УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИНДУЦИРУЕМОЙ МИКРОВОЛНАМИ ПЛАЗМЕННОЙ ОЧИСТКИ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА Российский патент 2018 года по МПК B01D53/74 C10K3/00 

Ссылка на родственную заявку

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет согласно предварительной заявке на патент США №62/006448, поданной 2 июня 2014 г., содержание которой включено в настоящую заявку посредством ссылки.

Уровень техники

[0002] Газификация представляет собой непрерывный процесс термического разложения, в ходе которого происходит разложение твердых органических или углеродсодержащих материалов (исходного сырья) в смесь горючего газа. Образованные компоненты горючего газа представляют собой прежде всего монооксид углерода (CO), водород (H₂) и метан (CH₄). Другие негорючие газы, такие как азот (N₂), водяной пар (H₂O) и двуокись углерода (CO₂), также присутствуют в различных количествах. Процесс газификации включает пиролиз, сопровождаемый неполным окислением, которым управляют посредством закачки воздуха или других кислород-содержащих газов в частично пиролизованное исходное сырье. Точнее газификация биомассы представляет собой последовательность реакций, включая испарение воды, разложение лигнина, дефлаграцию целлюлозы и восстановление углерода. При использовании концентрированного кислорода полученную в результате газовую смесь называют синтетическим газом. При использовании в качестве окислителя воздуха (содержащего азот) полученную в результате газовую смесь называют генераторным газом. Для простоты термин «генераторный газ» при использовании здесь должен включать и синтетический газ, и генераторный газ. Обе газовые смеси рассматриваются в качестве «топливного газа», который может быть использован в качестве замены природному газу во многих процессах. Они могут также быть использованы в качестве исходного реагента для выработки различных индустриальных химических продуктов и моторного топлива. При использовании биомассы в качестве исходного сырья газификация и сгорание генераторного газа, как полагают, являются источником возобновляемой энергии.

[0003] Генераторный газ может сгорать непосредственно в некоторых двигателях и горелках, очищенный для образования метанола и водорода, или преобразованный посредством способа Фишера-Тропша и других способов и процессов в искусственное жидкое топливо.

[0004] Древесный уголь используют для очистки жидкостей и газов еще с 2000-1500 гг. до н.э. При прохождении газа через активированный уголь углерод поглощает многие из примесей, а также CO и CO₂.

[0005] Микроволны используют для нагрева субстратов начиная с 1950 гг., а использование микроволн для катализации химических реакций начато в 1980 гг. Микроволны способны нагревать субстрат без нагрева окружающего сосуда и также нагревать внутреннюю часть субстрата вместо простого нагрева его внешней части. Микроволны также способны нагревать субстрат быстрее традиционных способов нагревания. Наконец, нагрев субстрата посредством микроволн обычно требует меньшего количества энергии, чем нагрев посредством проводимости или конвекции.

[0006] Многие устройства и способы были использованы для очищения (purify), очистки и подготовки топливных газов, в частности синтетического газа, образованного в результате газификации биомассы в присутствии концентрированного кислорода и генераторного газа, образованного в результате газификации биомассы в присутствии воздуха (содержащего азот). Для пригодности использования синтетического газа или генераторного газа в качестве топливного газа смола и другие примеси должны быть удалены из газа.

[0007] Известные устройства и способы обычно основаны на частичном сгорании необработанного газа для выработки энергии, необходимой для разложения смол. Эти устройства и способы расходуют газ и могут вносить дополнительные примеси в результате неполного сгорания смол.

[0008] Таким образом, необходимы эффективные и дешевые устройство и способ для удаления смол и других примесей из необработанного синтетического газа и генераторного газа для подготовки топливного газа. Эти устройство и способ не должны быть основаны на сгорании газа в качестве источника энергии, но должны полагаться на более дешевый источник энергии для выполнения очищения.

Раскрытие сущности изобретения

[0009] Раскрыты устройство и способ для очистки генераторного газа, использующие микроволны, активированный уголь и фирменные микроволновые поглощающие фильтры, вырабатывающие теплоту для термического разложения смол, и углеводороды длинной цепи для получения более высоких долей чистого газа, чем достижимые в настоящее время посредством использования известных способов. При фокусировании микроволн на камеру с таким необработанным газом происходит нагрев газа, а взаимодействие микроволн с углеродом ионизирует плазму, причем сочетание этих процессов заставляет примеси и тяжелые углеродные соединения диссоциировать внутри газового потока. При прохождении газа через пласт активированного угля (например, биоугля, восстановленного из газогенератора с нисходящим потоком) или лигнита до обработки его микроволновым излучением многие из примесей могут быть физически захвачены активированным углем и отделены от газа. Комбинация фильтрования через слой активированного угля и плазменной ионизации очищает газ и обеспечивает более высокое содержание чистого газа для приложений, требующих такого качества.

[0010] Эти и другие преимущества настоящего изобретения будут дополнительно поняты и оценены специалистами в данной области техники посредством ссылок на последующие письменные описания, пункты формулы изобретения и приложенные чертежи.

Краткое описание чертежей

[0011] На фиг. 1 показан перспективный вид устройства.

[0012] На фиг. 2 показан боковой вид устройства с местным разрезом, включая узел загрузочного шнека.

[0013] На фиг. 3 показан боковой вид устройства с местным разрезом, включая шнек удаления отходов; и

[0014] на фиг. 4 показан вид устройства сверху.

