Способ и устройство для пиролиза и газификации биомассы с использованием двух взаимно соединенных печей
Изобретение относится к технологии преобразования горючих материалов в чистый и высокоэффективный синтетический газ и, более конкретно, к способу и системе для пиролиза и газификации биомассы с использованием двух взаимно соединенных печей. В способе используют твердые частицы с высокой теплоемкостью в качестве энергоносителя и насыщенный водяной пар в качестве окислителя. Сначала биомассу подвергают низкотемпературному пиролизу при температуре в интервале 500-800°C с получением неочищенного синтетического газа, не содержащего оксиды щелочного металла, и кокса. Затем неочищенный синтетический газ и кокс подвергают высокотемпературной газификации при температуре в интервале 1200-1600°C с получением синтетического газа, не содержащего смолы. Окончательно полученный синтетический газ подвергают последовательным операциям охлаждения, удаления пыли, раскисления и обезвоживания. Устройство включает печь газификации и печь пиролиза, размещенные одна на другой, причем их внутренние полости взаимно соединены, нагреватель частиц, нагреватель с факелом плазмы, вытяжной вентилятор и первый теплообменник, расположенные циклически, емкость для хранения воды для получения насыщенного водяного пара, насос подачи воды, второй теплообменник, пылеуловитель, башню раскисления и устройство обезвоживания. Изобретение обеспечивает получение синтетического газа, характеризующегося высокой эффективностью и высокой теплотворной способностью, отсутствием смолы или оксидов щелочного металла. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к технологии преобразования горючих материалов в чистый и высокоэффективный синтетический газ и, более конкретно, к способу и системе для пиролиза и газификации биомассы с использованием двух взаимно соединенных печей.
Предпосылки создания изобретения
Технология газификации горючих материалов была достигнута в результате разработки в прошедшем двадцатом столетии, особенно технология газификации горючего угля, которая была очень тщательно изучена. Исследователи успешно разработали способ газификации угля, который является широко применимым, высокоэффективным при газификации и исключает выброс загрязнений. Технология газификации биомассы, представленной, например, ветвями деревьев, соломой и другими сельскохозяйственными и лесными отходами, является новой широко используемой технологией в 21 столетии. Традиционная технология газификации биомассы включает: газификацию в неподвижном слое, газификацию в псевдоожиженном слое и двухстадийную газификацию, каждая из которых является технологией прямой газификации. Способы технологии прямой газификации характеризуются тем, что тепло, получаемое частью биомассы, подает источник энергии для газификации, причем воздух, насыщенный кислородом воздух или комбинация насыщенного кислородом воздуха и водяного пара действуют как окислитель в ходе реакции газификации. Однако исследования показывают, что технология прямой газификации биомассы имеет следующие недостатки.
Во-первых, компоненты и теплотворная способность топлив биомассы являются нестабильными, биомасса имеет низкую температуру воспламенения и быструю реакцию горения, таким образом, может иметь место взрыв. Поскольку часть участков перегревается и имеет место коксообразование, рабочая температура газификатора очень трудно регулируется.
Во-вторых, когда воздух работает как окислитель, в котором содержание инертного газа N2 является известным, приводит к более высокому содержанию N2, более низкому содержанию эффективного газа (CO + H2) и низкому отношению H2/CO, кроме того, теплотворная способность синтетического газа является низкой и нестабильной, которая поддерживается ниже 5000 кДж/Нм3 и слабо удовлетворяет необходимым требованиям для последующего промышленного использования.
В-третьих, когда насыщенный кислородом воздух работает как окислитель, хотя содержание N2 является относительно низким, необходимо дополнительное устройство разделения воздуха. Ввиду большой емкости и высокого энергопотребления устройства разделения воздуха такой способ значительно увеличивает производственные затраты.
В-четвертых, когда насыщенный кислородом воздух и водяной пар работают как два окислителя, хотя содержание N2 в синтетическом газе снижается, а содержание Н2 увеличивается, водяной пар, работающий как реакционная среда, по-прежнему потребляет большое количество тепловой энергии, плюс энергопотребление при разделении воздуха, производственные затраты способа приближаются к максимуму.
В-пятых, примерно 15-20% биомассы требуется для сжигания с целью обеспечения источника энергии для газификации, но в то же время большое количество CO2 получается при горении, соответственно, содержание целевого газа (CO + H2) снижается. Кроме того, высокотемпературный синтетический газ и смешанный воздух уносят большое количество тепла, и, таким образом, превращение тепловой энергии в химическую энергию значительно минимизируется, и эффективность охлажденного газа также снижается, которая обычно составляет ниже 70% и не выше 80% в исключительных случаях.
В-шестых, рабочая температура газификатора обычно регулируется в интервале 800-1200°C, при такой температуре газификация биомассы дает большое количество смолы, которая трудно удаляется, и слишком большое количество смол, агрегированное в устройстве и трубах, склонно вызывать их закупоривание и загрязнение.
