Устройство и способ для производства синтез-газа из подготовленной биомассы путем газификации во взвешенном потоке


 


Владельцы патента RU 2550392:

ЛИНДЭ АГ (DE)

Изобретение относится к устройству для производства синтез-газа из биомассы путем газификации во взвешенном потоке. Устройство включает в себя топливоприготовительную установку, в которой биомассу подают в устройство грубого помола, которая ниже по течению соединена через первый шлюз с установкой для карбонизации, находящейся под давлением, для получения гидротермальным способом карбонизированного угля из биомассы. При этом установка для карбонизации включает в себя по меньшей мере один подогреватель и один карбонизирующий реактор, установленный ниже подогревателя и соединенный ниже по течению через второй шлюз по меньшей мере с одним устройством для разделения на твердую и жидкую фазы для приготовления топлива. Ниже устройства для разделения на твердую и жидкую фазы предусмотрено сушильное устройство для сушки топлива, которое подключено к измельчителю для измельчения топлива в пылевидное топливо с размерами частиц от 55 до 500 мкм. Устройство также имеет устройство перенесения топлива для перевода топлива в установку для газификации во взвешенном потоке, так что топливоприготовительная установка связана с установкой для газификации во взвешенном потоке (22). Раскрыт способ производства синтез-газа из биомассы путем газификации во взвешенном потоке с применением заявленного устройства. Обеспечивается достижение высокого энергетического коэффициента полезного действия, снижение эксплуатационных затрат, возможность переработки малоценных биомасс с получением синтез-газа, свободного от смол. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Описание

Изобретение относится к устройству и способу для производства синтез-газа, или топливного или восстановительного газа, который содержит большое количество водорода и оксида углерода и незначительное количество метана, а также не содержит смол, из биомассы путем газификации во взвешенном потоке с высокой степенью эффективности преобразования.

В патенте ЕР 0745114 В1 описан способ газификации биомассы, известный как карбо-V®-способ, цель которого заключается в производстве свободного от смол топливного газа при меньшем расходе кислородсодержащих газифицирующих агентов и более высокой степени эффективности газификации, в то время как доля неорганических веществ биомассы выделяется в виде оплавленного элюированного твердого продукта. Для этого биомассу высушивают с помощью физической тепловой функции газа газификации и способом полукоксования разлагают на газ и кокс в соответствии с раскрытым в патенте DE 19807988 В4 процессом низкотемпературной газификации (NTV-процесс). В процессе низкотемпературной газификации летучие компоненты выделяют из биомассы путем термического разложения, причем содержащий смолы газ низкотемпературной газификации и не содержащий смолы кокс, поддающийся размолу при относительно скромных энергозатратах, образуются до самой газификации.

Образующийся смолосодержащий газ низкотемпературной газификации подвергают экзотермической газификации с остаточным коксом, полученным в качестве побочного продукта при сухой очистке газа, в процессе газификации во взвешенном потоке при температурах, превышающих точку плавления золы. В горячий газ газификации этой стадии на следующей стадии газификации, так называемой эндотермической газификации, добавляют кокс, полученный в низкотемпературном процессе. Благодаря расходующим теплоту реакциям газификации углерода кокса с диоксидом углерода и водяным паром горячего газа газификации первой стадии для получения оксида углерода и водорода газ газификации охлаждается примерно до 800-900°С.

Благодаря стадии термической подготовки низкотемпературной газификации можно подавать биомассу в подготовленной форме в виде газа низкотемпературной газификации прямо к горелке для высокотемпературной газификации во взвешенном потоке и в виде кокса с помощью подходящего устройства (устройства для транспортировки плотного потока, шнекового транспортера) вводить в стадию эндотермической газификации.

С помощью карбо-V®-газификации можно достигнуть коэффициента полезного действия охлажденного газа, который приблизительно соответствует коэффициенту полезного действия кипящего слоя газификации, так как, несмотря на стадию высокотемпературной газификации, на которой топливная зола расплавляется, конечная температура газификации находится в пределах температуры газификации кипящего слоя.

Газ газификации, полученный в процессе карбо-V -газификации, в отличие от газа из процесса газификации кипящего слоя содержит незначительное количество метана и не содержит смол, так как смолы на стадии высокотемпературной обработки уничтожаются под воздействием нагрева и кокс на эндотермической стадии процесса не содержит смол.

