МИКРОВОЛНОВОЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ГАЗИФИКАТОР БИОМАССЫ С НЕПОДВИЖНЫМ СЛОЕМ И СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК C10J3/00 C10J3/02 C10J3/18 C10J3/20 C10J3/72 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Данное изобретение касается газификации биомассы и твердых отходов и, более конкретно, газификатора и способа газификации биомассы и твердых отходов в синтез-газ высокого качества в присутствии микроволновой плазмы.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Китай богат ресурсами из биомассы, включая стебли хлопчатника, солому, ветки и рисовую шелуху. Так как обычные основные источники энергии, такие как ископаемое топливо, уменьшаются с каждым днем, люди обращают все больше внимания на низкокалорийные топлива.

Между тем, с ростом ответственности за окружающую среду промышленное производство постепенно принимает высокие технологии с более высокой эффективностью и меньшим загрязнением.

В настоящее время газификация с неподвижным слоем имеет такие недостатки, как низкая температура газификации, высокое содержание смолы и низкокачественный синтез-газ. Низкая температура газификации приводит к высокому содержанию смолы в синтез-газе. Смола трудно отделяется и легко блокирует и коррозирует клапаны, трубы и вспомогательное оборудование. Удаление смолы дорого стоит. С развитием микроволновой технологии микроволновая плазма с прекрасными характеристиками широко применяется для низкотемпературного химического парофазного осаждения (CVD), быстрого приготовления оптических волокон, субмикронного травления микросхем, поверхностной модификации полимерных материалов, обработки материалов микроэлектроники и т.д.

Данное изобретение приспосабливает микроволны и плазму для газификации биотоплива с высокой эффективностью, что обеспечивает новый путь получения синтез-газа с использованием биотоплива и отходов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ввиду вышеописанных проблем одной задачей данного изобретения является обеспечить газификатор с неподвижным слоем и способ его применения для газификации биомассы, чтобы получать высококачественный синтез-газ, особенно получать синтез-газ, содержащий СО и Н₂, с высокой эффективностью и экономичностью.

Для достижения указанной цели приняли следующие технические схемы.

Газификатор биомассы с неподвижным слоем на основе микроволновой плазмы содержит вертикально расположенный корпус печи, блок мониторинга и устройство генерации микроволновой плазмы, где корпус печи содержит впуск для материала и топлива, выпуск для синтез-газа, впуск для кислорода/пара и выпуск для шлака, где корпус печи содержит свободную зону в своей верхней части и зону неподвижного слоя в своей нижней части; выпуск для шлака находится в нижней части корпуса печи; блок мониторинга расположен вблизи выпуска для синтез-газа; и, по меньшей мере, одно устройство генерации микроволновой плазмы расположено на корпусе печи.

Предпочтительно, первое устройство генерации микроволновой плазмы расположено между зоной неподвижного слоя в нижней части корпуса печи и впуском для материала и топлива и второе устройство генерации микроволновой плазмы расположено в свободной зоне в верхней части корпуса печи; первое устройство генерации микроволновой плазмы содержит два или три слоя микроволновых генераторов плазмы, второе устройство генерации микроволновой плазмы содержит один или два слоя микроволновых генераторов плазмы, и каждый слой микроволновых генераторов плазмы содержит три или четыре равномерно распределенных впусков для рабочего газа.

Предпочтительно, первый микроволновой генератор плазмы имеет большую мощность и небольшое межэлектродное расстояние и дает плазму высокой температуры; второй микроволновой генератор плазмы имеет большое межэлектродное расстояние, высокую активность плазмы и широкой диапазон объема.

Предпочтительно, источник микроволновой энергии микроволновых генераторов плазмы имеет базовую частоту 2,45 ГГц, и мощность одного микроволнового генератора плазмы находится в пределах 200 кВт.

Предпочтительно, верхняя форсунка кислорода/пара расположена в свободной зоне корпуса печи, а нижняя форсунка кислорода/пара расположена в зоне неподвижного слоя корпуса печи.

