ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к газификации топлива из биомассы и, в частности, к способу и установке для пиролиза топлива из биомассы для получения сингаза в сочетании с использованием микроволнового излучения и плазмы.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В традиционной области применения топлива из биомассы, по сравнению с его прямым сжиганием, газификация биомассы позволяет преобразовать твердое топливо из биомассы в сингаз, богатый монооксидом углерода и водородом. Сингаз может использоваться для производства метана, аммиака, мочевины, метанола, жидкого топлива и т.д. Это существенно расширяет область применения биомассы.
Поскольку суммарная реакция пиролиза и газификации биомассы представляет собой эндотермический процесс, в процессе пиролиза необходима внешняя энергия для поддержания реакции пиролиза. Внешняя энергия часто обеспечивается посредством режима теплопередачи с разделительной стенкой. В частности, тепло передается снаружи внутрь через оболочку топлива. Следовательно, эффективность передачи энергии оказывается низкой, и пиролиз топлива является неполным.
Появление микроволновой пиролизной печи позволяет использовать микроволновое излучение в качестве источника тепла, и его эффективность нагревания значительно выше, чем в случае теплопередачи с разделительной стенкой. Однако микроволновой пиролиз имеет следующие недостатки: реакция пиролиза биомассы является неполной, выход газа низкий, большая часть топлива из биомассы превращается в кокс и не может быть превращена в сингаз.
В китайской патентной заявке CN 200880124955.0 описан способ получения жидкого топлива и водорода из биомассы или угля с использованием солнечной энергии, микроволнового излучения и плазм. Способ минимизирует потери углерода в виде CO2 с помощью использования разных видов плазмы (электронная плазма, микроволновая плазма, ICP-плазма и лазерно-индуцированная плазма). В течение всего процесса плазма используется для окисления углерода с образованием CO и для снижения содержания CO2 с образованием СО. Воздействие плазмы усиливается за счет добавления различных элементов металлов (Mg, Mn, Al, Fe, Si, SiO2, и т.д.). В китайских патентных заявках №№ CN 201110449489.7, CN 201110449413.4 и CN 201110449459.6 используется единственное микроволновое плазменное оборудование для газификации в печи. В настоящее время отсутствуют данные о наличии конкретных ограничений относительно использования магнитного поля для стимулирования плазм для образования вторичного плазменного поля, чтобы интенсифицировать реакцию газификации в печи.
Кроме того, в процессе пиролиза биомассы и газификации подача под давлением может увеличить производительность, повысить выход при использовании единственной печи, уменьшить потребление кислорода и снизить потери с уносом. Что касается способа использования сингаза под давлением для получения масла, предварительное сжатие может значительно сэкономить энергопотребление на последующее сжатие и повысить энергоэффективность всей системы. После подачи под давлением материалы являются сконцентрированными, в результате чего на оборудовании тех же размеров может обрабатываться большее количество материалов. Однако вследствие характеристик топлива из биомассы, сырьевые материалы должны быть сформованы, превращены в пульпу или измельчены в порошок, что предполагает использование сложных производственных процессов и имеет низкую экономическую эффективность. В настоящее время отсутствуют сведения о печи пиролиза/газификации биомассы, работающей под давлением.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Учитывая описанные выше проблемы, целью настоящего изобретения является обеспечить способ и установку для пиролиза биомассы под давлением. Способ и установка сочетают использование микроволнового излучения и плазмы для превращения всей горючей композиции топлива из биомассы в сингаз и имеют высокую рентабельность, высокую эффективность конверсии углерода, хорошее качество сингаза. Объемное содержание эффективного сингаза превышает 90%. В то же время, единственная пиролизная печь изобретения имеет высокую производительность, при этом не используется компрессор, что позволяет сэкономить большое количество энергии на сжатие и снизить энергопотребление. В дополнение к этому, полученный сингаз не содержит коксовой смолы, что упрощает процесс последующей очистки и не вызывает загрязнения окружающей среды.