Содержание метана и содержание высших углеводородов в газе из процесса газификации кипящего слоя складывается, во-первых, из метана, полученного термодинамическим способом, а, во-вторых, из летучих углеводородов процесса дегазации, проходящего в газификации кипящего слоя параллельно процессу нагрева, сушки и газификации. Метан и высшие углеводороды не являются компонентами синтез-газа и с помощью подходящих способов, например с помощью риформинг-процесса или частичного окисления, должны быть переведены в оксид углерода и водород, в противном случае они значительно сократят выход продуктов синтеза.

Процесс карбо-У®-газификации требует неоднократного шлюзования твердой фазы, например шлюзование биомассы, шлюзование и вышлюзовывание кокса, полученного в низкотемпературном процессе, так как его нужно измельчить при атмосферном давлении и освободить от примесей (камней, металлических частиц и т.д.), вышлюзовывание и шлюзование остаточного кокса, так как его нужно измельчить при атмосферном давлении для транспортировки, и вышлюзовывание шлака. Поэтому этот процесс является технологически дорогостоящим и ненадежным.

Другим недостатком является непосредственная связь между реактором для ведения низкотемпературного процесса и горелкой стадии высокотемпературной газификации, которые работают на одном пьезометрическом уровне. Реализация способа при высоких давлениях в 30 бар и выше, которые необходимы для синтеза, непременно влечет за собой повышенные затраты на многократные шлюзования твердой фазы. Прямая связь реактора для ведения низкотемпературного процесса с газификацией во взвешенном потоке не допускает таким образом разделения по месту и времени тепловой обработки биомассы и газификации подготовленных продуктов, что могло бы быть выгодно как для возможности использования процесса газификации, так и для газификации в центре относительно размещенной по периферии и подготовленной биомассы.

Уровнем техники является пневмотранспортировка пылеугольного топлива в установке для газификации во взвешенном потоке.

Превращение углеродсодержащего топлива, например угля, газа и масел во взвешенном потоке в топливный газ, синтез-газ и восстановительный газ, известно из уровня техники. В литературе описано достаточно способов, использующих горизонтальный нагреватель при газификации угля и попутного нефтяного газа, известна газификация угля и отработанного масла с помощью способа, использующего газоразделительную установку, который был разработан в Немецком институте топлива во Фрейберге и на Газовом комбинате «Schwarze Pumpe», а также газификация угля по методу компании «Тексако».

При газификации угля, например, способом, использующим газоразделительную установку, уголь измельчают для получения пылевидного топлива, которое подают по пневмотранспортеру для внесения плотного потока в установку для газификации во взвешенном потоке.

Выбор размера зерен при измельчении угля таков, что также и большие частицы полностью превращаются в газ газификации, соответствующий синтез-газу, причем следует учитывать реакционную способность топлива и время нахождения частиц в зоне реакции, определенную размерами и мощностью газификатора. Поэтому нельзя выходить за пределы максимального диаметра зерен. Типичный разброс в размерах зерен для газификации во взвешенном потоке угля составляет от 50 до 500 мкм (см. „Noell-Konversionsverfahren zur Verwertung und Entsorgung von Abfallen", Jürgen Carl, Peter Fritz, EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH, Berlin 1994).

Наоборот, слишком большая доля мелкой фракции приводит к тому, что в способах газификации во взвешенном потоке, в которых охлаждение воды способствует охлаждению газа и осаждению пыли, оставшиеся в газе мелкие частицы, например частицы золы, из-за плохой осаждаемости отделяются очень плохо и могут улавливаться только фильтром.

В способах, в которых присутствует радиационное охлаждение и конвекционное охлаждение, высокая доля мелкой фракции приводит к сильному загрязнению поверхности охлаждения и тем самым к ухудшению охлаждения газа.

При наличии мелкой минеральной пыли с размером частиц менее 50 мкм для улучшения текучести пыли и тем самым возможности дозирования при пневматической транспортировке применяют так называемые инициаторы текучести (см., например, http://www.basf-cc.de/de/produk-te/zement-additive).

Для внесения топлива в установку для газификации во взвешенном потоке можно использовать также углеводные суспензии, названные также кашками или жидкими массами. Такая форма внесения топлива с водой более или менее ограничивается каменным углем и антрацитом, так как, например, для бурого угля из-за высокой возможности капилляров поглощать воду требуется большой расход воды до достижения прокачиваемости, так что в процессе газификации преобладают энергетические недостатки.