Способ газификации, использующий данный газификатор, включает:

1) подачу биотоплива и отходов в корпус печи через питающее устройство, предоставление возможности биотопливу и отходам сгорать и газифицироваться в зоне с неподвижным слоем, давая высокотемпературный топочный газ, предоставление возможности топочному газу течь вверх для теплообмена с новоподаваемым биотопливом и отходами в зоне подачи газификатора, и тем самым предоставление возможности топочному газу реагировать с паром, распыляемым из нижней форсунки кислорода/пара и с плазменным окислителем, генерируемым первым микроволновым генератором плазмы, с получением синтез-газа по химической реакции: 2С+О₂=2СО, С+Н₂О=СО+Н₂, причем температура газификации составляет от 700 до 1600°С.

В данном температурном диапазоне плазменный окислитель, возбужденный микроволнами, имеет высокую степень ионизации, высокую степень дисперсности и большую окислительную активность и химическую реакционную способность. Таким образом, даже при относительно низкой окружающей температуре может протекать химическая реакция. Эффективность превращения биотоплива высока, и синтез-газ, содержащий СО и Н₂, имеет высокое качество и мало смолы.

2) предоставление возможности синтез-газу течь вверх в свободную зону, где смола в синтез-газе крекирует, а углеводороды в синтез-газе превращаются в присутствии плазмы, генерируемой вторым микроволновым генератором плазмы;

3) предоставление возможности коксовым остаткам падать вниз в зону неподвижного слоя и выделять тепловую энергию, поддерживая температуру зоны неподвижного слоя, и выпуск шлаков из выпуска для шлаков; и

4) мониторинг в реальном времени температуры и компонентов синтез-газа с помощью блока мониторинга, расположенного вблизи выпуска для синтез-газа, чтобы поддерживать параметры процесса в заданном интервале.

На этапе 1) температура газификации составляет от 700 до 1600°С; и на этапе 4) температура синтез-газа находится в пределах 1200°С.

На этапе 1) температура газификации составляет от 750 до 950°С.

На этапе 1) пар, распыляемый из нижней форсунки кислорода/пара, действует, увеличивая концентрацию пара, тем самым способствуя реакции между углеродными остатками и паром; на этапе 2) полная мощность второго микроволнового генератора плазмы удовлетворяет требованию подачи тепловой энергии для равновесия реакции; на этапе 2) надлежащий высокотемпературный пар распыляют из верхней форсунки кислорода/пара, чтобы вызывать реакцию крекинга смолы.

Преимущества согласно вариантам осуществления данного изобретения суммируются следующим образом.

1. В присутствии микроволновой плазмы с высокой степенью ионизации и высокой степенью дисперсности биотопливо превращается в газификаторе с высокой эффективностью, и эффективность холодного газа существенно улучшается по сравнению с эффективностью обычных способов газификации, превышая 85%.

2. Микроволновой генератор плазмы, расположенный в свободной зоне газификатора, простым способом и с хорошей экономической эффективностью облегчает дисбаланс крекинга смолы в синтез-газе, и, таким образом, синтез-газ содержит мало смолы или не содержит совсем и может непосредственно применяться в промышленности.

3. Газификатор не имеет особых требований к размеру частиц биотоплива, первоначальное дробление может удовлетворять требованиям к размеру частиц, и, таким образом, производственные расходы являются низкими, с хорошей экономической эффективностью.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает схематичное изображение газификатора биомассы с неподвижным слоем и последовательную схему способа газификации с его применением согласно одному варианту осуществления данного изобретения.

Фиг. 2 представляет собой вид в разрезе, сделанном по линии А-А на Фиг. 1.