Осуществление изобретения

[0015] Следует понимать, что определенные устройства и процессы, показанные на прилагаемых чертежах и описанные в последующем описании, представляют собой взятые в качестве примера варианты реализации идей изобретения, определенных в приложенных пунктах формулы изобретения. Следовательно, определенные размеры и другие физические свойства, имеющие отношение к раскрытым здесь вариантам реализации, нельзя полагать ограничивающими, если только пункты формулы изобретения явно не утверждают иное. Устройство очистки газа и его особенности перечислены здесь и большое количество подробностей вариантов реализации обсуждено ниже.

[0016] I. Краткий обзор устройства

[0017] Устройство 100 представляет собой автономный блок очистки газа, который принимает поток необработанного газа, пропускает газ через пласт активированного угля и затем ионизирует газовый поток, а также подвергает его воздействию высоких температур посредством направления микроволн в него. Очищенный или обработанный газ выкачивают так, чтобы он мог быть охлажден и использован в промышленных и коммерческих применениях.

[0018] Как показано на фиг. 1, 2 и 3, устройство 100 может быть выполнено разными способами. В одном варианте реализации устройство содержит следующие компоненты: узел 110 загрузочного шнека; корпус 120 фильтрующего слоя; микроволновую камеру 200; по меньшей мере одно входное отверстие 330 для газа; узел 130 шнека удаления отходов и по меньшей мере одну каталитическую камеру. Как показано на фиг. 1, устройство может быть выполнено как первая вертикально установленная труба, причем труба имеет периметр, внешнюю стенку 121, ближний конец 124 и дальний конец 123. Как показано на фиг. 2, устройство содержит внутреннюю стенку 122 и первую каталитическую камеру 240. Как показано на фиг. 3, вторая каталитическая камера 380 представляет собой вторую вертикально установленную трубу, причем вторая труба также имеет периметр, внешнюю стенку 381, ближний конец 384 и дальний конец 383. Как показано на фиг.3, вторая каталитическая камера 380 может также иметь внутреннюю стенку 385.

[0019] Как показано на фиг. 1, первая вертикально установленная труба может быть выполнена из нескольких более коротких вертикально установленных труб одинакового диаметра, соединенных вместе болтами. В одном варианте реализации настоящего изобретения длина каждой вертикально установленной трубы составляет примерно от 48 дюймов до 60 дюймов, а полная длина комбинированной трубы составляет примерно 228 дюймов. В одном варианте реализации настоящего изобретения первая вертикально установленная труба выполнена из стальных плит марки А36. В одном варианте реализации настоящего изобретения диаметр между противоположными внутренними стенками первой вертикально размещенной трубы составляет примерно 26 дюймов.

[0020] Как показано на фиг. 2, в одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 100 размещено в первой вертикально установленной трубе, имеющей периметр, внутреннюю стенку, наружную стенку 121, ближний конец 124 и дальний конец 123. В одном варианте реализации настоящего изобретения корпус содержит камеру 220 фильтрующего слоя на ближнем конце 124; входное отверстие 201 для основанного на углероде материала и выходное отверстие 250 для отработанного углерода; входное отверстие 330 для газа, расположенное между выходным отверстием 250 для отработанного углерода и камерой 220 фильтрующего слоя. Корпус содержит микроволновую камеру 200, расположенную выше камеры 220 фильтрующего слоя. Микроволновая камера 200 содержит проницаемый верх 202, содержащий поглощающий микроволны материал, волноводы 150, размещенные вокруг периметра, через которые микроволны могут быть введены в устройство 100, и магнетрон и изолятор, прикрепленные к каждому волноводу 150. Устройство 100 может содержать первую каталитическую камеру 240, соединенную с микроволновой камерой 200 и размещенную дальше от нее; выходное отверстие 331 для газа, связанное с первой каталитической камерой 240, и, в одном варианте реализации настоящего изобретения, вторую каталитическую камеру 380, связанную с выходным отверстием 331 для газа первой каталитической камеры 240. Вторая каталитическая камера 380 может представлять собой вторую вертикально установленную трубу, имеющую периметр, внутреннюю стенку 385, наружную стенку 381, ближний конец 383 и дальний конец 384.

[0021] Способ очистки газа включает использование устройства, описанного в предыдущем параграфе, посредством выполнения следующих операций: заполнение камеры 220 фильтрующего слоя вплоть до верха камеры 220 фильтрующего слоя основанным на углероде материалом; введение микроволн в микроволновую камеру 200 посредством использования магнетронов и волноводов 150; диссоциация тяжелых углеродных соединений, погруженных внутри газа, посредством прохождения газа через входное отверстие 330 для газа, основанный на углероде материал в камере 220 фильтрующего слоя, микроволновую камеру 200, первую каталитическую камеру 240 и вторую каталитическую камеру 380, и затем откачка очищенного газа.