В-седьмых, отходы, полученные при газификации биомассы, содержат значительное количество оксидов щелочных металлов, таких как K и Na, которые обычно составляют 20-40% мас. общей золы. Однако при температуре выше 800°C оксиды щелочных металлов склонны газифицироваться и смешиваться с синтетическим газом, что не только ухудшает свойства синтетического газа, но также повышает его сродство (адгезию) к трубам и устройствам вместе со смолами, приводя к значительной коррозии на устройствах и трубах.
Ввиду вышеуказанных существующих проблем технология прямой газификации биомассы является трудной для применения в практическом производстве. Таким образом, требуется способ газификации биомассы, который может применяться в промышленном производстве и обеспечивать экономические преимущества.
Краткое описание изобретения
Ввиду вышеуказанных проблем одной целью настоящего изобретения является создание способа и системы для пиролиза и газификации биомассы. Способ характеризуется легким регулированием, энергосбережением и низкой стоимостью. Получаемый синтетический газ отличается высокой эффективностью и высокой теплотворной способностью, отсутствием смолы или оксидов щелочного металла.
Для достижения вышеуказанной цели предлагается способ пиролиза и газификации биомассы. В способе используются твердые частицы, имеющие высокую теплоемкость, в качестве энергоносителя и насыщенный водяной пар в качестве окислителя. Пиролиз и газификация биомассы проводятся в печи пиролиза и газификаторе, соответственно, и, таким образом, получается чистый синтетический газ. Способ включает следующие стадии:
а) размещение газификатора на печи пиролиза, взаимное соединение внутренней полости газификатора и внутренней полости печи пиролиза; и введение твердых частиц из верхнего конца газификатора последовательно в газификатор и печь пиролиза. Тепловая энергия твердых частиц подается внешним нагревательным устройством, например нагревателем с факелом плазмы, и обычно твердые частицы нагреваются до температуры 1400-1800°C. В газификаторе твердые частицы высвобождают одну часть тепловой энергии с поддержанием внутренней полости газификатора при рабочей температуре 1200-1600°C; при падении в печь пиролиза твердые частицы высвобождают другую часть тепловой энергии с поддержанием внутренней полости печи пиролиза при рабочей температуре 500-800°C. Таким образом, при пиролизе и газификации самовоспламенение биомассы не является неизбежным, и конверсия биомассы значительно улучшается;
b) измельчение биомассы, подача биомассы в печь пиролиза с одновременным распылением насыщенного водяного пара в печи пиролиза, контактирование биомассы с насыщенным водяным паром для пиролиза с получением неочищенного синтетического газа и золы, содержащей кокс. Поскольку рабочая температура печи пиролиза ниже температуры сублимации оксидов щелочных металлов, содержащих K и Na, оксиды щелочных металлов находятся в золе, содержащей кокс, и неочищенный синтетический газ не содержит или содержит незначительное количество смолы;
c) отделение золы, содержащей кокс, от твердых частиц, повторное нагревание твердых частиц и направление твердых частиц в газификатор для последующего циркулирования. Нагретые твердые частицы подают тепловую энергию для пиролиза и газификации биомассы, но не участвуют в каких-либо химических реакциях, так что циркуляция твердых частиц снижает энергопотребление и производственные затраты;
d) охлаждение золы, содержащей кокс, обычно до температуры ниже 150°C, и отделение кокса от золы. Кокс используется для получения синтетического газа на следующей стадии, а зола, содержащая оксиды щелочных металлов, направляется в хранилище золы для комплексного использования;
e) введение неочищенного синтетического газа в газификатор через взаимно соединенные внутренние полости, поступление кокса в газификатор с одновременным распылением насыщенного водяного пара в газификаторе, контактирование кокса и неочищенного синтетического газа с насыщенным водяным паром для газификации кокса и неочищенного синтетического газа с получением первичного синтетического газа. Поскольку рабочая температура газификатора выше температуры образования смолы, неочищенный синтетический газ и кокс полностью газифицируются, и получаемый первичный синтетический газ не содержит смол;
f) охлаждение, удаление пыли, раскисление и осушка первичного синтетического газа с выходом чистого синтетического газа. Охлаждение не только является необходимым в этом способе получения синтетического газа, но также обеспечивает утилизацию большого количества тепла для широкого применения. Операция удаления пыли отделяет пыль от неочищенного синтетического газа и снижает концентрацию пыли в газе до менее 50 мг/Нм3. Вредные ингредиенты, подобные H2S, COS, HCl, NH3 и HCN, удаляются из синтетического газа в процессе раскисления. После осушки первичный синтетический газ превращается в чистый синтетический газ, который хранится для дальнейшего промышленного применения.