Для достижения указанной выше цели в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения предложен способ пиролиза биомассы под давлением в пиролизной печи, работающей под давлением, причем способ включает в себя:
1) измельчение и просеивание топлива из биомассы, отбор топлива из биомассы, имеющего желаемый размер частиц, и подачу топлива из биомассы, имеющего желаемый размер частиц, в систему подачи импульсного типа;
2) транспортировку топлива из биомассы в пиролизную печь посредством системы подачи импульсного типа в режиме плотной фазы при статическом давлении в присутствии уплотняющего воздуха, при синхронной инициации микроволнового излучения и плазменной горелки, причем микроволновое излучение создает микроволновое поле в пиролизной печи, рабочий газ плазменной горелки первоначально ионизируется для получения плазменной струи, входящей в пиролизную печь; частицы биомассы поглощают микроволновое излучение и синхронно нагреваются снаружи внутрь, и после этого активируются; под действием восходящего топливного газа и микроволновой энергии высокой интенсивности частицы биомассы мгновенно высушиваются и пиролизуются с образованием сингаза, небольшого количества зольного остатка и кокса, причем зольный остаток и кокс составляют неподвижный слой, перемещающийся вниз;
под электромагнитным действием микроволнового поля плазменная струя непрерывно ионизирует газ вокруг заряженных ионов с образованием вторичного ионного поля, обладающего высокой энергией и высокой активностью, тем самым ускоряя эффективность тепло- и массопереноса частиц биомассы; в донной части неподвижного слоя высокотемпературная плазменная струя полностью превращает кокс или другие углеродсодержащие материалы в высокотемпературный сингаз; пиролизная печь всегда работает под давлением, так что концентрация газофазных материалов в пиролизной печи повышается, скорость реакции увеличивается, время контакта газовой и твердой фаз удлиняется, при этом все перечисленное является благоприятным для конверсии частиц биомассы на дне пиролизной печи в высокотемпературный сингаз;
одновременно с перемещением вниз неподвижного слоя восходящий высокотемпературный сингаз дополнительно нагревает неподвижный слой и обеспечивает углекислый газ в качестве сырьевого газа для пиролиза, при этом зольный остаток, не содержащий углерода, продолжает двигаться вниз; в условиях высоких температур свободный от углерода зольный остаток находится в жидком состоянии и накапливается на дне пиролизной печи, при этом накопленный жидкий зольный остаток отводится через одинаковые промежутки времени или непрерывно для поддержания заданного уровня шлака, чтобы обеспечить работу пиролизной печи под давлением; и
3) обеспечение возможности высокотемпературному сингазу, образованному в 2), продолжать восходящее движение и выводиться из верха пиролизной печи, быстрое охлаждение сингаза с помощью циркуляции сингаза в трубе, введение сингаза в циклонный сепаратор для отделения остатков и последующее охлаждение и очистка сингаза с помощью, соответственно, охлаждающего устройства и устройства очистки для получения чистого сингаза.
В классе данного варианта осуществления температура сингаза на выходе из пиролизной печи варьируется в диапазоне от 1100°С до 1300°C. Температура реакции пиролиза превышает 1200°C. Температура шлаковой ванны на дне поддерживается между 1300°C и 2000°C. Если топливо из биомассы имеет высокую температуру плавления золы, добавляют известняк в качестве флюсующей добавки для снижения температуры плавления шлака.
Впуски для микроволнового излучения пиролизной печи расположены кольцеобразно и в несколько слоев в соответствии с характеристиками топлива, и мощность одинарного микроволнового излучения составляет менее 300 кВт. Высокотемпературный сингаз остается в печи на 8-15 секунд, и абсолютное давление в печи варьируется в диапазоне от 0,1 МПа до 5 МПа.
В классе данного варианта осуществления, в 3) суммарная потребляемая энергия микроволнового излучения и плазменной горелки в единицу времени составляет от 15% до 30% суммарной потребляемой энергии топлива из биомассы. В случае, когда рабочим газом плазменной горелки является кислород, масса кокса составляет менее 10% массы топлива из биомассы. Общее количество энергии, потребляемое микроволновым излучением и плазменной горелкой, составляет от 5% до 10% от общего количества энергии топлива из биомассы.
В классе данного варианта осуществления, в 3), в соответствии с различными последующими применяемыми способами, сингаз из циклонного сепаратора постепенно охлаждается и промывается водой или быстро охлаждается с помощью воды.
В классе данного варианта осуществления, в 2) жидкий шлак, накопленный на дне пиролизной печи, отводится через одинаковые промежутки времени или непрерывно для поддержания уровня шлака. После прохождения через шлюз для шлака, оснащенный устройством водяного охлаждения или быстрого водяного охлаждения, жидкий шлак рециркулируют при комнатной температуре.