[0022] II. Узел микроволновой камеры

[0023] А. Узел загрузочного шнека

[0024] В одном варианте реализации настоящего изобретения биоуголь (также называемый активированным углем) может быть побочным продуктом газификации с нисходящим потоком, углем или любым другим основанным на углероде материалом, подходящим для фильтрации. Как показано на фиг. 2, активированный уголь входит в устройство 100 через желоб 210 шнека, причем желоб 210 шнека имеет входное отверстие 214 и выходное отверстие 215. Устройство 100 содержит входное отверстие 201 камеры фильтрующего слоя для вхождения активированного угля в камеру 220 фильтрующего слоя. В одном варианте реализации настоящего изобретения желоб 210 шнека подает основанный на углероде материал, такой как, например, биоуголь, в верхнюю часть пласта камеры 220 фильтрующего слоя, пополняя пласт основанного на углероде материала внутри камеры. Узел 110 загрузочного шнека может проходить весь путь или часть пути к входному отверстию 201 камеры фильтрующего слоя. Обратное распространение микроволн через желоб 210 шнека может быть предотвращено самим основанным на углероде материалом, который взаимодействует с микроволнами в выходном отверстии желоба 210 шнека или посредством волновода при прохождении волновода в микроволновую камеру 200.

[0025] В. Камера фильтрующего слоя

[0026] В одном варианте реализации настоящего изобретения биоуголь может заполнять устройство 100 до микроволновой камеры 200. В этом варианте реализации пласт биоугля образует дно микроволновой камеры 200. При работе ведущий край биоугля представляет собой поверхностью раздела, действующую как катализатор во время работы устройства для создания плазменного поля вследствие взаимодействия микроволн с биоуглем.

[0027] Системы управления устройства 100 определяют момент инициации каждого цикла загрузки биоугля на основании сигналов, таких как сигналы об изменении значений температуры или давления, полученные от различных датчиков и индикаторов на устройстве 100. Уровень биоугля может быть поддержан посредством радиочастотного бесконтактного переключателя. Конечный потребитель может также автоматизировать процесс заполнения газогенератора исходным сырьем посредством датчика времени или посредством использования микроволнового датчика или другого подходящего индикатора уровня загрузки для регистрации присутствия исходного сырья на определенном уровне загрузки в газогенераторе. Устройство 100 может содержать один или большее количество индикаторов уровня загрузки, способных работать в высокотемпературных окружающих средах. Индикатор уровня загрузки может быть любым индикатором, который не взаимодействует с микроволнами в устройстве 100 или не страдает от такого взаимодействия. В одном варианте реализации настоящего изобретения при обнаружении индикатором уровня загрузки низкого уровня биоугля, узел 110 загрузочного шнека начинает вводить биоуголь во входное отверстие 201 камеры фильтрующего слоя. Одна конструкция устройства со множественными индикаторами уровня загрузки обеспечивает возможность использования большего количества вариантов выбора высоты пласта остатка биоугля при использовании автоматической системы заполнения. Узел 110 загрузочного шнека может быть герметизирован для согласования с давлением в камере 220 фильтрующего слоя. В одном варианте реализации настоящего изобретения активированный уголь вводят в камеру 220 фильтрующего слоя через входное отверстие 201 камеры фильтрующего слоя, причем входное отверстие 201 камеры фильтрующего слоя размещено в верхней половине камеры 220 фильтрующего слоя.

[0028] С. Микроволновая камера

[0029] Микроволновая камера 200 может быть оптимизирована по форме и используемым материалам для выработки теплоты, необходимой для очищения необработанного газа. Как показано на фиг.2, геометрия микроволновой камеры 200 может быть выполнена в виде цилиндрической трубы, имеющей стенки, верх 202 и дно 203. Дно 203 микроволновой камеры 200 может быть соединено с другой трубой, которая представляет собой камеру 220 фильтрующего слоя, также имеющую верх 223 и дно 224. В одном варианте реализации настоящего изобретения микроволновая камера 200 и камера 220 фильтрующего слоя выполнены в виде одной трубы. В другом варианте реализации настоящего изобретения труба представляет собой нецилиндрическую трубу, такую как трубу с квадратным или прямоугольным сечением.

[0030] Выше пласта биоугля размещена микроволновая камера 200, причем размер этой микроволновой камеры 200 может быть разным. Микроволновая камера 200 может быть выполнена в виде трубы или камеры конической формы. Конструкция микроволновой камеры 200 предназначена для концентрации микроволновых полей, образованных контролируемыми электронным образом микроволновыми излучателями (также называемыми магнетронами), размещенными вокруг периметра внешней микроволновой камеры 200. Стенки микроволновой камеры 200 выполнены с возможностью проникновения микроволн через стенки в определенных местах. Микроволновая камера 200 может иметь отверстия или углубления для облегчения прохождения микроволн через стенки. Конструкция микроволновой камеры 200 обеспечивает возможность концентрации микроволн с разрядами, происходящими между частицами биоугля. Сконцентрированное воздействие этих разрядов образует плазменную область, причем температуры внутри плазменных областей достигают значений, немного меньших теоретической температуры в 5000 градусов по Фаренгейту. В одном варианте реализации настоящего изобретения верх 202 микроволновой камеры 200 выполнен из специально разработанного покрытия, такого как смесь карбида кремния и окиси алюминия или смесь окиси алюминия и углерода. В одном варианте реализации настоящего изобретения внутренняя поверхность всего устройства 100 покрыта карбидом кремния, оксидом кремния, окисью алюминия, жаропрочными сплавами, другой керамикой или другим материалом, имеющим аналогичные свойства, устойчивые при высоких температурах. В одном варианте реализации настоящего изобретения определенные области микроволновой камеры 200 облицованы поглощающим микроволны материалом 260, который образует зоны высокой температуры для дополнительного усиления процесса термического разложения. Комбинация материалов, используемых в микроволновой камере 200, также препятствует выходу микроволн из устройства 100. Поглощающий микроволны материал может быть любым материалом, эффективно преобразующим микроволновую энергию в тепловую энергию. Эти материалы могут быть, например, без ограничения, смесями карбида кремния (с концентрациями от 2,5% и вплоть до 12%, взвешенных в любой обычной высокотемпературной керамической суспензии).