Твердой частицей, имеющей высокую теплоемкость, является редкоземельная частица, керамическая частица или кварцевый песок; и диаметр твердых частиц составляет менее 5 мм. Твердая частица имеет стабильные физические и химические свойства даже при температуре 1400-1800°C, высокое значение энтальпии, температура твердой частицы легко регулируется при нагревании, и, таким образом, твердая частица является очень подходящей для работы в качестве энергоносителя. Между тем, относительно малый размер частиц обеспечивает большую общую площадь поверхности, по сравнению с таким же числом твердых частиц; малый размер не только приводит к передаче тепла от твердых частиц к биомассе, но также способствует образованию последующего фильтрующего слоя на пересечении между печью пиролиза и газификатором, так что пыль из неочищенного синтетического газа удаляется.
Азотное защитное устройство соединено с вводом питания печи пиролиза и вводом частиц газификатора в случае возможного воспламенения и взрыва, вызванных утечкой неочищенного синтетического газа из печи пиролиза.
Предпочтительная рабочая температура печи пиролиза регулируется в интервале 500-650°C, рабочее давление печи пиролиза регулируется в интервале 105-109 кПа. Скорость подачи насыщенного водяного пара в печь пиролиза составляет 35-50 м/с; время удерживания неочищенного синтетического газа в печи пиролиза составляет 15-20 с, и скорость отведения неочищенного синтетического газа из печи пиролиза составляет 15-20 м/с. Печь пиролиза работает при нормальном давлении, и специальное устройство для работы под давлением не требуется, в результате чего снижаются производственные затраты. Биомасса в печи пиролиза быстро высушивается, отделяется от летучих веществ и пиролизуется в процессе контактирования с неочищенным синтетическим газом и насыщенным водяным паром. Кроме того, рабочая температура печи пиролиза намного ниже температуры сублимации оксидов щелочных металлов, которая составляет около 800°C, так что оксиды щелочных металлов удаляются из неочищенного синтетического газа. Относительно низкая скорость на выходе из печи пиролиза предотвращает агрегирование золы на выходе из печи пиролиза и в газовых трубах.
Предпочтительная рабочая температура газификатора регулируется в интервале 1200-1400°C, и предпочтительное рабочее давление газификатора регулируется в интервале 105-109 кПа. Скорость подачи насыщенного водяного пара в газификатор составляет 35-50 м/с, время удерживания первичного синтетического газа в газификаторе составляет 15-20 с, и скорость отведения первичного синтетического газа из газификатора составляет 15-20 м/с. Газификатор работает при нормальном давлении, и специальное устройство для работы под давлением не требуется, в результате чего снижаются производственные затраты. Высокая скорость подачи насыщенного водяного пара в газификатор значительно улучшает контактирование и смешивание неочищенного синтетического газа и кокса. Рабочий температурный интервал газификатора является подходящим и обеспечивает полную газификацию неочищенного синтетического газа и кокса в процессе контактирования с насыщенным водяным паром, причем получаемый первичный синтетический газ не содержит смолы; в то же время энергопотребление максимально снижается, и характеристики газификатора значительно улучшаются.
Первичный синтетический газ охлаждается до температуры 260-320°C, а затем проводится очистка. Поскольку температура первичного синтетического газа является достаточно высокой, около 1200-1400°C, охлаждение проводится не только для дальнейшего удаления пыли, раскисления и осушки, но также способствует извлечению значительного количества тепла в первичном синтетическом газе, тем самым обеспечивая широкое использование сбросового тепла.
Система пиролиза и газификации биомассы согласно вышеуказанному способу включает: печь пиролиза, газификатор, нагреватель частиц, нагреватель с факелом плазмы, вытяжной вентилятор, первый теплообменник, емкость для хранения воды, насос подачи воды и второй теплообменник. Газификатор расположен на печи пиролиза, и внутренняя полость газификатора и внутренняя полость печи пиролиза взаимно соединены вертикально.
Емкость для хранения воды соединена с вводом воды первого теплообменника и вводом воды второго теплообменника с помощью насоса подачи воды; отвод водяного пара первого теплообменника, так же как и отвод водяного пара второго теплообменника, соединены как с форсункой водяного пара печи пиролиза, так и с форсункой водяного пара газификатора. Отвод воздуха первого теплообменника соединен с вводом воздуха нагревателя с факелом плазмы посредством вытяжного вентилятора, отвод воздуха нагревателя с факелом плазмы соединен с вводом воздуха нагревателя частиц, и отвод воздуха нагревателя частиц соединен с вводом воздуха первого теплообменника.
Отвод питания нагревателя частиц соединен с вводом частиц газификатора; отвод газа газификатора соединен с вводом газа второго теплообменника, отвод газа второго теплообменника соединен последовательно с пылесборником, башней раскисления и осушителем. Отвод золы печи пиролиза соединен с вводом питания сепаратора частиц, отвод золы сепаратора частиц соединен с вводом золы камеры охлаждения золы, и отвод золы камеры охлаждения золы соединен с вводом питания сепаратора зола-кокс.
