относительно низкие содержание пыли и содержание смолы. Предварительно удаление пыли использует очищающую-охлаждающую башню с наполнителем, а не циклонный пылесборник или пылесборник Вентури. Реализуются не только цели удаления пыли и снижения температуры, но также вредные газы, включая H₂S, NH₃ и HCN, удаляются промывкой. Кроме того, уменьшается сопротивление системы и сберегается электрическое потребление вентилятора.

Мокрый электрический пылесборник организован в задней части потока способа для обеспечения задач удаления пыли и удаления смолы.

Хотя показаны и описаны конкретные варианты осуществления изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что изменения и модификации могут быть сделаны без отклонения от изобретения в его широких аспектах, и поэтому задачей формулы изобретения является покрывать все такие изменения и модификации, как попадающие в истинную сущность и объем изобретения.

Изобретение относится к химической промышленности и охране окружающей среды. Способ включает предварительную обработку и хранение биомассы, газификацию биомассы в газификаторе, охлаждение, промывку и удаление пыли из сырого газа газификации, хранение свежего газа. В газификаторе используют внешний источник тепла и регулируют температуру реакции в интервале 1300-1750°С. Полученный в газификаторе сырой синтез-газ вводят в башенный охладитель и двухстадийный бойлер-утилизатор отходящего тепла. Охлажденный сырой газ подвергают обработке с помощью промывки и электроосаждения. Полученный свежий газ сохраняют в газгольдере. Изобретение позволяет улучшить качество сырого газа. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ газификации биомассы при высокой температуре и атмосферном давлении путем использования участка газификации, в котором: предварительно обрабатывают и хранят биомассу, газифицируют биомассу в газификаторе, охлаждают сырой синтез-газ, промывают и удаляют пыль из сырого синтез-газа и хранят свежий синтез-газ,
отличающийся тем, что
тепловую энергию для газификации биомассы в газификаторе подают с помощью внешнего источника тепла, температуру реакции в газификаторе регулируют между 1300 и 1750°C, биомассу в газификаторе превращают в сырой синтез-газ, и шлак удаляют из газификатора в жидком состоянии;
сырой синтез-газ охлаждают с помощью блока охлаждения сырого синтез-газа, содержащего двухстадийный бойлер-утилизатор отходящего тепла, башенный охладитель, водоохлаждаемый змеевик и насос для циркуляции воды, где извлекают теплосодержание, причем бойлер-утилизатор отходящего тепла первой ступени представляет собой бойлер-утилизатор отходящего тепла водотрубного типа, а бойлер-утилизатор отходящего тепла второй ступени представляет собой бойлер-утилизатор отходящего тепла жаротрубного типа;
сырой синтез-газ после охлаждения промывают и обрабатывают путем электроосаждения пыли, и полученный чистый и свежий синтез-газ хранят с помощью бака для хранения газа; и
весь участок газификации работает при отрицательном давлении или при положительном давлении между 0 и 50 кПа.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что данный способ содержит следующие этапы, где:
1) дробят собранную биомассу, подают биомассу в газификатор при обеспечении внешнего источника тепла и окислителя в газификатор, регулируют рабочую температуру газификатора между 1300 и 1750°C и позволяют биомассе полностью контактировать с окислителем, так что происходят обезвоживание, осаждение летучего вещества, пиролиз и реакция газификации соответственно с получением сырого синтез-газа и золы;
2) вводят сырой синтез-газ в башенный охладитель и двухстадийный бойлер-утилизатор отходящего тепла, уменьшая температуру сырого синтез-газа до интервала от 85 до 200°C и отбирая теплосодержание; и
3) промывают сырой синтез-газ после отбора теплосодержания и удаляют из него пыль, получая чистый и свежий синтез-газ, имеющий содержание пыли и содержание смолы <10 мг/Нм³ и температуру <45°C; и переносят чистый и свежий синтез-газ в бак для хранения газа для хранения или непосредственно в процесс ниже по потоку для использования.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что на этапе 1) внешний источник тепла подают с помощью плазменного факельного генератора, микроволнового плазменного генератора или лазерного термогенератора.

4. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что
газификатор представляет собой атмосферный газификатор с неподвижным слоем, его рабочее давление составляет от 0 до 50 кПа, а температура зоны газификации составляет от 1300 до 1750°C;
среду газификации выбирают из группы, состоящей из воздуха, обогащенного кислородом воздуха, чистого кислорода, водяного пара или их смеси;
температуру у дна газификатора регулируют между 1450 и 1750°C, реализуя, тем самым, удаление шлака в жидком состоянии;
удаление шлака из газификатора использует непрерывное удаление шлака или периодическое удаление шлака, непрерывное удаление шлака используют, когда исходный материал имеет высокое содержание золы, а периодическое удаление шлака используют, когда исходный материал имеет низкое содержание золы;
температуру верхней части газификатора регулируют между 800 и 1450°C, скорость потока сырого синтез-газа в нем регулируют между 0,5 и 2,0 м/с; и
сырой синтез-газ выводят из газификатора через его верхнюю часть, скорость потока сырого синтез-газа на выходе газификатора регулируют от 8 до 20 м/с, и содержание пыли в сыром синтез-газе составляет <20 г/Нм³.

5. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сырой синтез-газ охлаждают следующим образом:
сырой синтез-газ выводят из газификатора через водоохлаждаемую трубу в башенный охладитель, где сырой синтез-газ охлаждают до температуры ниже 850°C с помощью распыляемой воды, водоохлаждаемого змеевика или пароохлаждаемого змеевика, и расплавленный шлак, переносимый сырым синтез-газом, затвердевает и отделяется;
сырой синтез-газ, имеющий температуру ниже 850°C после обработки в башенном охладителе, переносят в бойлер-утилизатор отходящего тепла первой ступени для отбора отходящего тепла, температуру сырого синтез-газа снижают до температуры выше точки конденсации тяжелой смолы, и скорость потока сырого синтез-газа в бойлере-утилизаторе отходящего тепла первой ступени регулируют между 7 и 20 м/с; и
сырой синтез-газ из бойлера-утилизатора отходящего тепла первой ступени переносят в бойлер-утилизатор отходящего тепла второй ступени для отбора отходящего тепла, сырой синтез-газ продолжают охлаждать, и температуру сырого синтез-газа снижают до интервала между 85 и 200°C, и скорость потока сырого синтез-газа в бойлере-утилизаторе отходящего тепла второй ступени регулируют между 7 и 20 м/с.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что сырой синтез-газ вводят в бойлер-утилизатор отходящего тепла первой ступени для отбора отходящего тепла, и температуру сырого синтез-газа снижают до интервала между 350 и 450°C.

7. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что сырой синтез-газ промывают следующим образом:
сырой синтез-газ после отбора тепла, имеющий содержание пыли ≤20 г/Нм³, переносят через трубу в очищающую-охлаждающую башню или скруббер Вентури для дополнительного снижения температуры сырого синтез-газа и удаления из него пыли; температура сырого синтез-газа после промывки снижается до интервала между 15 и 55°C, и промывочная вода циркулируется для использования;
фильтр расположен в трубе циркуляции воды для удаления загрязнений, переносимых циркулирующей промывочной водой;
загрязнения периодически выпускают соответственно качеству циркулирующей промывочной воды, и добавляют свежую циркулирующую воду;
циркулирующую воду охлаждают с помощью полой охлаждающей башни с механической тягой; и
остаток на фильтре после затвердевания возвращают в газификатор в виде нижнего слоя или переносят в хранилище золы с расплавленным шлаком, тем самым реализуя полную утилизацию.

8. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что удаление пыли в сыром синтез-газе выполняют следующим образом:
сырой синтез-газ из очищающей-охлаждающей башни или скруббера Вентури выводят в электрический пылесборник, где пыль и другие примеси в сыром синтез-газе удаляют под действием создаваемого в нем высоковольтного электрического поля; и
свежий синтез-газ из мокрого электрического пылесборника переносят нагнетающим вентилятором угольного газа в бак для хранения газа или непосредственно подают в устройства последующего процесса в качестве исходного газа.

9. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что высокотемпературный расплавленный шлак, полученный в газификаторе, гранулируют и применяют в качестве строительного материала для полной утилизации; и
зола из блоков охлаждения и промывки затвердевает, и ее используют в качестве нижнего слоя газификатора для рециркуляции.