[0031] Клеточные стенные структуры биоугля или лигнита имеют геометрию, необходимую для разряда. Устройство 100 создает и поддерживает плазмоид в ограниченной окружающей среде, причем плотность электромагнитного поля наверху пласта биоугля способствует плазменному разряду. Верх пласта биоугля размещен на верхушке 223 камеры 220 фильтрующего слоя или вблизи нее. Плазменный разряд представляет собой проявление взаимодействия уплотненного электромагнитного поля с биоуглем. Непрерывная подача микроволн и замена биоугля поддерживают разряд внутри среды. Биоуголь обладает острыми точками вдоль своей поверхности, что способствует созданию разряда. Взаимодействие между электромагнитной волной и этими точками вызывает плазменный разряд. В отличие от других материалов геометрия биоугля способствует разрядам при довольно малых уровнях мощности. Диапазон уровней мощности, необходимых для выполнения разряда от биоугля, ниже того, что необходим для материалов типа биомассы.

[0032] Как показано на фиг. 1 и 4, в одном варианте реализации настоящего изобретения микроволны могут быть введены в микроволновую камеру 200 при использовании магнетронов 151 через примерно семь волноводов 150, размещенных в отверстиях или углублениях вокруг окружности (или периметра) микроволновой камеры 200. Каждый волновод 150 не противостоит другим и может быть размещен в различных вертикальных плоскостях так, что никакое выходное отверстие волновода не направлено ни к какому другому волноводу 150. В одном варианте реализации настоящего изобретения мощность каждого магнетрона 151 может быть между 1,5 кВт и 5 кВт. Волноводы могут быть обычными волноводами размером 1,7 дюйма на 3,4 дюйма с фланцем типа WR340. Магнетроны 151 могут быть запущены управляемыми источниками питания с программируемой логикой. Все они могут работать на частоте 2,45 ГГц (излучатели стандартного класса D). Волноводы 150 могут быть выполнены прямолинейными и с крышками. Микроволны могут проходить через крышки, которые могут быть выполнены из керамического материала. Волноводы 150 могут также использовать блоки настройки. Блоки настройки могут также быть опущены, если излучатели, используемые в варианте реализации настоящего изобретения, по существу уменьшают обратное рассеяние. Однако изолятор может быть прикреплен в определенных вариантах реализации настоящего изобретения для предохранения магнетрона 151 и увеличения срока службы оборудования (препятствуя перегреву вследствие отраженных микроволн). Например, в одном варианте реализации настоящего изобретения присутствует изолятор 152 между магнетроном 151 и волноводом 150. Волноводы 150 могут работать на определенной частоте волны, определяемой фирмой-производителем магнетрона. Частота может быть разной согласно варианту реализации устройства. Волноводы 150 ведут микроволны к микроволновой камере 200. Настройки мощности могут быть установлены посредством циклического изменения источников питания магнетрона. Они могут быть источником питания с инвертированным типом/стилем. Микроволновая частота может быть разной в определенных вариантах реализации настоящего изобретения на основании выбранного магнетрона. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство разработано так, чтобы получать как можно больше микроволновой энергии в плазменную зону (дно микроволновой камеры) по приемлемой стоимости. Этот фактор стоимости имеет отношение не только к эффективности магнетрона, но также и к начальной стоимости аппаратуры. Микроволны более низкой частоты проникают через остаточный пласт лучше, в то время как микроволны большей частоты будут скользить по поверхности и эффективнее увеличивать определенную температуру контактной области. Любой диапазон частот может быть эффективным.

[0033] Теплота от микроволн в микроволновой камере 200 в электромагнитном поле приводит к частичному окислению и медленному горению биоугля в камере 220 фильтрующего слоя. Биоуголь вырабатывает тепло, которое в противном случае должно было бы быть создано.

[0034] Устройство 100 разработано для распространения разрядов по всей площади микроволновой камеры 200 посредством нахождения микроволн в контролируемой зоне и использования барьеров для их удержания. Конструкция микроволновой камеры 200 (например, ее геометрия) также оптимизирует взаимодействие поступающего газа, поступающих микроволн, поступающего субстрата, выходящего газа и выходящего субстрата для оптимизации взаимодействия между электромагнитным полем, газом и биоуглем. Микроволновая камера 200 имеет потолок или верх, а потолок или верх могут быть облицованы плитками. Эти плитки могут содержать пропитанную катализатором керамику, которая преобразует микроволновую энергию в тепловую энергию. Этот керамический барьер прежде всего предназначен для удержания микроволн, но также служит в качестве финальной «зоны» (каталитической камеры, показанной на фиг. 2 как 240), в которой может происходить разложение смол (посредством обычного теплового механизма), при прохождении газа из микроволновой камеры 200 в камеру катализатора.