Рабочим газом плазменной горелки является углекислый газ и/или водяной пар, и/или кислород, и/или очищенный сингаз. Плазменная струя, образованная первоначальной ионизацией рабочего газа, содержит обладающие большой энергией активные частицы, включающие ионы, электроны и свободные радикалы.
В классе данного варианта осуществления в системе подачи импульсного типа для подачи используется несущий газ. Несущим газом является азот, пар, углекислый газ или очищенный сингаз.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения предложена установка для пиролиза биомассы под давлением, включающая пиролизную печь, систему подачи импульсного типа и циклонный сепаратор. Пиролизная печь содержит выпуск для сингаза в ее верхней части, два отверстия подачи, расположенные по обе стороны ее средней части, множество впусков для микроволнового излучения и участков взаимодействия для плазменной горелки в нижней части пиролизной печи, а также выпуск для шлака в донной части пиролизной печи. Впуски для микроволнового излучения пиролизной печи расположены кольцеобразно и равноудаленно.
Впуски для микроволнового излучения пиролизной печи расположены в несколько слоев, и мощность одинарного микроволнового излучения составляет менее 300 кВт. Участки взаимодействия плазменной горелки находятся ниже впусков для микроволнового излучения и расположены кольцеобразно и равноудаленно.
Система подачи импульсного типа связана с отверстиями подачи пиролизной печи посредством подводящего трубопровода. Система подачи импульсного типа связана с трубопроводом несущего газа, и предусмотрен регулятор подачи для управления открыванием и закрыванием трубопровода несущего газа. Выпуск для сингаза в верхней части пиролизной печи связан с циклонным сепаратором. Выпуск для шлака на донной части пиролизной печи связан со шлюзом для шлака. Выпуск для золы циклонного сепаратора связан со шлюзом для золы. Циклонный сепаратор связан с охлаждающим устройством. Охлаждающее устройство связано с устройством очистки. Циркуляционное устройство быстрого охлаждения расположено между выпуском для сингаза наверху пиролизной печи и циклонным сепаратором.
В классе данного варианта осуществления по меньшей мере два шлюза для шлака расположены последовательно за выпуском для шлака на дне пиролизной печи. По меньшей мере два шлюза для золы расположены последовательно за выпуском для золы на дне циклонного сепаратора.
В классе данного варианта осуществления колонна обезуглероживания расположена после устройства очистки. Выпуск для углекислого газа колонны обезуглероживания связан с трубопроводом несущего газа системы подачи импульсного типа.
Полезные эффекты способа и установки пиролиза биомассы под давлением являются следующими:
Установка и способ пиролиза биомассы под давлением способны преобразовывать все горючие композиции топлива из биомассы в высококачественный сингаз, при этом объемное содержание эффективного газа является высоким. В противоположность этому, хотя традиционный способ пиролиза биомассы также может давать высококачественный сингаз, в нем образуется большое количество коксового остатка, и масса коксового остатка составляет от 20% до 30% массы топлива из биомассы. Смесь коксового остатка и шлака вызывает большие потери теплосодержания и, по сравнению с биомассой, коксовый остаток, полученный с помощью пиролиза, обладает меньшей реакционной активностью, не способствует газификации, что приводит к потере углеродсодержащих материалов.
В противоположность этому, в настоящем изобретении микроволновое поле высокой интенсивности всегда поддерживается внутри пиролизной печи, благодаря чему содержание коксового вещества составляет менее 10%.
В целом, микроволновое излучение и плазма сочетаются для образования вторичного высокоэнергетического высокоактивного ионного поля на дне пиролизной печи, и шлак накапливается на дне пиролизной печи с образованием шлаковой ванны. Исследования показали, что высокое содержание веществ щелочных металлов в шлаке благоприятствует каталитической реакции топлива из биомассы, тем самым ускоряя химическую реакцию массопереноса газ-твердая фаза-жидкость, и благодаря этому топливо из биомассы может быть полностью превращено в сингаз.
Преимущества способа и установки для пиролиза биомассы под давлением резюмированы следующим образом:
1. Микроволновое излучение и плазма используются совместно для пиролиза топлива из биомассы. В процессе нагревания отсутствует тепловая инерция. Пиролиз осуществляется в высокотемпературном ионном состоянии. Пиролиз является полным, и горючие композиции преобразуются в сингаз полностью. Эффективность конверсии углерода является высокой. Качество сингаза хорошее. Объемное содержание эффективного газа превышает 90%.