На чертежах использованы следующие ссылочные позиции: 1. Питающее устройство; 2. Корпус печи; 3. Микроволновой генератор плазмы; 4. Нижняя форсунка кислорода/пара; 5. Верхняя форсунка кислорода/пара; 6. Блок мониторинга; 7. Выпуск для шлака; 8. Свободная зона газификатора.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Для дополнительной иллюстрации данного изобретения ниже описываются эксперименты, детализующие газификатор и способ газификации биомассы и твердых отходов с получением высококачественного синтез-газа. Следует заметить, что последующие примеры предназначены описывать, но не ограничивать данное изобретение.

Корпус печи 2 представляет собой вертикально расположенный цилиндр, свободная зона 8 находится в самой верхней части корпуса печи, а зона неподвижного слоя, принимающая микроволновую плазму, находится в самой нижней части корпуса печи. Вертикально опускающийся выпуск 7 для шлака расположен в нижней части корпуса печи. Верхняя форсунка 5 кислорода/пара расположена в свободной зоне 8 корпуса печи, а нижняя форсунка 4 кислорода/пара находится в зоне неподвижного слоя корпуса печи. Обе форсунки могут регулироваться переключателями, чтобы регулировать скорость потока. Корпус печи 2 является цилиндрическим или комбинацией конуса и цилиндра.

Питающее устройство 1 находится в средней части корпуса печи 2 и сообщается с корпусом печи 2 посредством наклонного подающего желоба. Способ подачи может представлять собой червячную подачу без необходимости наклонного подающего желоба.

Число микроволновых генераторов плазмы определяется содержание влаги и летучих компонентов в биотопливе. Так как биотопливо имеет высокое содержание влаги (приблизительно 20%) и низкую величину калорийности в этом примере, первое устройство генерации микроволновой плазмы содержит два или три слоя микроволновых генераторов плазмы 3 (на Фиг. 1 есть два слоя микроволновых генераторов плазмы), которые центрально расположены ниже питающего устройства 1 и немного выше, чем положение слоя материала в неподвижном слое, и каждый слой микроволновых генераторов плазмы содержит три или четыре равномерно распределенных впуска для рабочего газа. Аналогичное расположение микроволновых генераторов плазмы выше питающего устройства также приемлемо. Второе устройство генерации микроволновой плазмы расположено в свободной зоне, которая находится выше питающего устройства 1 и содержит один или два слоя микроволновых генераторов плазмы, где каждый слой микроволновых генераторов плазмы содержит три или четыре равномерно распределенных впуска для рабочего газа (на Фиг. 2 есть три впуска для рабочего газа).

Первый микроволновой генератор 3 плазмы имеет большую мощность и небольшое межэлектродное расстояние и дает высокотемпературную плазму; второй микроволновой генератор 3' плазмы имеет больше межэлектродное расстояние, высокую активность плазмы и широкий диапазон объема, что приспособлено для крекинга смолы в синтез-газе и превращения углеводородов, таких как метан, в синтез-газ. В итоге, содержание смолы в синтез-газе снижается, чтобы удовлетворять уровню для непосредственного использования в промышленности, и содержание углеводородов также снижается, что способствует последующему удалению углерода.

Источник микроволновой энергии микроволновых генераторов плазмы имеет базовую частоту 2,45 ГГц, и мощность одного микроволнового генератора плазмы находится в пределах 200 кВт.

Полная мощность второго устройства генерации микроволновой плазмы удовлетворяет требованию подачи тепловой энергии для равновесия реакции.

Блок 6 мониторинга находится вблизи выпуска для синтез-газа в верхней части корпуса печи 2, чтобы контролировать в реальном времени температуру и состав синтез-газа, чтобы поддерживать параметры способа в заданном интервале.