[0035] D. Входные отверстия для газа

[0036] Как показано на фиг. 2 и 3, в одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 100 содержит входные отверстия 330 для входа газа и входное отверстие 201 микроволновой камеры для ввода активированного угля в микроволновую камеру 200. В одном варианте реализации настоящего изобретения газ вводят через сопла с фланцем на 1/3 пути от дна устройства 100. В другом варианте реализации настоящего изобретения газ вводят через входные отверстия 330 у дна корпуса 120 фильтрующего слоя. Каждое входное отверстие 330 может быть оборудовано дважды - противолежащими двойными соплами и отклоняющим диффузором выше каждой точки входа в сопло.

[0037] Е. Узел шнека удаления отходов

[0038] Микроволновая камера 200 или, в одном варианте реализации настоящего изобретения, камера 220 фильтрующего слоя дополнительно содержит выходное отверстие 250 для выхода отработанного углерода из микроволновой камеры 200. Выходное отверстие 250 может быть прикреплено к узлу 130 удаления отходов, содержащему шнек 361 удаления отходов и узел 362 проходного клапана. В одном варианте реализации настоящего изобретения узел удаления отходов представляет собой шнек и проходной клапан.

[0039] Шнек 361 удаления отходов может быть выполнен из стали, нержавеющей стали или другого прочного, термически устойчивого, непористого материала. Биоуголь выходит из устройства 100 посредством шнека 361 удаления отходов. Шнек 361 удаления отходов может быть размещен на дне или около дна устройства 100. В одном варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере два шнека 361 удаления отходов симметрично размещены относительно центральной оси устройства 100.

[0040] Шнек 361 удаления отходов может быть шнеком в трубе. Шнек 361 удаления отходов может перемещать биоуголь в проходной клапан 362, который прикреплен болтами к концу поперечного трубного узла, который прикреплен болтами к шнеку 361 удаления отходов. В одном варианте реализации настоящего изобретения проходной клапан 362 представляет собой обычный пневматический шариковый клапан на 10 дюймов или на 8 дюймов, где шар герметизирован на одном конце. При нахождении в «верхнем» положении шар образует ковш. Система управления устройства может управлять шнеком 361 удаления отходов таким образом, что при нахождении проходного клапана 362 в положении «вверх» шнек 361 удаления отходов помещает биоуголь в проходной клапан 362. При остановке этого процесса системой управления происходит остановка шнека 361 удаления отходов и поворот проходного клапана 362 в положение «вниз» со сбросом его содержания во внешний собирающий бункер или в некоторую другую вторичную систему удаления. Поскольку шар на проходном клапане 362 закрыт с одного конца, проходной клапан 362 все время уплотнен и препятствует протеканию генераторного газа из узла 130 удаления отходов. Небольшое количество генераторного газа действительно протекает, но может быть безопасно продуто вентиляционной трубой в верхней точке или вытянуто вакуумным насосом.

[0041] Устройство 100 может поддерживать соответствующий уровень активированного угля в камере 220 фильтрующего слоя посредством управления скоростью добавления активированного угля и удаления отработанного углерода из устройства 100. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 100 содержит систему удаления отходов, которая мониторит уровень углерода в устройстве посредством использования индикатора уровня загрузки.

[0042] По мере расхода биоугля происходит его замена дополнительным биоуглем. Это выполнено узлом 110 загрузочного шнека, добавляющим дополнительный биоуголь в устройство 100, и узлом 130 удаления отходов 130, который удаляет отработанный биоуголь из устройства 100. Устройство 100 может быть автоматизировано для непрерывного добавления биоугля в камеру 220 фильтрующего слоя на основании измерений, проводимых датчиком 290 уровня загрузки, который обнаруживает понижение уровня биоугля.

[0043] В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство может содержать водяную рубашку 370. В результате наличия водяной рубашки 370 количество изоляции может быть изменено на большую величину и вследствие этого может быть изменен общий диаметр устройства. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство может иметь особенности, предохраняющие оператора от областей с горячими поверхностями и от воздействия паразитных микроволн, такие как, без ограничения, алюминиевая клетка безопасности или перфорированная стальная клетка, подобная экрану, имеющему место в дверке потребительского микроволнового устройства дома. Паразитные микроволны эффективно рассеиваются в воде, и водяная рубашка 370 также представляет собой превосходное средство поддержания холодными реакторных труб.

[0044] IV. Каталитическая камера(-ы)

[0045] Как показано на фиг. 2, в одном варианте реализации настоящего изобретения первая каталитическая камера 240 размещена выше микроволновой камеры 200. В одном варианте реализации настоящего изобретения, как показано на фиг. 2, эта первая каталитическая камера 240 может иметь форму куба и образовывать верх 202 микроволновой камеры 200. Как обсуждено выше, эта финальная «зона» или первая каталитическая камера 240 может образовать потолок или верх 202 микроволновой камеры 200, который может быть облицован плитками. Плитки могут содержать пропитанную катализатором керамику, преобразующую микроволновую энергию в тепловую энергию. Как показано на фиг. 2, плитки могут быть ориентированы вертикально, параллельно относительно друг друга, что образует проницаемый барьер и обеспечивает возможность прохождения газа в первую каталитическую камеру 240. В другом варианте реализации настоящего изобретения по меньшей мере одна камера каталитической реакции размещена рядом с микроволновой камерой 200.