Поскольку нагреватель с факелом плазмы имеет преимущество в ультравысокотемпературном нагреве, быстром тепло- и массопереносе, высокой эффективности и регулируемой тепловой энергии, он может мгновенно нагреть циркулирующий воздух до температуры 1800-2000°C. Затем высокотемпературный циркулирующий воздух используется для нагревания твердых частиц, после чего твердые частицы при требуемой температуре выпускаются в печь пиролиза и газификатор для поддержания стабильных рабочих температур. Первый теплообменник и второй теплообменник эффективно извлекают большое количество тепла циркулирующего воздуха и первичного синтетического газа соответственно. Вода в емкости для хранения воды перегревается и превращается в насыщенный водяной пар за счет значительного количества тепла, таким образом, энергопотребление нагревателя с факелом плазмы снижается, и достигается полное использование тепловой энергии.
Азотное защитное устройство соединено как с вводом питания печи пиролиза, так и с вводом частиц газификатора. Когда биомасса поступает на ввод питания печи пиролиза, азотное защитное устройство подает азот в печь пиролиза через ввод питания; а когда твердые частицы поступают в газификатор, защитное устройство подает азот в газификатор через ввод частиц, так что образуются азотные изолирующие слои, которые предотвращают утечку синтетического газа из печи пиролиза и газификатора и удерживают воздух снаружи печи пиролиза и газификатора, воспламенение и взрыв исключаются и обеспечиваются свойства синтетического газа.
Форсунки водяного пара, размещенные на печи пиролиза и газификаторе, расположены на 2-4 уровнях высоты, соответственно, и форсунки водяного пара каждого уровня размещены равномерно и тангенциально. Таким образом, насыщенный водяной пар распыляется в печи пиролиза и газификаторе на различных уровнях, и равномерное и стабильное температурное поле поддерживается на различных уровнях высоты, обеспечивая полный контакт между насыщенным водяным паром и реагентами.
Пересечение внутренней полости печи пиролиза и внутренней полости газификатора имеет форму бутылочного горла, и по меньшей мере один слой сетки расположен на пересечении. Минимизированная площадь поперечного сечения на пересечении в форме бутылочного горла и установка сетки могут эффективно регулировать скорость опускания высокотемпературных твердых частиц; твердые частицы полностью высвобождают тепловую энергию в газификаторе и затем падают в печь пиролиза, так что обеспечиваются стабильные рабочие температуры газификатора и печи пиролиза. В то же время, твердые частицы, задержанные сеткой, образуют текучий фильтрующий слой, который способствуют удалению пыли из поднимающегося неочищенного синтетического газа.
Отвод кокса сепаратора зола-кокс соединен с вводом кокса газификатора с помощью транспортера кокса. Отвод частиц сепаратора частиц соединен с вводом питания нагревателя частиц с помощью транспортера частиц. Например, шнековый питатель используется для подачи кокса непосредственно в газификатор, и пневматическая транспортирующая труба используется для поступления твердых частиц в нагреватель частиц, так что промежуточная ручная подача исключается, что улучшает стабильность и непрерывность работы всей системы.
На основании собственных характеристик воды, золы, летучих веществ и температуры плавления золы биомассы, в комбинации с рабочими характеристиками газификатора, в способе по изобретению используется насыщенный водяной пар в большей степени, чем традиционный окислитель-воздух или насыщенный кислородом воздух, в качестве окислителя, и твердые частицы, имеющие высокую теплоемкость, в качестве энергоносителя для получения синтетического газа из биомассы низкотемпературным пиролизом и высокотемпературной газификацией. Преимущества настоящего изобретения суммированы ниже.
Во-первых, твердые частицы используются для непрямого нагревания биомассы, и насыщенный водяной пар работает как окислитель при пиролизе и газификации биомассы при различных температурах. Не только энергоноситель и окислитель являются независимыми друг от друга, что применимо для различных видов биомассы и удобно для работы, но больше нет необходимости использовать воздух или насыщенный кислородом воздух в качестве окислителя, поэтому минимизируются энергопотребление всего способа и общие производственные затраты.
Во-вторых, самовоспламенения не происходит в биомассе в процессе пиролиза и газификации, поэтому эффективно решаются проблемы традиционного способа газификации, такие как взрыв топлива в печи пиролиза или газификаторе, локальное закоксовывание и трудности регулирования каждой стадии. Поскольку воздух или насыщенный кислородом воздух больше не требуются где-либо в реакции, синтетический газ имеет высокое отношение H2/CO и высокое содержание эффективного газа (CO + H2), которое составляет выше 85%, таким образом, теплотворная способность синтетического газа значительно улучшается, и использование синтетического газа намного шире.
В-третьих, основными реакционными устройствами являются печь пиролиза и газификатор, которые взаимно соединены, так что конструкция упрощается. Биомасса сначала пиролизуется в неочищенный синтетический газ и кокс при низкой температуре; неочищенный синтетический газ поступает в газификатор, кокс направляется в газификатор, и как неочищенный синтетический газ, так и кокс газифицируются при высокой температуре. Поскольку температурные интервалы установлены подходящим образом, получаемый неочищенный синтетический газ не содержит оксидов щелочных металлов; смола и кокс полностью превращаются в первичный синтетический газ; таким образом, конверсия углерода является очень высокой, в получаемом первичном синтетическом газе отсутствуют загрязнения, которые загрязняют устройства и трубы, вызывая их коррозию, и последующий способ очистки становится намного проще.