Биотопливо и отходы подаются в корпус печи 2 через питающее устройство 1 и быстро газифицируются в зоне неподвижного слоя газификатора. Сначала частицы топлива пиролизуются при высокой температуре, давая большое количество летучих компонентов и полукоксовые остатки. Летучие компоненты реагируют с кислородом и паром в присутствии плазмы высокой активности, генерируемой микроволновым генератором плазмы. Регулирование температуры зоны неподвижного слоя может обеспечивать гладкое протекание процесса газификации. Если температура печи слишком низкая, рабочий газ, такой как кислород, необходимо добавлять в большом количестве, и микроволновую мощность микроволнового генератора плазмы 3 и скорость потока рабочего газа регулируют соответственно и наоборот. Пар, распыляемый из нижней форсунки 4 кислорода/пара, действует, увеличивая концентрацию пара и тем самым способствуя реакции между углеродными остатками и паром, улучшая выпуск для Н₂, подавляя образование смолы в реакционной зоне и улучшая качество синтез-газа.

При подаче и газификации биотоплива синтез-газ течет вверх в свободную зону и крекирует. Коксовые остатки падают вниз в зону неподвижного слоя и выделяют тепловую энергию, поддерживая температуру в ней. Получаемый шлак выпускают из выпуска 7 для шлака. В свободной зоне 8 синтез-газ дополнительно крекирует в присутствии плазмы с высокой степенью ионизации и высокой активностью, генерируемой вторым микроволновым генератором плазмы. Надлежащий высокотемпературный пар распыляют из верхней форсунки 5 кислорода/пара для дополнительного крекинга смолы в синтез-газе. Таким образом, содержание смолы сильно уменьшается, что способствует последующему применению.

Температура газификации составляет от 700 до 1600°С; а температура синтез-газа находится в пределах 1200°С. Температура газификации составляет от 750 до 950°С.

Чтобы достичь оптимальных рабочих условий и удовлетворить требования полного осуществления газификации, ключом является регулирование температуры зоны неподвижного слоя, регулирование скорости потока кислорода, скорости потока пара и микроволновой мощности. Блок мониторинга, расположенный вблизи выпуска для синтез-газа, может контролировать вышеуказанные параметры в реальном времени, регулируя тем самым процесс газификации с помощью цепочечной и полной автоматизации и поддерживая стабильность работы газификатора.

Хотя показаны и описаны конкретные варианты осуществления данного изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что изменения и модификации могут быть сделаны без отклонения от данного 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 газификатору биомассы с неподвижным слоем на основе микроволновой плазмы и способу газификации биомассы и твердых отходов в синтез-газ высокого качества. Газификатор содержит вертикально расположенный корпус, блок мониторинга и устройство генерации микроволновой плазмы. На корпусе газификатора обеспечены впуск для материала и топлива, выпуск для полученного газа, впуск для кислорода/пара и выпуск для шлака в нижней его части. Корпус газификатора содержит свободную зону в своей верхней части и зону неподвижного слоя в своей нижней части. Блок мониторинга расположен вблизи выпуска для синтез-газа. Устройство генерации микроволновой плазмы расположено на корпусе газификатора. При осуществлении способа газификации подают биомассу в газификатор через питающее устройство, газифицируют ее в зоне с неподвижным слоем, давая высокотемпературный топочный газ, позволяют топочному газу течь вверх для теплообмена с новоподаваемой биомассой в зоне подачи газификатора и реагировать с паром, распыляемым из нижней форсунки кислорода/пара и с плазменным окислителем, генерируемым первым микроволновым генератором плазмы, с получением синтез-газа, позволяют синтез-газу течь вверх в свободную зону, где смолу в синтез-газе крекируют, а углеводороды в синтез-газе превращают в присутствии плазмы, генерируемой вторым микроволновым генератором плазмы, позволяют коксовым остаткам падать вниз в зону неподвижного слоя и выделять тепловую энергию для поддержания температуры зоны неподвижного слоя, а также выпускают шлаки из выпуска для шлаков и осуществляют мониторинг температуры и компонентов синтез-газа, чтобы поддерживать параметры процесса в заданном интервале. Изобретение обеспечивает газификацию с высокой эффективностью и экономичностью. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газификатор биомассы с неподвижным слоем на основе микроволновой плазмы, содержащий вертикально расположенный корпус печи, блок мониторинга и устройство генерации микроволновой плазмы, причем корпус печи содержит впуск для материала и топлива, выпуск для синтез-газа, впуск для кислорода/пара и выпуск для шлака, причем корпус печи содержит свободную зону в своей верхней части и зону неподвижного слоя в своей нижней части; выпуск для шлака находится в нижней части корпуса печи; блок мониторинга расположен вблизи выпуска для синтез-газа; и, по меньшей мере, одно устройство генерации микроволновой плазмы расположено на корпусе печи.