[0046] В одном варианте реализации настоящего изобретения дополнительная реакционная камера представляет собой вторую каталитическую камеру 380. В одном варианте реализации настоящего изобретения вторая каталитическая камера 380 размещена рядом с микроволновой камерой 200. Как показано на фиг. 1, вторая каталитическая камера размещена внутри корпуса 180. Как показано на фиг. 3, вторая каталитическая камера 380 имеет наружную стенку 381, внутреннюю стенку 385, ближний конец 383 и дальний конец 384. Дальний конец 384 может содержать первый пласт 386 галечной породы. Ближний конец 383 может содержать второй пласт 388 галечной породы. Между первым пластом 386 галечной породы и вторым пластом 388 галечной породы размещена вторая волноводная секция 389.

[0047] Эти каталитические камеры могут содержать множество катализаторов, таких как окись алюминия, которые предназначены для ускорения очистки газа и восстановления биоугля. Закачка водяного пара или очищенного кислорода может также быть использована для повышения качества газа.

[0048] Устройство 100 дополнительно содержит выходное отверстие 331 для газа. В одном варианте реализации настоящего изобретения выходное отверстие 331 для газа размещено на вершине микроволновой камеры 200, а в другом варианте реализации оно размещено на вершине первой каталитической камеры 240. В варианте реализации настоящего изобретения со второй каталитической камерой 380 вторая каталитическая камера 380 и микроволновая камера 200 (или, как показано на фиг.3, первая каталитическая камера 240) могут быть связаны посредством трубы 390 с фланцами.

[0049] V. Поток газа

[0050] В одном варианте реализации настоящего изобретения газ входит со дна камеры 220 фильтрующего слоя и проходит вверх через пласт биоугля в индуцированную микроволнами плазму в микроволновой камере 200. При прохождении газа через биоуголь поглощает CO, CO₂, воду и другие примеси. После выхода из биоугля газ затем проходит через электромагнитное поле и плазмоид, где происходит диссоциация большей части, если не всех, погруженных в газ оставшихся углеродистых материалов, включая смолы. Во время выпуска биоугля или лигнита происходит перемещение газа через микроволновую камеру 200 посредством перепада давления, но газ продолжает быть облучаем микроволнами. Затем газ проходит к нагретому верху 202 микроволновой камеры 200.

[0051] Уровень энергии электронов в горячих газовых молекулах уже достаточно велик для содействия созданию плазмы. Холодный газ требовал бы намного большего количества энергии для реализации то же самого эффекта.

[0052] Плазменная поле, естественно, не приближается к стенкам устройства. В одном варианте реализации настоящего изобретения водяной пар закачивают в точке слегка ниже плазменной области около дна «выступа» (не показан), который поддерживает пропитанные катализатором диски/плитки. Пар охлаждает выступ и карбид кремния. Предполагают, что достаточно малое количество пара не воздействует на состояние плазмы, но фактически высвобождает определенное количество водорода.

[0053] В одном варианте реализации настоящего изобретения на или около выходного отверстия 331 для газа размещена термопара. Существует множество различных способов резервного управления, используемых в устройстве 100, и большая часть их действует как средство, посредством которого более точный контроль может быть достигнут в течение процесса. В одном варианте реализации настоящего изобретения эффективный способ управления состоит в мониторинге температур различных частей устройства 100. Значения этих температур получены посредством встроенных термопар внутри облицованной стенки устройства 100. В одном варианте реализации настоящего изобретения система управления устройства 100 использует эту информацию для изменения уровня интенсивности микроволн или скорости закачки и удаления биоугля.

[0054] Один вариант реализации настоящего изобретения улучшает стабильность температуры посредством облицовки всего устройства 100 карбидом кремния, оксидом кремния, окисью алюминия, жаропрочным сплавом, другой керамикой или другим материалом, который устойчив при высоких температурах. Эта облицовка помогает равномерно распределять и проводить теплоту через устройство 100 и обеспечивает возможность использования термопар при защите их от реакций, происходящих в устройстве 100.

[0055] Система управления может использовать все из различных способов и комбинировать указанные способы в алгоритмический контроллер. Последний не только обеспечивает возможность резервирования повсюду по системе управления, но также гарантирует намного большую надежность и эффективность. Это, кроме того, гарантирует постоянное и высокое качество генераторного газа.

[0056] VI. Система регулировки устройства

[0057] Оптимизация работы устройства 100 требует точных регулировок в реальном масштабе времени для управления местоположением плазмоида. Например, при введении механического устройства в плазмоид для регулировки его местоположения высокие температуры (между 1600 F и 5000 F) в микроволновой камере 200 разрушили бы это механическое устройство. Поэтому шнек удаления отходов используют для управления удалением биоугля из устройства, поскольку он может быть размещен ниже намного более холодного фильтрующего слоя биоугля. Изменения высоты пласта биоугля, вызванные увеличением скорости удаления биоугля из устройства, индуцируют некоторые необходимые изменения для регулировки вертикального местоположения плазмоида.

[0058] Множество способов и устройств может быть использовано в качестве части полной системы управления устройством для индуцирования изменений и управления плазмоидом при работе устройства 100. Система управления использует различные алгоритмы для контроля и регулировки устройства. Система управления может содержать подсистемы, способные к проведению регулировок в реальном масштабе времени, и учитывать другие способы, которые могут быть отрегулированы только при отключенном устройстве.