Для такого топлива, как коксы из биомассы или уголь, возможно также получение прокачиваемой суспензии с горючими жидкостями, например смоляным маслом, отработанным маслом, лигроином, соляркой, например получение суспензии кокса со смоляным маслом.

Топливо для применения в процессе газификации во взвешенном потоке должно быть либо в виде газа, прокачиваемой жидкости, суспензии из твердой и жидкой фазы или в виде поступающего по пневмотранспортеру пылевидного топлива.

Механическое измельчение сухой биомассы в пылевидное топливо требует больших энергетических затрат из-за волокнистой структуры биомассы, а качество пыли является неудовлетворительным для обеспечения плавной пневматической транспортировки, для надежной работы и стабильного качества газа, см. статью «Сушка биомассы для газификации во взвешенном потоке», Патрик С.А Бергман, Арьен Р.Берсма, Якоб Н.А.Киел (Центр по исследованию энергии Нидерландов (ECN), представленную на 2-й Всемирной конференции и технологической выставке по биомассам для энергии, промышленности и защиты климата", состоявшейся в Италии, Риме 10-14 мая 2004.

Полученное таким образом из биомассы волокнистое пылевидное топливо склонно к окомковыванию и скоплению фракции зерен с относительно большим соотношением длины и диаметра. При этом прерывистая со сбоями транспортировка может привести к кратковременному избытку кислорода в газификаторе и тем самым к образованию взрывных смесей.

Прямое применение твердой биомассы в качестве топлива для газификации во взвешенном потоке неизвестно.

Другой путь приготовления биомассы для газификации во взвешенном потоке указывает способ, описанный в докладе «Проект FZK, получение синтезированного жидкого топлива из биомассы» (Е.Генрих, Н.Дамен, Е.Динюс, Исследовательский центр Карлсруе, Институт технической химии, CPV) на Международной конференции термохимической газификации биомассы, KUBUS, Лейпциг, 27-28 февраля 2007.

В этом способе при атмосферном давлении биомассу перемешивают в смесевом реакторе, известном из способа, применяемого фирмой «Лурджи-Рургаз», до получения горячего песка и путем быстрого пиролиза разлагают в результате нагрева на кокс и коксовый газ. После охлаждения коксового газа получают смоляное масло, которое вместе с коксом, выделенным из песчаного основания, перерабатывают в суспензию, которую затем подают в газификатор для газификации во взвешенном потоке при помощи насосов. Разделение на кокс и песок является для обоих материалов неполным. Выделенный из песчаного основания кокс всегда загрязнен остаточными компонентами относительно сильно абразивного песка, а отделенный песок всегда смешан с остатками кокса.

Оставшийся неконденсированный газ и остатки углерода в песке используют для покрытия количества тепла, необходимого для пиролиза, путем сжигания и тем самым нагрева песка.

Благодаря получению кокса и смоляного масла или суспензии при этом способе имеется возможность отделить термический процесс приготовления по времени и месту от процесса самой газификации во взвешенном потоке. Это дает возможность объединения многих мелких периферийных производителей смоляного масла и кокса или суспензии в одной центральной установке для газификации.

Благодаря более высокой плотности потока энергии для промежуточных продуктов по сравнению с биомассой можно сэкономить место для транспортировки и тем самым расходы на транспортировку биомассы, рассредоточенной по периферии.

Газ, полученный в результате газификации жидкой массы, не содержит смол и, как правило, не содержит также метана, так как температура газификации выше температуры плавления золы. Повышенное давление, которое запросто может присутствовать в этом способе газификации, оказывает при высоких температурах крайне незначительное влияние на термодинамическое образование метана.

Для обеспечения стабильной и надежной газификации оба компонента нужно либо разделить, либо ввести в процесс газификации в виде смеси при постоянном соотношении. В частности, качество смоляного масла, а также суспензии может сильно колебаться из-за присутствия воды в смоляном масле и привести к разделению фаз, так как смоляное масло и жидкая масса неустойчивы при хранении, из-за чего в процессе газификации есть повышенный риск из-за возможного прорыва кислорода.