2. Газификатор по п. 1, отличающийся тем, что первое устройство генерации микроволновой плазмы расположено между зоной неподвижного слоя в нижней части корпуса печи и впуском для материала и топлива и второе устройство генерации микроволновой плазмы расположено в свободной зоне в верхней части корпуса печи; первое устройство генерации микроволновой плазмы содержит два или три слоя микроволновых генераторов плазмы, второе устройство генерации микроволновой плазмы содержит один или два слоя микроволновых генераторов плазмы, и каждый слой микроволновых генераторов плазмы содержит три или четыре равномерно распределенных впуска для рабочего газа.

3. Газификатор по п. 2, отличающийся тем, что первый микроволновой генератор плазмы имеет большую мощность и небольшое межэлектродное расстояние и дает плазму высокой температуры; второй микроволновой генератор плазмы имеет большое межэлектродное расстояние, высокую активность плазмы и широкой диапазон объема.

4. Газификатор по п. 3, отличающийся тем, что источник микроволновой энергии микроволновых генераторов плазмы имеет базовую частоту 2,45 ГГц и мощность одного микроволнового генератора плазмы находится в пределах 200 кВт.

5. Газификатор по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что верхняя форсунка кислорода/пара расположена в свободной зоне корпуса печи, а нижняя форсунка кислорода/пара расположена в зоне неподвижного слоя корпуса печи.

6. Способ газификации, использующий газификатор по любому из предыдущих пунктов, в котором:
1) подают биотопливо и отходы в корпус печи через питающее устройство, позволяют биотопливу и отходам сгорать и газифицироваться в зоне с неподвижным слоем, давая высокотемпературный топочный газ, позволяют топочному газу течь вверх для теплообмена с новоподаваемым биотопливом и отходами в зоне подачи газификатора, и при этом позволяют топочному газу реагировать с паром, распыляемым из нижней форсунки кислорода/пара и с плазменным окислителем, генерируемым первым микроволновым генератором плазмы, с получением синтез-газа по химической реакции: 2С+О₂=2СО, С+Н₂О=СО+Н₂, причем температура газификации составляет между 700 и 1600°С;
2) позволяют синтез-газу течь вверх в свободную зону, где смолу в синтез-газе крекируют, а углеводороды в синтез-газе превращают в присутствии плазмы, генерируемой вторым микроволновым генератором плазмы;
3) позволяют коксовым остаткам падать вниз в зону неподвижного слоя и выделять тепловую энергию для поддержания температуры зоны неподвижного слоя и выпускают шлаки из выпуска для шлаков; и
4) обеспечивают мониторинг в реальном времени температуры и компонентов синтез-газа с помощью блока мониторинга, расположенного вблизи выпуска для синтез-газа, чтобы поддерживать параметры процесса в заданном интервале.

7. Способ по п. 6, отличающийся тем, что на этапе 1) температура газификации находится между 700 и 1600°С; и на этапе 4) температура синтез-газа находится в пределах 1200°С.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что на этапе 1) температура газификации находится между 750 и 950°С.

9. Способ по п. 7 или 8, отличающийся тем, что на этапе 1) пар, распыляемый из нижней форсунки для кислорода/пара, действует, увеличивая концентрацию пара, тем самым способствуя реакции между углеродными остатками и паром; на этапе 2) полная мощность второго микроволнового генератора плазмы удовлетворяет требованию подачи тепловой энергии для равновесия реакции; надлежащий высокотемпературный пар распыляют из верхней форсунки для кислорода/пара, чтобы вызывать реакцию крекинга смолы.