[0059] VII. Датчики и компоненты

[0060] В одном варианте реализации настоящего изобретения система управления требует наличия датчиков, расположенных всюду по устройству для управления устройством. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 100 содержит датчик температуры в одном или большем количестве следующих мест: (1) выходное отверстие 250 для биоугля; (2) входные отверстия 350 для газа; (3) середина камеры 220 фильтрующего слоя; (4) выходное отверстие 331 для газа и (5) входное отверстие 201 камеры фильтрующего слоя. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 100 содержит датчики давления во входном отверстии 330 для газа и в выходном отверстии 331 для газа. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 100 содержит датчик уровня загрузки в радиочастотном бесконтактном переключателе и переключателе уровня в резервуаре для хранения биоугля. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 100 содержит приводы переменной частоты, управляющие узлом 110 загрузочного шнека 110 и узлом 130 удаления отходов. В одном варианте реализации настоящего изобретения устройство 100 содержит клапанное устройство в узле 110 загрузочного шнека и в узле 130 удаления отходов.

[0061] Интерпретация

[0062] Здесь описаны варианты реализации настоящего изобретения. Вариации этих вариантов реализации могут стать очевидными для специалистов в данной области техники после прочтения предшествующего описания. Изобретатели ожидают, что квалифицированные специалисты будут использовать такие вариации, как соответствующие, и изобретатели полагают, что изобретение может быть осуществлено иначе, чем описано здесь. Соответственно, настоящее изобретение включает все модификации и эквиваленты объекта изобретения, определенного в прилагаемых пунктах формулы изобретения, как это разрешено действующим законодательством. Кроме того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех возможных их вариациях охвачена изобретением, если иначе не указано здесь или иначе ясно не определено контекстом.

[0063] Хотя приведенное выше раскрытие формулирует принципы настоящего изобретения с примерами, данными только для иллюстрации, следует понимать, что использование настоящего изобретения включает все обычные вариации, адаптации и/или модификации в объеме прилагаемых пунктов формулы, а также их эквиваленты.

[0064] Все процитированные здесь ссылки, включая публикации, заявки на патент и патенты, тем самым включены посредством ссыпки в той же самой степени, как если бы каждая ссылка была индивидуально и определенно обозначена для включения посредством ссылки и была сформулирована здесь полностью.

[0065] При использовании артиклей "a", "an" и "the" и аналогичных элементов в контексте описания изобретения (особенно в контексте последующих пунктов формулы) следует понимать, что они должны быть рассмотрены как перекрывающие и единственное и множественное число, если иначе не указано здесь или иначе ясно не определено контекстом. Термины «включающий», «имеющий», «содержащий» и «заключающий» должны быть рассмотрены как неисчерпывающие термины (то есть «включая, но не ограничиваясь этим»), если не указано иное. Указание здесь на диапазоны значений предназначено лишь для того, чтобы служить в качестве краткого способа индивидуального указания на каждое отдельное значение, попадающее в этот диапазон, если иное не указано здесь, и каждое отдельное значение включено в спецификацию, словно оно было отдельно указано здесь. Все описанные здесь способы могут быть выполнены в любом соответствующем порядке, если иначе не указано здесь или иначе ясно не определено контекстом. Использование любого и всех примеров или выражения, означающего взятие примера (например, «такой как»), предназначено лишь для лучшего освещения изобретения и не налагает ограничения на область действия изобретения (то есть «такой как, но не ограниченный этим»), если иное не заявлено в формуле. Никакие выражения в описании не должны быть рассмотрены как указание на какой-либо не заявленный в формуле элемент, важный для осуществления изобретения на практике.

[0066] Из вышеизложенного специалистам в данной области техники понятно, что различные адаптации и модификации только что описанных вариантов реализации настоящего изобретения могут быть сформированы без выхода за пределы объема и сути изобретения. Поэтому следует понимать, что в пределах объема приложенных пунктов формулы изобретения изобретение может быть осуществлено иначе, чем конкретно описано здесь.

Изобретение относится к устройству и способу для очистки генераторного газа. Устройство содержит трубчатую камеру фильтрующего слоя, трубчатую микроволновую камеру, расположенную выше камеры фильтрующего слоя, первую каталитическую камеру, соединенную с микроволновой камерой и размещенную дальше относительно нее, и вторую каталитическую камеру, соединенную с первой каталитической камерой. Камера фильтрующего слоя содержит входное отверстие для основанного на углероде материала, расположенное в верхней половине камеры фильтрующего слоя, и выходное отверстие для отработанного углерода. Микроволновая камера содержит проницаемый верх, содержащий поглощающий микроволны материал, волноводы, размещенные вокруг периметра, через которые микроволны могут быть введены в устройство, магнетрон и изолятор, прикрепленные к каждому волноводу. Изобретение обеспечивает эффективное удаление смол и других примесей из генераторного газа и получение более высоких долей чистого газа. 2 н. и 28 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство (100) очистки генераторного газа, содержащее:

первую вертикально установленную трубу, имеющую периметр, внутреннюю стенку, наружную стенку (121), ближний конец (124) и дальний конец (123) и содержащую:

трубчатую камеру (220) фильтрующего слоя,

входное отверстие (201) для основанного на углероде материала, расположенное в верхней половине камеры фильтрующего слоя,

выходное отверстие (250) для отработанного углерода;

входное отверстие (330) для газа, расположенное между выходным отверстием (250) для отработанного углерода и камерой (220) фильтрующего слоя;