2. Топливо из биомассы подается в пиролизную печь под давлением. Единственная печь имеет высокую производительность. В процессе последующего использования компрессор не требуется, что позволяет сэкономить большое количество энергии на сжатие и снизить энергопотребление.
3. Сингаз не содержит смолы. Последующий способ очистки является простым и не вызывает загрязнения.
4. Топливо из биомассы подают в режиме плотной фазы при статическом давлении. Топливо из биомассы не нужно чрезмерно измельчать. Установка и способ являются рентабельными.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 представлена структурная схема установки для пиролиза биомассы под давлением, в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения.
На чертеже используются следующие числовые обозначения: 1 - система подачи импульсного типа; 2 - пиролизная печь; 3 - шлюз для шлака; 4 - циклонный сепаратор; 5 - шлюз для золы; 6 - охлаждающее устройство; 7 - устройство очистки; 8 - колонна обезуглероживания; 9 - компрессор; 10 - регулятор подачи; 11 - подводящий трубопровод; 12 - впуск для микроволнового излучения; 13 - плазменная горелка; 14 - выпуск для сингаза; 15 - регулятор пиролизной печи; 16 - топливо из биомассы; 17 - несущий газ; 18 - уплотняющий воздух; 19 - шлак; 20 - зольная пыль; 21 - углекислый газ; 22 - сингаз.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Для дальнейшей иллюстрации изобретения ниже приводятся эксперименты, подробно описывающие установку и способ пиролиза биомассы под давлением, с использованием рисовой шелухи в качестве примера. Следует отметить, что следующие примеры предназначены для описания, а не для ограничения изобретения.
Установка пиролиза биомассы под давлением, показанная на фиг.1, включает в себя пиролизную печь 2, систему 1 подачи импульсного типа и циклонный сепаратор 4. Пиролизная печь 2 имеет цилиндрическую форму; наружная стенка пиролизной печи изготовлена из стали, а внутренняя стенка пиролизной печи выполнена из огнеупорных кирпичей или имеет водяной экран. Выпуск 14 для высокотемпературного сингаза находится в верхней части пиролизной печи 2; овтерстия подачи расположены по обеим сторонам средней части пиролизной печи; множество впусков 12 для микроволнового излучения и участки взаимодействия для плазменной горелки 13 расположены в нижней части пиролизной печи; и выпуск для шлака находится на дне пиролизной печи. Впуски 12 для микроволнового излучения пиролизной печи расположены кольцеобразно на равных расстояниях.
Впуски 12 для микроволнового излучения пиролизной печи расположены в несколько слоев, и мощность одинарного микроволнового излучения составляет менее 300 кВт. Участки взаимодействия для плазменной горелки 13 размещены ниже впусков 12 для микроволнового излучения и расположены кольцеобразно на равных расстояниях.
Система 1 подачи импульсного типа связана с отверстиями подачи пиролизной печи посредством подводящего трубопровода 11. Система 1 подачи импульсного типа связана с трубопроводом несущего газа, и предусмотрен регулятор подачи для управления открыванием и закрыванием трубопровода несущего газа. Выпуск для сингаза в верхней части пиролизной печи связан с циклонным сепаратором. Выпуск для шлака на дне пиролизной печи связан со шлюзом 3 для шлака. Циклонный сепаратор 4 связан со шлюзом 5 для золы. Циклонный сепаратор 4 связан с охлаждающим устройством 6. Охлаждающее устройство 6 связано с устройством 7 очистки. Циркуляционное устройство быстрого охлаждения расположено между выпуском 14 для сингаза в верхней части пиролизной печи и циклонным сепаратором 4.
В соответствии с техническим предложением, по меньшей мере два шлюза 3 для шлака расположены последовательно за выпуском для шлака, находящимся на дне пиролизной печи 2. По меньшей мере два шлюза 4 для золы расположены последовательно за выпуском для золы, находящимся на дне циклонного сепаратора.
В соответствии с техническим предложением, колонна 8 обезуглероживания расположена после устройства 7 очистки. Выпуск для углекислого газа колонны обезуглероживания связан с подводящим трубопроводом системы 1 подачи импульсного типа.