В-четвертых, нагреватель с факелом плазмы нагревает твердые частицы при использовании циркулирующего воздуха в качестве среды, причем высокотемпературные твердые частицы подают всю тепловую энергию, которая необходима для пиролиза и газификации биомассы. Тепловая энергия топлива биомассы полностью превращается в химическую энергию, и эффективность охлажденного газа составляет выше 88%, что на 8% выше, чем у традиционного.
В-пятых, нагреватель с факелом плазмы имеет высокую тепловую эффективность и регулируемую вводимую мощность. Когда компоненты топлива биомассы изменяются, мощность нагревателя с факелом плазмы можно регулировать, что очень удобно для регулирования температуры насыщенного водяного пара, поддержания стабильной работы газификатора и обеспечения стабильного выхода первичного синтетического газа и стабильных свойств.
Способ и система по изобретению применимы для различных видов топлив биомассы и особенно применимы в отраслях комбинации совмещенного цикла газификации биомассы и жидкого топлива биомассы.
Краткое описание чертежа
На фигуре 1 представлена структурная диаграмма системы для пиролиза и газификации биомассы.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Способ и система для пиролиза и газификации биомассы конкретно описываются в сочетании с прилагаемым чертежом.
Как показано на фигуре 1, система для пиролиза и газификации биомассы включает: ленточный конвейер 1; бункер 2; шнековый питатель 5 для транспортирования биомассы; печь 6 пиролиза и газификатор 4, действующие в качестве основных реакторов, причем газификатор 4 расположен на печи 6 пиролиза, и внутренние полости печи 6 пиролиза и внутренние полости газификатора 4 взаимно соединены вертикально; нагреватель 10 частиц, нагреватель 11 с факелом плазмы, вытяжной вентилятор 12 и первый теплообменник 13, соединенные один за другим с образованием циркуляции для последовательного нагревания твердых частиц и насыщенного водяного пара; емкость 16 для хранения воды, насос 15 подачи воды и второй теплообменник 14 для охлаждения первичного синтетического газа и получения насыщенного водяного пара; пылесборник 17, башня 18 раскисления и осушитель 19 для последующей очистки синтетического газа.
Выходной конец ленточного конвейера 1 расположен выше ввода в бункер 2, отвод из бункера 2 соединен с вводом питания шнекового питателя 5, и отвод питания из шнекового питателя 5 соединен с вводом питания печи 6 пиролиза.
Газификатор 4 расположен на печи 6 пиролиза; внутренняя полость газификатора 4 и внутренняя полость печи 6 пиролиза взаимно соединены. Пересечение внутренней полости газификатора 4 и внутренней полости печи 6 пиролиза имеет форму бутылочного горла. Пересечение является отводом газа печи 6 пиролиза, а также вводом газа газификатора 4. По меньшей мере один слой сетки расположен на пересечении для снижения и регулирования скорости опускания твердых частиц. Печь 6 пиролиза и газификатор 4 имеют корпус с рубашкой водяного охлаждения или воздушного охлаждения и имеют эффективную теплоизоляцию.
Ввод питания печи 6 пиролиза расположен на верхней части; для обеспечения равномерного введения биомассы и стабильного поля потока внутри печи 6 пиролиза число вводов питания составляет два или четыре. В печи 6 пиролиза имеется отвод золы, расположенный в днище, число отводов золы составляет один или два. Зола, выгружаемая из отвода золы печи 6 пиролиза, находится в жидком состоянии. Отвод золы соединен с вводом золы сепаратора 7 частиц для отделения твердых частиц от золы. Отвод золы сепаратора 7 частиц соединен с вводом золы камеры 8 охлаждения золы для охлаждения золы, содержащей кокс. Отвод золы камеры 8 охлаждения золы соединен с вводом питания сепаратора 9 зола-кокс для отделения кокса от золы.
Предпочтительно, отвод частиц сепаратора 7 частиц соединен с вводом питания нагревателя 10 частиц с помощью транспортера 24 частиц. Отвод кокса сепаратора 9 зола-кокс соединен с вводом кокса газификатора 4 с помощью транспортера 22 кокса. По сравнению с ручным транспортированием способ по изобретению является энергосберегающим и обеспечивает непрерывную работу газификатора 4.
Ввод кокса газификатора 4 расположен на верхней части, или верхнем конце. Для обеспечения равномерного введения кокса и стабильного поля потока внутри газификатора 4 число вводов кокса составляет один или два в соответствии с производительностью. Отвод газа газификатора 4 расположен на верхней части и соединен с вводом газа второго теплообменника 11, отвод газа второго теплообменника 11 соединен последовательно с пылеуловителем 17, башней 18 раскисления и осушителем 19, и отвод осушителя 19 соединен с емкостью 20 для хранения газа.