трубчатую микроволновую камеру (200), расположенную выше камеры (220) фильтрующего слоя и имеющую верх (202) и дно (203), причем указанная микроволновая камера содержит:

проницаемый верх (202), содержащий поглощающий микроволны материал,

волноводы (150), размещенные вокруг периметра, через которые микроволны могут быть введены в устройство, и

магнетрон (151) и изолятор, прикрепленные к каждому волноводу;

первую каталитическую камеру (240), соединенную с микроволновой камерой (200) и размещенную дальше относительно нее;

выходное отверстие (331) для газа, соединенное с первой каталитической камерой (240); и

вторую каталитическую камеру (380), соединенную с первой каталитической камерой (240), причем

указанная вторая каталитическая камера содержит вторую вертикально установленную трубу, имеющую периметр, внутреннюю стенку (385), наружную стенку (381), ближний конец (383) и дальний конец (384).

2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее узел шнека удаления отходов, прикрепленный к выходному отверстию для отработанного углерода.

3. Устройство по п. 2, дополнительно содержащее узел загрузочного шнека, соединенный с камерой фильтрующего слоя.

4. Устройство по п. 1, в котором поглощающий микроволны материал содержит керамические плитки, пропитанные материалом, катализирующим преобразование микроволновой энергии в тепловую энергию.

5. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее облицовку на внутренней стенке, причем облицовка выполнена из карбида кремния и окиси алюминия или углерода и окиси алюминия.

6. Устройство по п. 1, в котором

основанный на углероде материал представляет собой активированный уголь.

7. Устройство по п. 1, в котором

первая каталитическая камера дополнительно содержит окись алюминия.

8. Устройство по п. 7, в котором

вторая каталитическая камера дополнительно содержит закачанный водяной пар или очищенный кислород.

9. Устройство по п. 1, в котором

труба представляет собой нецилиндрическую трубу.

10. Устройство по п. 1, в котором

имеет место 7 волноводов и указанные волноводы представляют собой стандартные волноводы размером 1,7×3,4 дюйма, каждый из которых имеет фланец типа WR340.

11. Устройство по п. 1, в котором

магнетроны запущены управляемыми источниками питания с программируемой логикой.

12. Устройство по п. 1, в котором

магнетроны представляют собой излучатели стандартного класса D, работающие на частоте 2,45 ГГц.

13. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее термопары, внедренные в облицовку устройства.

14. Устройство по п. 1, в котором

волноводы дополнительно содержат блоки настройки для уменьшения обратного рассеяния микроволн.

15. Устройство по п. 1, в котором

указанная микроволновая камера дополнительно содержит изолятор между магнетроном и волноводом для защиты магнетрона и предотвращения перегрева.

16. Устройство по п. 1, в котором

каждый волновод размещен в различной вертикальной плоскости.

17. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее водяную рубашку вокруг устройства.

18. Способ очистки газа, включающий:

использование устройства очистки генераторного газа по любому из предыдущих пунктов;

заполнение камеры (220) фильтрующего слоя до верха (223) камеры фильтрующего слоя основанным на углероде материалом;

введение микроволн в микроволновую камеру (200), используя магнетроны (151) и волноводы (150);

диссоциацию тяжелых углеродных соединений, погруженных внутрь генераторного газа, посредством прохождения газа через входное отверстие (330) для газа, основанный на углероде материал в камере (220) фильтрующего слоя, микроволновую камеру (200), первую каталитическую камеру (240) и вторую каталитическую камеру (380); и

откачивание очищенного газа.

19. Способ по п. 18, дополнительно включающий заполнение камеры фильтрующего слоя посредством использования узла загрузочного шнека, соединенного с камерой фильтрующего слоя.

20. Способ по п. 19, дополнительно включающий удаление отработанного углерода посредством использования узла шнека удаления отходов, прикрепленного к выходному отверстию для отработанного углерода.

21. Способ по п. 18, дополнительно включающий концентрацию микроволнового поля внутри устройства при использовании микроволн, подаваемых магнетронами.

22. Способ по п. 20, дополнительно включающий поддержание уровней основанного на углероде материала посредством использования узла шнека удаления отходов, прикрепленного к выходному отверстию для отработанного углерода.

23. Способ по п. 19, дополнительно включающий повторное заполнение и поддержание уровней основанного на углероде материала посредством использования узла загрузочного шнека, соединенного с камерой фильтрующего слоя.

24. Способ по п. 23, дополнительно включающий мониторинг и регулировку уровней основанных на углероде материалов посредством использования системы управления и датчиков.

25. Способ по п. 18, в котором

поглощающий микроволны материал содержит керамические плитки, пропитанные материалом, катализирующим преобразование микроволновой энергии в тепловую энергию.

26. Способ по п. 18, причем устройство дополнительно содержит облицовку на внутренней стенке, в котором

облицовка выполнена из карбида кремния и окиси алюминия или углерода и окиси алюминия.

27. Способ по п. 18, дополнительно включающий закачивание водяного пара или очищенного кислорода во вторую каталитическую камеру.

28. Способ по п. 18, в котором

каждый волновод указанного устройства размещен в различной вертикальной плоскости.

29. Способ по п. 18, в котором

указанное устройство дополнительно содержит водяную рубашку вокруг устройства.

30. Способ по п. 18, в котором

основанный на углероде материал представляет собой активированный уголь.