Как показано на фиг.1, способ пиролиза биомассы под давлением резюмирован следующим образом:
1) рисовую шелуху измельчают и просеивают для получения размера менее 3 мм, и после этого рисовую шелуху (топливо 16 из биомассы) подводят в систему подачи импульсного типа. В системе 1 подачи импульсного типа применяется компрессор 9 для подачи несущего газа 17 под давлением. Подаваемый под давлением несущий газа транспортируется к воздухораспределителям в верхней и нижней части загрузочного бункера и к пневматической ножевой задвижке импульсного типа пиролизной печи. Регулятор 10 подачи регулирует открывание и закрывание каждого трубопроводного клапана для транспортировки рисовой шелухи в подводящий трубопровод 11 в режиме статического давления. Часть подаваемого под давлением несущего газа 17 вводится в непосредственной близости от крана подачи и впуска газификационной печи, выступая в качестве уплотняющего воздуха 18, чтобы способствовать подаче. Уплотняющий воздух может охлаждать патрубки подачи пиролизной печи, чтобы предотвратить коксование частиц биомассы в отверстиях подачи, и кинетическая энергия уплотняющего воздуха возле патрубков подачи может транспортировать топливо из биомассы и предотвращать застревание и закупорку материалов.
2) Рисовая шелуха транспортируется к пиролизной печи 2. Под действием подъема высокотемпературного газа и высокоинтенсивной микроволновой энергии в печи рисовая шелуха мгновенно высушивается и расщепляется, и температура рисовой шелухи быстро повышается. В процессе нагревания отсутствует тепловая инерция. Способ нагревания отличается от традиционных способов нагревания, где тепловая энергия передается от внешней стенки к внутренней части частиц. Таким образом, способ нагревания оказывает хорошее активирующее действие на частицы биомассы и повышает скорость реакции пиролиза, благодаря чему топливо из биомассы может быть преобразовано в сингаз в максимально возможной степени в течение короткого промежутка времени после поступления в пиролизную печь. Сингаз в основном содержит СО, СН4 и Н2. Сингаз также содержит небольшие количества CO2 и H2O. Способ не требует какого-либо окислителя или газифицирующего агента, и сингаз полностью образуется в результате пиролиза топлива из биомассы.
3) После пиролиза рисовой шелухи зольный остаток и небольшое количество кокса образует неподвижный слой (слой полностью сформирован коксом, полученным в результате пиролиза топлива из биомассы, имеет очень низкую реакционную активность и не легко сгорает). Неподвижный слой перемещается вниз. Плазменная горелка 13 в донной части неподвижного слоя производит поток высокотемпературной плазмы для газификации кокса при высоких температурах. Под действием электромагнитного микроволнового поля высокой интенсивности поток высокотемпературной плазмы имеет более высокую активность заряженных ионов и более сильную реакционную способность и может полностью преобразовывать углеродсодержащие вещества в высокотемпературный сингаз. Сингаз перемещается вверх с обеспечением тепловой энергии для неподвижного слоя и в то же время обеспечивает газообразный CO2 для реакции пиролиза в верхней части пиролизной печи. Не содержащее углерода вещество продолжает перемещаться вниз и становится шлаком. В условиях высокой температуры шлак является жидким и накапливается на дне с образованием шлаковой ванны. Жидкий шлак отводится регулярно или непрерывно для поддержания уровня шлака. После прохождения через шлюз 3 для шлака с водяным охлаждением или с быстрым водяным охлаждением, жидкий шлак рециркулируют при комнатной температуре.
4) Высокотемпературный сингаз выводится из выпуска 14 для сингаза пиролизной печи 2 и входит в высокотемпературный циклонный сепаратор 4. Температура зольного остатка в сингазе понижается до значения ниже температуры плавления зольного остатка с помощью применения способа циркуляционного охлаждения в трубе циклонного сепаратора 4. Зольная пыль 20, отделенная циклонным сепаратором, входит в шлюз 5 для золы, кроме этого отделенный сингаз входит в охлаждающее устройство 6. Колонна охлаждения или котел-утилизатора отработанного тепла может использоваться для охлаждения сингаза.