Другой недостаток при этом способе с жидкой биомассой заключается в том, что образуется больше газа и остатков углерода, чем требуется для получения количества тепла, необходимого для процесса пиролиза. Таким образом, коэффициент полезного действия охлажденного газа, в пересчете на количество используемой биомассы, меньше, чем в карбо-V®-способе и газификации с кипящим слоем. Следующий недостаток заключается в том, что при охлаждении коксового газа наряду с конденсируемыми углеводородами конденсируются также и реакционная вода и вода для сушки. Таким образом, смоляное масло получает ощутимое количество воды, что оказывает негативное влияние на калорийность смоляного масла.

Избыточное высокоценное тепло можно использовать, например, для сушки биомассы или для внешнего использования энергии.

Другой способ среди прочих описан в статье «Сушка биомассы для газификации во взвешенном потоке», Патрик С.А Бергман, Арьен Р.Берсма, Якоб Х.А.Киел (Центр по исследованию энергии Нидерландов (ECN), представленной на 2-й Всемирной конференции и технологической выставке по биомассам для энергии, промышленности и защиты климата", состоявшейся в Италии, Риме 10-14 мая 2004.

В этом способе высушенную в процессе сушки биомассу обрабатывают нагревом при температурах от 200 до 300°С и атмосферном давлении. При этом отделяют часть легкоиспаряющихся компонентов, главным образом диоксид углерода и оксид углерода. Обычно продукт высушивания содержит еще до 70-90% массы и 83-97% энергии обезвоженной биомассы, в пересчете на низшую теплоту сгорания.

В этом способе обработки волокнистая структура биомассы частично разрушается, так что энергозатраты на измельчение высушенного продукта снижаются по сравнению с первоначальной биомассой. В публикации показано улучшение качества пылевидного топлива по сравнению с пылью биомассы, которая не прошла тепловую обработку, с точки зрения способности пневматической транспортировки. Однако качество угольной пыли не достигнуто.

Из сведений о стадиях пиролиза («Химия древесины», Н.И.Никитин, Академическое издание, Берлин, 1955) можно заключить, что этот процесс можно осуществить только в пределах низких температур. Если температура слишком низкая, то время обработки затягивается и следует ожидать только лишь неудовлетворительного улучшения механических свойств, как это и было подтверждено в публикации в отношении процесса высушивания. При температурах выше 300°С легкоиспаряющиеся компоненты удаляются в виде высших углеводородов (смол) и процесс идет в направлении пиролиза с энергетическим тепловым коэффициентом полезного действия, который становится все меньше, в пересчете на полученный в результате пиролиза кокс. Начиная с 300°С наступает экзотермическая стадия, так что процесс становится трудно управляемым, с точки зрения соблюдения температурного диапазона.

До настоящего времени имели место лишь эксперименты с древесиной и соломой. Дальнейшие сведения о спектре применяемой биомассы не известны.

Из статьи «Волшебный уголь из пароварки», МАКСПЛАНКФОРШУНГ, 2/2006, известен способ, при котором биомасса, например древесина, солома, трава, отходы растительного происхождения и другие малоценные биомассы, превращают путем гидротермальной карбонизации в углевидную субстанцию и воду при давлении около 20 бар и температурах от 180 до 230°С в присутствии кислоты в качестве катализатора и длительности обработки от 6 до 12 часов.

Этот способ описан еще в 1913 году Фридрихом Бергиусом и воспроизводит миллионы лет протекающий процесс диагенеза угля за несколько часов.

Во время этого гидротермального процесса карбонизации отщепляется кислород, главным образом, в виде воды. Также возникает незначительное количество диоксида углерода, а небольшое количество углерода биомассы растворяется в воде. Связанный кислород в форме воды и диоксида углерода в биомассе является для процесса газификации вещественным «балластом», так как он должен быть нагрет до температуры газификации и появиться в полученном газе в виде водяного пара и диоксида углерода. Из-за расхода теплоты для нагрева связанного кислорода сжигается дополнительное количество оксида углерода и водорода для получения диоксида углерода и водяного пара. Эта составляющая потерь тем больше, чем выше температура газификации. В частности, при газификации во взвешенном потоке, когда температура газификации выше температуры плавления золы, это воздействие способствовало бы существенному ухудшению качества газа.

Согласно статье «Волшебный уголь из пароварки» при гидротермальной карбонизации коэффициент использования углерода в полученном угле составляет почти 100%, в пересчете на использованную биомассу, другие публикации доказывают коэффициент использования углерода от более 90% до 99%.