В качестве улучшения азотное защитное устройство 3 соединено с вводом питания печи 6 пиролиза и вводом частиц газификатора 4, так что образуется азотный изолирующий слой для эффективного отделения синтетического газа от воздуха.
Насыщенный водяной пар, распыляемый в печи 6 пиролиза и газификаторе 4, преобразуется из мягкой или обессоленной воды в емкости 16 для хранения воды после теплообмена с циркулирующим воздухом и первичным синтетическим газом в первом теплообменнике 13 и во втором теплообменнике 14, соответственно. Емкость 16 для хранения воды соединена с вводом воды первого теплообменника 13 и с вводом воды второго теплообменника 14 с помощью насоса 15 подачи воды. Как отвод водяного пара первого теплообменника 13, так и отвод водяного пара второго теплообменника 14 соединены и с форсункой водяного пара печи 6 пиролиза, и с форсункой водяного пара газификатора 4. В качестве улучшенной конструкции форсунки водяного пара, размещенные на печи 6 пиролиза и газификаторе 4, расположены на 2-4 уровнях высоты, соответственно, и форсунки водяного пара каждого уровня размещены равномерно и тангенциально. Таким образом, поддерживается равномерный и стабильный уровень водяного пара и обеспечивается полный контакт между насыщенным водяным паром и реагентами.
Твердые частицы нагреваются косвенно нагревателем 11 с факелом плазмы посредством промежуточного нагревания циркулирующего воздуха. Отвод воздуха первого теплообменника 13 соединен с вводом питания нагревателя 11 с факелом плазмы с помощью вытяжного вентилятора 12, отвод воздуха нагревателя 11 с факелом плазмы соединен с вводом воздуха нагревателя 10 частиц, отвод воздуха нагревателя 10 частиц соединен с вводом воздуха первого теплообменника 13. Ввод питания нагревателя 10 частиц соединен с вводом частиц газификатора 4 для подачи источника стабильной тепловой энергии к биомассе.
Система также включает хранилище 23 золы. Зола, выходящая из сепаратора 9 зола-кокс, направляется в хранилище 23 золы ручным или механизированным способом.
Способ пиролиза и газификации биомассы с использованием указанной выше системы описывается конкретно следующим образом.
А) Сначала вытяжной вентилятор 12 и нагреватель 11 с факелом плазмы постепенно нагревают циркулирующий воздух до температуры 1800-2000°C. Циркулирующий воздух производит теплообмен с твердыми частицами в нагревателе 10 частиц. После теплообмена твердые частицы нагреваются до температуры 1400-1800°C; циркулирующий воздух охлаждается до температуры 500-650°C и подается в первый теплообменник 13 для использования сбросового тепла. Высокотемпературные твердые частицы направляются к вводу частиц газификатора 4 и падают последовательно в газификатор 4 и печь 6 пиролиза под действием силы тяжести. Температура и скорость потока твердых частиц регулируются так, что рабочая температура газификатора 4 составляет 1200-1400°C, а рабочая температура печи 6 пиролиза составляет 500-650°C.
В) Измельченная биомасса направляется в печь 6 пиролиза с помощью ленточного конвейера 1, бункера 2 и шнекового питателя 5 в заданном порядке, в то же время азот поступает из азотного защитного устройства 3 как на ввод питания печи 6 пиролиза, так и на ввод частиц газификатора 4. Когда биомассой является серая солома, например ветви и корни деревьев, размер частиц биомассы регулируется ниже 20 мм × 20 мм, и водосодержание биомассы регулируется ниже 40% мас. Когда биомассой является желтая солома, например шелуха обмолоченного зерна, солома, стебли злаков, размер частиц биомассы может быть относительно большим.
C) Обессоленная вода выпускается из емкости 16 для хранения воды и подается как на ввод воды первого теплообменника 13, так и на ввод воды второго теплообменника 14 с помощью насоса 16 подачи воды. В первом теплообменнике 13 обессоленная вода извлекает сбросовое тепло циркулирующего воздуха, и циркулирующий воздух охлаждается от температуры 500-650°C до температуры ниже 200°C; в то же время получается насыщенный водяной пар с 0,4-0,6 МПа. Охлажденный воздух затем направляется в нагреватель 11 с факелом плазмы для повторного нагревания. Во втором теплообменнике 14 обессоленная вода извлекает значительное количество тепла первичного синтетического газа, который охлаждается до температуры 260-320°C, и в то же время получается насыщенный водяной пар с 0,4-0,6 МПа. Насыщенный водяной пар из отвода водяного пара первого теплообменника 13 и отвода водяного пара второго теплообменника 14 вводится как в форсунки водяного пара печи 6 пиролиза, так и в форсунки водяного пара газификатора 4.