5) Охлажденный сингаз поступает в устройство 7 очистки, в котором удаляются вредные газовые примеси. В то же время устройство 7 очистки также содержит колонну конверсии для реакции конверсии (например, если необходимо преобразовать СО в водород, нужно только добавить воду в колонну конверсии), в частности, для процесса конверсии сингаза, обогащенного насыщенным паром, полученным в результате охлаждения.
6) Предпочтительно, колонна 8 обезуглероживания расположена после устройства 7 очистки для удаления углекислого газа 21 из сингаза. Улучшенный сингаз 22 демонстрирует более высокую теплотворную способность и лучшее качество. Углекислый газ 21 может использоваться в качестве несущего газа 17.
В 1) отсутствует необходимость чрезмерного измельчения топлива из биомассы. Размер частиц составляет менее 10 мм, и предпочтительно размер частиц составляет менее 3 мм. Топливо из биомассы должно быть как можно более сухим. Высокое влагосодержание топлива из биомассы влияет на качество сингаза и энергопотребление системы. Предпочтительно, отходящее тепло может использоваться для сушки топлива.
В 1) несущим газом 17 является углекислый газ, азот или пар. Углекислый газ, образованный в колонне 8 обезуглероживания, может быть рециркулирован, и также может использоваться высокотемпературный сингаз.
В 2) впуски 12 для микроволнового излучения пиролизной печи 2 расположены кольцеобразно и могут располагаться в несколько слоев в соответствии с характеристиками топлива, и мощность одинарного микроволнового излучения составляет менее 300 кВт. Высокотемпературный сингаз остается в высокотемпературной области от 8 до 15 секунд. Абсолютное давление в печи может быть определено с экономической точки зрения в соответствии с последующим способом использования. Предпочтительно абсолютное давление варьирует в диапазоне от 0,1 МПа до 5 МПа.
В 3) плазменная горелка 13 в основном создает высокотемпературный источник тепла, который может поддерживать некоторый уровень жидкого шлака на дне пиролизной печи. Теплоемкость ванны жидкого шлака играет роль в поддержании стабильности рабочих условий в печи. Рабочим газом является очищенный сингаз 22 и/или углекислый газ 21, и/или водяной пар, и/или кислород.
В 3) суммарная потребляемая (подводимая) энергия микроволнового излучения и плазменной горелки в единицу времени составляет от 15% до 30% суммарной потребляемой (подводимой) энергии топлива из биомассы. Электрическая энергия вырабатывается с помощью солнечной генераторной станции, отработанного тепла или дешевых источников электроэнергии для понижения стоимости энергии и повышения рентабельности способа. В частности, когда рабочим газом плазменной горелки является кислород, интенсивная реакция горения и экзотермическая реакция протекает между кислородом и коксом с обеспечением тепловой энергии для всей реакции пиролиза. Масса кокса составляет менее 10% массы топлива из биомассы. В результате, общее количество энергии, потребляемое микроволновым излучением и плазменной горелкой, составляет от 5% до 10% общего количества энергии топлива из биомассы.
В 3) температура реакции пиролиза превышает 1100°C. Температура высокотемпературной шлаковой ванны на дне поддерживается между 1100°C и 1300°C, и предпочтительная температура составляет от 1400°C до 1600°C. Флюсующие добавки, такие как известняк, могут добавляться в топливо с высокой температурой плавления золы для понижения температуры плавления шлака.
В 3) из-за сложных рабочих условий пиролиза традиционный ручной способ работы не соответствует требованиям к эксплуатации сопряженного способа пиролиза. В связи с этим такие параметры, как температуру сингаза, мощность микроволнового излучения, мощность плазмы и содержание шлака, можно регулировать с помощью регулятора 15 пиролизной печи.
В 4) предпочтительная температура области охлаждения от верхней части пиролизной печи до высокотемпературного циклонного сепаратора 4 варьируется в диапазоне от 600°C до 850°C.
Если не указано иное, числовые диапазоны, применяемых в соответствии с настоящим изобретением, включают конечные значения. Хотя были показаны и описаны конкретные варианты осуществления изобретения, специалистам будет ясно, что изменения и модификации могут быть сделаны без отклонения от сущности изобретения в его более широких аспектах и, таким образом, целью прилагаемой формулы изобретения является охватить все такие изменения и модификации, не выходящие за пределы сущности и объема настоящего изобретения.