Энергетический коэффициент полезного действия, полученный от теплоты сжигания обезвоженного угля, составляет более 90%, в пересчете на теплоту сжигания обезвоженной биомассы.

Гидротермальный процесс карбонизации является экзотермическим («Волшебный уголь из пароварки», МАКСПЛАНКФОРШУНГ, 2/2006).

В результате обработки биомассы в водной фазе растворимые в воде компоненты, например щелочи и галогены, вымываются из золы.

Гидротермальная карбонизация изменяет структуру биомассы настолько, что полученный карбонизированный уголь или уголь после высушивания можно измельчить до получения пылевидного топлива с гораздо меньшими энергозатратами, чем для первоначальной массы.

В статье «Волшебный уголь из пароварки» сообщается, что биомасса после тепловой обработки представляет собой некий конгломерат, состоящий из наночастиц и разрушающийся на мелкие частицы в результате воздействия незначительной механической нагрузки. Таким образом, энергозатраты на измельчение этой обработанной биомассы могут быть гораздо скромнее, чем для высушенного материала, и экономия энергии по сравнению с необработанной биомассой составляет от 50 до 85% (см. «Сушка биомассы для газификации во взвешенном потоке»).

Так, патент DE 102007062811 А1 описывает топливо, полученное из биомассы путем гидротермальной карбонизации и имеющее размер частиц менее 50 мкм, предпочтительно в нанометрическом диапазоне, т.е. четко ниже диапазона 50-500 мкм, подходящего для газификации во взвешенном потоке.

Способ гидротермальной карбонизации подходит для получения топлива с большой калорийностью из биомассы, например древесины, соломы, травы, отходов растительного происхождения и других малоценных биомасс, путем отщепления кислорода, главным образом, в форме связанной воды, калорийность которого сходна с калорийностью бурого угля и который можно использовать для выработки энергии с большим тепловым КПД преобразования, чем у первоначальной биомассы.

Основываясь на этом уровне техники, изобретение решает задачу улучшения получения сингез-газа из биомассы, с точки зрения высокого энергетического коэффициента полезного действия, высокой энергопроизводительности, высокого коэффициента использования углерода, скромных затрат на оборудование и высокой гибкости способа, причем, в частности, газификация также и малоценных биомасс, например срезанной зелени, травы, сельскохозяйственных продуктов и отходов, таких как солома, остатки переработки биомассы и т.д., при высоких температурах и высоком давлении должна позволить получать синтез-газ, свободный от смол, содержащий незначительное количество метана и большое количество водорода и оксида углерода.

Эта задача решается с помощью устройства, имеющего признаки независимого пункта 1 формулы изобретения.

Соответствующий способ получения синтез-газа из биомассы путем газификации во взвешенном потоке с применением заявленного устройства раскрыт с помощью признаков п.9 формулы изобретения.

Предпочтительные формы выполнения описаны в зависимых пунктах формулы.

Первая форма выполнения относится к устройству, предназначенному для получения из любой биомассы газа газификации с высоким содержанием водорода и оксида углерода. Сначала в топливоприготовительной установке происходит подготовка биомассы для получения топлива, которое можно транспортировать и газифицировать в установке для газификации, а затем в установке для газификации во взвешенном потоке получают газ газификации, например синтез-газ, топливный газ или восстановительный газ.

Для переработки биомассы в топливо, которое можно газифицировать в топливоприготовительной установке, биомассу подают сначала в устройство грубого помола. Из устройства грубого помола биомасса под давлением поступает через первый шлюз в установку для карбонизации, в которой биомассу подвергают гидротермальной карбонизации. В устройстве грубого помола биомассу измельчают соответственно таким образом, что ее можно беспрепятственно пропускать через шлюз и осуществить полную карбонизацию в течение предусмотренного времени обработки. Установка для карбонизации, находящаяся под давлением, включает в себя, главным образом, карбонизирующий реактор, в котором осуществляется производство из биомассы карбонизированного угля гидротермальным способом.

Перед карбонизирующим реактором можно установить выгодным образом выше по потоку подогреватель, который альтернативно можно установить в качестве зоны подогрева в карбонизирующем реакторе. Высвобождающееся в процессе карбонизации тепло можно выгодным образом использовать для подогрева обрабатываемой биомассы и/или сушки полученного угля.