D) Насыщенный водяной пар подается в печь 6 пиролиза со скоростью 35-50 м/с; рабочими параметрами печи 6 пиролиза являются следующие: температура 500-650°C и давление 105-109 кПа, так что биомасса полностью контактирует с насыщенным водяным паром и пиролизуется в неочищенный синтетический газ и золу, содержащую кокс. Неочищенный синтетический газ выдерживается в печи 6 пиролиза в течение 15-20 с и отводится из печи 6 пиролиза со скоростью 15-20 м/с.
E) Зола, содержащая кокс, находится при температуре 500-650°C и смешивается с твердыми частицами, после поступления из отвода золы печи 6 пиролиза в сепаратор 7 частиц, твердые частицы отделяются от золы, содержащей кокс. Твердые частицы возвращаются в нагреватель 10 твердых частиц с помощью транспортера 24 частиц для последующей циркуляции. Зола, содержащая кокс, направляется в камеру 8 охлаждения золы, после извлечения тепла температура золы, содержащей кокс, снижается до температуры ниже 150°C. Кокс отделяется от золы сепаратором 9 зола-кокс и затем направляется в газификатор 4 с помощью транспортера 22 кокса, тогда как зола из сепаратора 9 зола-кокс направляется в хранилище 23 золы ручным или механизированным способом.
F) Неочищенный синтетический газ при температуре 500-650°C пересекает сетку 21 на пересечении в форме бутылочного горла и поступает в газификатор 4, в то же время насыщенный водяной пар подается в газификатор 4 со скоростью 35-50 м/с; газификатор 4 регулируется в интервале рабочей температуры 1200-1400°C и рабочем давлении 105-109 кПа, так что неочищенный синтетический газ и кокс полностью контактируют с насыщенным водяным паром с газификацией в первичный синтетический газ. Первичный синтетический газ удерживается в газификаторе 4 в течение 15-20 с и отводится из газификатора 4 со скоростью 15-20 м/с.
G) Первичный синтетический газ при температуре 1200-1400°C подается по трубе из газификатора 4 на ввод газа второго теплообменника 14. После охлаждения до температуры 260-320°C обессоленной водой первичный синтетический газ выходит из отвода газа второго теплообменника 14 к пылеуловителю 17. Пыль в первичном синтетическом газе задерживается в пылеуловителе 17, и концентрация пыли первичного синтетического газа на выходе из пылеуловителя 17 составляет менее 50 мг/Нм3.
H) После удаления пыли первичный синтетический газ направляется в башню 18 раскисления, в которой удаляются вредные ингредиенты, подобные H2S, COS, HCl, NH3 и HCN.
I) После раскисления первичный синтетический газ поступает в осушитель 19, в котором удаляется вода, и получается чистый синтетический газ. Чистый синтетический газ направляется в емкость 20 для хранения газа и хранится для дальнейшего промышленного применения.
После многоразовых испытаний и определения данных основные компоненты и характеристики чистого синтетического газа показаны в таблице 1. Как показано в таблице 1, чистый синтетический газ, полученный данным способом, содержит 90% общего содержания (CO + H2), соотношение H2/CO равно или больше 1, теплотворная способность синтетического газа составляет 12,5-13,4 МДж/Нм3, и эффективность охлажденного газа составляет примерно 87%. Таким образом, синтетический газ может принести большую экономическую выгоду и является особенно применимым в отраслях комбинации совмещенного цикла газификации биомассы и жидкого топлива биомассы.
| Таблица 1 | |||
| Номер | Компонент | Единица | Значение |
| 1 | CO | % об. | 30-40 |
| 2 | H2 | % об. | 40-50 |
| 3 | N2+Ar | % об. | <1,0 |
| 4 | CO2 | % об. | 15-20 |
| 5 | CH2 | % об. | 5-6 |
| 6 | CnHm | % об. | <2 |
| 7 | Теплотворная способность синтетического газа (LHV) | МДж/Нм3 | 12,5-13,4 |
| 8 | Эффективность охлажденного газа | % | -87,0 |
1. Способ пиролиза и газификации биомассы, в котором используются твердые частицы, имеющие высокую теплоемкость, в качестве энергоносителя, и насыщенный водяной пар в качестве окислителя, с проведением пиролиза и газификации биомассы в печи пиролиза и газификаторе с взаимно соединенными внутренними полостями и получением в результате чистого синтетического газа, включающий:
a) размещение газификатора на печи пиролиза с взаимным соединением внутренней полости газификатора и внутренней полости печи пиролиза; нагревание твердых частиц, введение твердых частиц из верхнего конца газификатора последовательно в газификатор и печь пиролиза; регулирование рабочей температуры внутренней полости газификатора в интервале 500-800°C и рабочей температуры внутренней полости печи пиролиза в интервале 1200-1600°C;
b) измельчение биомассы, подачу биомассы в печь пиролиза с одновременным распылением насыщенного водяного пара в печи пиролиза, контактирование биомассы с насыщенным водяным паром при 500-800°C для пиролиза биомассы с выходом неочищенного синтетического газа и золы, содержащей кокс;
c) отделение золы, содержащей кокс, от твердых частиц, нагревание твердых частиц и направление твердых частиц в газификатор для последующей циркуляции;
d) охлаждение золы и отделение кокса;
е) введение неочищенного синтетического газа в газификатор через взаимно соединенные внутренние полости, транспортирование кокса в газификатор с одновременным распылением насыщенного водяного пара в газификаторе, контактирование кокса и неочищенного синтетического газа с насыщенным водяным паром при 1200-1600°C для газификации кокса и неочищенного синтетического газа с выходом первичного синтетического газа; и
f) охлаждение, удаление пыли, раскисление и осушку первичного синтетического газа с получением чистого синтетического газа.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что твердыми частицами, имеющими высокую теплоемкость, являются редкоземельные частицы, керамические частицы или кварцевый песок, и диаметр твердых частиц составляет менее 5 мм.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что на стадии a) на вводах питания печи пиролиза и газификатора предусматривается атмосфера азота.
4. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что
рабочая температура печи пиролиза регулируется в интервале 500-650°C, рабочее давление печи пиролиза регулируется в интервале 105-109 кПа;
скорость подачи насыщенного водяного пара в печь пиролиза составляет 35-50 м/с; и
время удерживания неочищенного синтетического газа в печи пиролиза составляет 15-20 с, и скорость отведения неочищенного синтетического газа из печи пиролиза составляет 15-20 м/с.
5. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что
рабочая температура газификатора регулируется в интервале 1200-1400°C, и рабочее давление газификатора регулируется в интервале 105-109 кПа;
скорость подачи насыщенного водяного пара в газификатор составляет 35-50 м/с; и
время удерживания первичного синтетического газа в газификаторе составляет 15-20 с, и скорость отведения первичного синтетического газа из газификатора составляет 15-20 м/с.
6. Способ по п.1, 2 или 3, отличающийся тем, что первичный синтетический газ охлаждается до температуры 260-320°C и затем отделяется от пыли, раскисляется и высушивается.
7. Система для пиролиза и газификации биомассы в соответствии со способом по п.1, которая включает:
печь (6) пиролиза;
газификатор (4);
нагреватель (10) частиц;
нагреватель (11) с факелом плазмы;
вытяжной вентилятор (12);
первый теплообменник (13);
емкость (16) для хранения воды;
насос (15) подачи воды; и
второй теплообменник (14),
отличающаяся тем, что
газификатор (4) расположен на печи пиролиза (6), и внутренняя полость газификатора (4) и внутренняя полость печи (6) пиролиза взаимно соединены;
емкость (16) для хранения воды соединена с вводом воды первого теплообменника (13) и с вводом воды второго теплообменника (14) с помощью насоса (15) подачи воды; как отвод водяного пара первого теплообменника (13), так и отвод водяного пара второго теплообменника (14) соединены и с форсункой водяного пара печи (6) пиролиза, и с форсункой водяного пара газификатора (4);
отвод воздуха первого теплообменника (13) соединен с вводом воздуха нагревателя (11) с факелом плазмы с помощью вытяжного вентилятора (12), отвод воздуха нагревателя (11) с факелом плазмы соединен с вводом воздуха нагревателя (10) частиц, отвод воздуха нагревателя (10) частиц соединен с вводом воздуха первого теплообменника (13);
отвод питания нагревателя (10) частиц соединен с вводом частиц газификатора (4); отвод газа газификатора (4) соединен с вводом газа второго теплообменника (14); отвод газа второго теплообменника (14) соединен последовательно с пылесборником (17), башней (18) раскисления и осушителем (19); и
отвод золы печи (6) пиролиза соединен с вводом питания сепаратора (7) частиц; отвод золы сепаратора (7) частиц соединен с вводом золы камеры (8) охлаждения золы; и отвод золы камеры (8) охлаждения золы соединен с вводом питания сепаратора (9) зола-кокс.
8. Система по п.7, отличающаяся тем, что азотное защитное устройство (3) соединено как с вводом питания печи (6) пиролиза, так и с вводом частиц газификатора (4).
9. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что форсунки водяного пара, размещенные на печи (6) пиролиза и газификаторе (4), расположены на 2-4 уровнях высоты, соответственно, и форсунки водяного пара каждого уровня размещены равномерно и тангенциально.
10. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что пересечение внутренней полости печи (6) пиролиза и внутренней полости газификатора (4) имеет форму бутылочного горла и по меньшей мере один слой сетки расположен на пересечении.
11. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что отвод кокса сепаратора (9) зола-кокс соединен с вводом кокса газификатора (4) с помощью транспортера (22) кокса.
12. Система по п.7 или 8, отличающаяся тем, что отвод частиц сепаратора (7) частиц соединен с вводом питания нагревателя (10) частиц с помощью транспортера (24) частиц.