Изобретение относится к газификации топлива из биомассы для получения сингаза. Способ включает пиролиз биомассы под давлением, в котором пиролиз биомассы осуществляют при использовании микроволнового излучения в сочетании с плазмой, и происходит обработка углеродных остатков после пиролиза с использованием плазмы. Пиролизная установка включает в себя пиролизную печь, систему подачи, циклонный сепаратор. В нижней части пиролизной печи предусмотрено множество впусков для микроволнового излучения и участок взаимодействия для плазменной горелки. На дне пиролизной печи предусмотрена ванна накопления шлака. Впуски для микроволнового излучения и участок взаимодействия для плазменной горелки пиролизной печи распределены в несколько слоев, причем каждый слой помещен на одинаковом расстоянии. Участок взаимодействия для плазменной горелки расположен ниже впусков микроволнового излучения и над уровнем жидкости в ванне накопления шлака. Направление струи плазмы в переходном разъеме плазменной горелки находится в пределах микроволнового поля на впусках микроволнового излучения. Полученный в результате синтез-газ не содержит смолы, и последующий процесс очистки является простым, без загрязнения окружающей среды. Способ имеет высокую эффективность и высокую степень конверсии углерода. Синтез-газ имеет хорошее качество, и объем эффективного газа достигает свыше 90%. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 ил.
1. Способ пиролиза биомассы под давлением в пиролизной печи, работающей под давлением, причем способ включает:
1) измельчение и просеивание топлива из биомассы, отбор топлива из биомассы, имеющего желаемый размер частиц, и подача топлива из биомассы, имеющего желаемый размер частиц, в систему подачи импульсного типа;
2) транспортировку топлива из биомассы в пиролизную печь посредством системы подачи импульсного типа в режиме плотной фазы при статическом давлении в присутствии уплотняющего воздуха при синхронной инициации микроволнового излучения и плазменной горелки, причем микроволновое излучение создает микроволновое поле в пиролизной печи, причем рабочий газ плазменной горелки первоначально ионизируют для получения плазменной струи, входящей в пиролизную печь;
частицы биомассы поглощают микроволновое излучение и синхронно нагреваются снаружи внутрь, и после этого активируются; под действием восходящего топливного газа и микроволновой энергии высокой интенсивности частицы биомассы мгновенно высушивают и пиролизуют с образованием сингаза, небольшого количества зольного остатка и кокса, причем зольный остаток и кокс составляют неподвижный слой, перемещающийся вниз;
под электромагнитным действием микроволнового поля плазменная струя непрерывно ионизирует газ вокруг заряженных ионов с образованием вторичного ионного поля, обладающего высокой энергией и высокой активностью, тем самым ускоряя эффективность тепло- и массопереноса частиц биомассы; в донной части неподвижного слоя высокотемпературная плазменная струя полностью превращает кокс или другие углеродсодержащие материалы в высокотемпературный сингаз; пиролизная печь всегда работает под давлением, так что концентрация газофазных материалов в пиролизной печи повышается, скорость реакции увеличивается, время контакта газовой и твердой фаз удлиняется, при этом все перечисленное является благоприятным для конверсии частиц биомассы на дне пиролизной печи в высокотемпературный сингаз;
с перемещением вниз неподвижного слоя восходящий высокотемпературный сингаз дополнительно нагревает неподвижный слой и обеспечивает углекислый газ в качестве сырьевого газа для пиролиза, при этом зольный остаток, свободный от углерода, продолжает перемещение вниз; при высоких температурах свободный от углерода зольный остаток находится в жидком состоянии и накапливается на дне пиролизной печи, при этом накопленный жидкий зольный остаток отводится через одинаковые промежутки времени или непрерывно для поддержания заданного уровня шлака для обеспечения работы пиролизной печи под давлением; и
3) обеспечение возможности высокотемпературному сингазу, образованному в 2), продолжать восходящее движение и выводиться из верха пиролизной печи, быстрое охлаждение сингаза с помощью циркуляции сингаза в трубе, введение сингаза в циклонный сепаратор для отделения остатков и последующее охлаждение и очистка сингаза с помощью, соответственно, охлаждающего устройства и устройства очистки для получения чистого сингаза.