За находящейся под давлением установкой для карбонизации ниже по потоку находится второй шлюз, через который смесь из карбонизированного угля и воды, полученная из биомассы, вышлюзовывается из установки для карбонизации в одно устройство или несколько устройств для разделения на твердую и жидкую фазы для отделения свободной воды, так что теперь приготовлено топливо в виде карбонизированного угля. Ниже устройств(а) для разделения на твердую и жидкую фазы предусмотрены сушильное устройство для сушки топлива или карбонизированного угля и подключенный к нему измельчитель для измельчения высушенного карбонизированного угля. Измельчитель выбран таким, чтобы измельчать карбонизированный уголь в топливо с размерами частиц более 50 мкм, например от 55 до 500 мкм.

Волокнистая структура биомассы в результате тепловой обработки в установке для гидротермальной карбонизации изменяется преимущественно так, что карбонизированный уголь, полученный из биомассы, имеет волокнистую структуру, которую после сушки, произведенной с меньшими на 50-85% энергозатратами, можно измельчать для получения пылевидного топлива. Улучшенные свойства пыли измельченного карбонизированного угля по сравнению с исходной биомассой улучшают текучесть и повышают сопротивление протекания карбонизированного угля и способствуют устойчивой плавной транспортировке плотного потока, что решительно повышает надежность процесса газификации во взвешенном потоке в отношении прорыва кислорода из-за прерывистости перекачивания пылевидного топлива.

Для дальнейшего улучшения качества угля, полученного из биомассы, т.е. «биоугля», в питающий трубопровод, ведущий в устройство для измельчения сухого угля, можно добавлять инициаторы текучести и/или помола так, чтобы тонкость помола и содержание воды в сухом угле соответствовали требованиям процесса транспортировки и газификации.

Благодаря применению гидротермальной карбонизации вместо газификации при низких температурах обычного V®-процесса карбонизации для производства углесодержащего топлива для следующей стадии газификации выгодным образом можно применить широкий спектр биомасс. Так, с помощью топливоприготовительной установки заявленного устройства можно использовать не только высокоценные биомассы, например древесину и древесные отходы, но и любые другие биомассы, в частности менее ценные, такие, например, как срезанная зелень, трава, сельскохозяйственные продукты и биологические отходы, включая солому, а также отходы переработки биомасс. Топливо, полученное из малоценных биомасс в результате тепловой переработки в установке для гидротермальной карбонизации, карбонизированный уголь можно теперь подвергнуть газификации, что дает существенную экономическую выгоду при растущем спросе и цене на древесину.

Так как биомасса, как правило, рассредоточена по периферии, то для большого газогенератора ее нужно доставить из многих мест в центральный пункт газификации. Благодаря разделению процессов приготовления биомассы и газификации, ставшему возможным благодаря процессу гидротермальной карбонизации, появилась возможность перерабатывать биомассу в топливо, пригодное к газификации, во многих любых пунктах с помощью соразмерных топливоприготовительных установок, так что приготовленное топливо из-за своей повышенной по сравнению с биомассой энергетической плотности можно перекачивать в установку для газификации с меньшими издержками и/или затратами на транспортировку, благодаря чему можно достигнуть лучшего использования всего устройства в целом, что является существенной экономической выгодой.

Для подачи топлива, полученного в топливоприготовительной установке, в установку для газификации во взвешенном потоке заявленное устройство включает в себя устройство перенесения топлива. Когда топливоприготовительная установка предусмотрена в непосредственной близости от установки для газификации, устройство перенесения топлива представляет собой простейшим образом сформированный транспортный механизм, установленный между топливоприготовительной установкой и установкой для газификации. Согласно выгодной форме выполнения изобретения с периферийными топливоприготовительными установками и одной центральной установкой для газификации устройство перенесения топлива, соединяющее топливоприготовительную(ые) установку(и) с установкой для газификации взвешенного потока, становится транспортным средством для перевозки топлива (это, например, грузовой автомобиль).

Другое преимущество применяемой согласно изобретению установки для карбонизации заключается в том, что гидротермальная карбонизация протекает в водной фазе, так что нет необходимости в существующей до сих пор сушке биомассы с большими энергетическими затратами. Кроме того, можно использовать воду, выделенную в процессе карбонизации и нагретую избыточной теплотой экзотермического процесса, для подогрева биомассы. Благодаря тому что карбонизация протекает в водной фазе, можно проще и надежнее удерживать необходимый температурный режим, чем это имеет место в способе сушки биомассы.

Кроме топливоприготовительной установки, которая готовит из биомассы топливо, подходящее для газификации во взвешенном потоке, заявленное устройство имеет установку для газификации во взвешенном потоке, снабженную в варианте выполнения соединяемым с устройством перенесения топлива подводящим трубопроводом для перекачивания топлива из топливоприготовительной установки. К подводящему трубопроводу для топлива ниже примыкает шлюз, с помощью которого топливо поступает в находящуюся под давлением систему транспортировки. Система транспортировки топлива входит в устройство для высокотемпературной газификации во взвешенном потоке, которое находится под высоким давлением и от которого тянется трубопровод для вышлюзовыванных шлаков и продуктопровод для синтез-газа.

Такое устройство для газификации во взвешенном потоке может иметь одну горелку или несколько горелок, причем с каждой горелкой соединен питающий трубопровод для газифицирующего агента. Горелка или горелки входит(ят) в реактор для газификации во взвешенном потоке, который имеет реакционную камеру и ниже ее камеру охлаждения. Стенки реакционной камеры могут иметь огнеупорную облицовку и, альтернативно или дополнительно, устройство охлаждения, которое можно установить, например, на стене или в стене. Кроме того, от камеры охлаждения отходит отводящий трубопровод для синтез-газа, соединенный с продуктопроводом.

Камера охлаждения может представлять собой в варианте выполнения камеру быстрого охлаждения, имеющую несколько подводящих трубопроводов для охлаждающей воды и/или охлаждающего газа. Альтернативно для косвенного охлаждения газа камера охлаждения может быть оснащена радиационным охладителем, к которому, при необходимости, можно подключить конвекционный охладитель. В комбинации быстрого охлаждения и косвенного охлаждения газа камера охлаждения может быть выполнена как камера быстрого охлаждения с дополнительным устройством для косвенного охлаждения газа, присоединенным к камере быстрого охлаждения. При этом к камере быстрого охлаждения можно подключить конвекционный охладитель.

Шлакосборник реактора для газификации во взвешенном потоке находится ниже реакционной камеры, так что жидкие шлаки стекают под собственной тяжестью из реакционной камеры вниз в шлакосборник, а оттуда в виде затвердевшего гранулированного материала выводятся через четвертый шлюз по отводящему трубопроводу.

Так, выгодным образом с помощью заявленного устройства топливо, полученное в результате гидротермальной карбонизации (малоценной) биомассы, можно превратить в реакторе для газификации во взвешенном потоке в топливный газ, газ газификации или синтез-газ, не содержащий смол и содержащий незначительное количество метана. Реактор для газификации во взвешенном потоке может выдержать, в частности, для синтеза высокое давление от 30 бар и выше при сравнительной или также более высокой эффективности газификации и коэффициенте использования топлива, чем это представлено в уровне техники, и одновременно можно достигнуть более высокой производительности, что по сравнению с уровнем техники потребует скромных производственных затрат при производстве синтез-газа.

Выгодный, в смысле однородности топлива, одностадийный процесс газификации во взвешенном потоке технологически более прост по сравнению с многостадийным процессом газификации и поэтому обходится только одним шлюзом для топлива и одним шлюзом для шлака, тогда как при многостадийной карбо-V®-газификации биомассы при низких температурах требуется по меньшей мере шесть шлюзов. Таким образом, установка для газификации устройства сконструирована с меньшими затратами на аппаратную часть, чем обычная установка для карбо-V®-газификации, и благодаря этому можно сэкономить инвестиционные и производственные расходы, в то время как одновременно увеличивается срок службы установки для газификации во взвешенном потоке. Благодаря отсутствию множества процессов шлюзования и обязательной связи между приготовлением и газификацией, можно к тому же проще осуществить газификацию при повышенных давлениях в процессе. Таким образом можно пренебречь дополнительным сжатием произведенного в процессе газификации газа до повышенного давления в установке для синтеза, если предусмотрено применение газа газификации в качестве синтез-газа.