2. Способ по п. 1, в котором
температуру сингаза на выходе из пиролизной печи варьируют в диапазоне от 1100°С до 1300°C; температура пиролиза в пиролизной печи превышает 1200°C; температуру шлаковой ванны на дне пиролизной печи поддерживают между 1300°C и 2000 °C;
в том случае, когда топливо из биомассы имеет высокую температуру плавления золы, добавляют известняк в качестве флюсующей добавки для снижения температуры плавления шлака;
впуски для микроволнового излучения пиролизной печи расположены кольцеобразно и в несколько слоев; и
мощность одинарного микроволнового излучения составляет менее 300 кВт; сингаз оставляют в пиролизной печи 8-15 секунд, и абсолютное давление в пиролизной печи варьируют в диапазоне от 0,1 МПа до 5 МПа.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором в 3) суммарная потребляемая энергия микроволнового излучения и плазменной горелки в единицу времени составляет от 15% до 30% суммарной потребляемой энергии топлива из биомассы; в случае, когда рабочим газом плазменной горелки является кислород, масса кокса составляет менее 10% массы топлива из биомассы, и общее количество энергии, потребляемой микроволновым излучением и плазменной горелкой, составляет от 5% до 10% общего количества энергии топлива из биомассы.
4. Способ по п. 3, в котором в 3) сингаз из циклонного сепаратора постепенно охлаждают и промывают водой или быстро охлаждают с помощью воды.
5. Способ по п. 3, в котором в 2) жидкий шлак, накопленный на дне пиролизной печи, отводят через одинаковые промежутки времени или непрерывно для поддержания уровня шлака; после прохождения через шлюз для шлака, оснащенный устройством водяного охлаждения или быстрого водяного охлаждения, жидкий шлак рециркулируют при комнатной температуре.
6. Способ по п. 3, в котором рабочим газом плазменной горелки является углекислый газ и/или водяной пар, и/или кислород, и/или очищенный сингаз; плазменная струя, образованная первоначальной ионизацией рабочего газа, содержит активные частицы, включающие ионы, электроны и свободные радикалы.
7. Способ по п. 3, в котором в систему подачи импульсного типа осуществляется подача с помощью несущего газа, которым является азот, пар, углекислый газ или очищенный сингаз.
8. Установка для пиролиза биомассы под давлением, включающая пиролизную печь, систему подачи импульсного типа и циклонный сепаратор;
в которой
пиролизная печь содержит выпуск для сингаза в ее верхней части, два отверстия подачи, расположенные на обеих сторонах средней части пиролизной печи, множество впусков для микроволнового излучения и участков взаимодействия для плазменной горелки в нижней части пиролизной печи, и выпуск для шлака в донной части пиролизной печи;
впуски для микроволнового излучения пиролизной печи расположены кольцеобразно и равноудаленно в несколько слоев;
мощность одинарного микроволнового излучения составляет менее 300 кВт; участки взаимодействия для плазменной горелки расположены ниже впусков для микроволнового излучения и расположены кольцеобразно и равноудаленно;
система подачи импульсного типа связана с отверстиями подачи пиролизной печи посредством подводящего трубопровода; система подачи импульсного типа связана с трубопроводом несущего газа, и обеспечен регулятор подачи для управления открыванием и закрыванием трубопровода несущего газа; выпуск для сингаза в верхней части пиролизной печи связан с циклонным сепаратором; выпуск для шлака в донной части пиролизной печи связан со шлюзом для шлака; выпуск для золы циклонного сепаратора связан со шлюзом для золы; циклонный сепаратор связан с охлаждающим устройством; охлаждающее устройство связано с устройством очистки; циркуляционное устройство быстрого охлаждения расположено между выпуском для сингаза и циклонным сепаратором.
9. Установка по п. 8, в которой по меньшей мере два шлюза для шлака расположены последовательно за выпуском для шлака на дне пиролизной печи; и по меньшей мере два шлюза для золы расположены последовательно за выпуском для золы на дне циклонного сепаратора.
10. Установка по п. 8 или 9, в которой колонна обезуглероживания расположена после устройства очистки; и выпуск для углекислого газа колонны обезуглероживания связан с трубопроводом несущего газа системы подачи импульсного типа.
| CN 102530859 A, 04.07.2012 | |||
| Полуавтоматы для клеймения болтов и плоских деталей | 1948 |
|
SU77864A1 |
| RU 2009147600 A, 27.06.2011 | |||
| CN 101909741 A, 08.12.2010 | |||
| US 2013032464 A1, 07.02.2013. | |||