В выгодном варианте выполнения заявленного устройства предусмотрена пневматическая система транспортировки плотного потока в виде системы перекачивания, если топливо представляет собой топливо, полученное в результате сушки и измельчения. Топливо вносят через шлюз в систему транспортировки плотного потока, находящуюся под давлением, и подают в установку для газификации во взвешенном потоке, подавая рабочий газ по одному трубопроводу для рабочего газа или по нескольким трубопроводам.

Альтернативой пневматической системе транспортировки плотного потока топлива может стать система перекачивания с помощью насосов, причем топливо присутствует в виде топливной суспензии, транспортируемой с помощью гидравлического насоса. Топливная суспензия состоит из топлива и горючей жидкости, причем топливо может быть пылевидным топливом или даже карбонизированным углем, полученным в процессе карбонизации после обезвоживания. Для приготовления топливной смеси либо установка для газификации взвешенного потока имеет выше насосной системы перекачивания смесительное устройство, в которое входит устройство подачи сгораемой жидкости, либо топливоприготовительная установка содержит под устройством для разделения на жидкую и твердую фазы смесительное устройство, в которое входит устройство подачи горючей жидкости.

Кроме того, изобретение относится к способу производства синтез-газа из биомассы путем газификации во взвешенном потоке, причем топливо для газификации во взвешенном потоке получают в процессе гидротермальной карбонизации биомассы. Для реализации способа можно применить один из вариантов выполнения заявленного устройства. На первой стадии способа топливо из биомассы, подходящее для газификации в установке для газификации, получают в топливоприготовительной установке. Для этого биомассу подвергают грубому помолу в устройстве для грубого помола и затем подают через первый шлюз в установку для карбонизации, находящуюся под давлением. Там биомассу грубого помола можно подогреть в подогревателе или в зоне подогрева, устроенной в карбонизирующем реакторе, после чего в карбонизирующем реакторе проводят гидротермальную карбонизацию подогретой биомассы с получением смеси из карбонизированного угля и воды. На следующей стадии смесь из карбонизированного угля и воды перекачивают через второй шлюз в устройство(а) для разделения на твердую и жидкую фазы, где воду отделяют от карбонизированного угля так, чтобы обезвоженный карбонизированный уголь стал топливом.

Обезвоженный карбонизированный уголь подают в устройство для сушки и там высушивают, получая сухой уголь. Затем этот сухой уголь перевозят в измельчитель, в котором его измельчают в топливную пыль с размером частиц более 50 мкм, приблизительно от 55 до 500 мкм. Такое пылевидное топливо пригодно для пневматической транспортировки и для газификации, однако его можно использовать также и для получения топливной смеси, перекачиваемой с помощью гидравлических насосов, причем его перерабатывают в смесительном устройстве вместе с горючей жидкостью в смесь, перекачиваемую насосом и газифицируемую во взвешенном потоке.

При необходимости, уже обезвоженный карбонизированный уголь можно использовать как топливо в установке для газификации во взвешенном потоке и именно в виде топливной смеси, если карбонизированный уголь был переработан в смесь в смесительном устройстве с горючей жидкостью.

Гидротермальную карбонизацию, сушку и измельчение можно осуществлять независимо друг от друга по времени и месту в зависимости от имеющейся биомассы и типа и количества желаемого топлива. В частности, для лучшего измельчения, а также для улучшения качества получаемого топлива, с точки зрения его текучести, можно на стадии измельчения добавить в измельчитель интенсификаторы помола и/или текучести.

Топливо, полученное на стадии приготовления, переводят с помощью устройства для перенесения топлива в установку для газификации во взвешенном потоке, где получают сингез-газ, газифицируя топливо в реакторе для высокотемпературной газификации. Газификация во взвешенном потоке полученного из биомассы топлива протекает при температурах от 1.200°С до 1.600°С с выделением тепла в присутствии кислорода при давлении по меньшей мере от 3 бар, предпочтительно более 40 бар.

Эффективность гидротермальной карбонизации, главным образом, вследствие улучшенного баланса углеводорода явно выше, чем эффективность быстрого пиролиза при низкотемпературной газификации. Так, при сравнительном анализе эффективность всего процесса газификации биомассы (включая приготовление топлива при нагреве) в заявленном способе с гидротермальной карбонизацией явно выше эффективности способа с жидкой биофазой, что можно заметить по более высокому выходу синтез-газа.

Кроме того, выгодно, что коэффициент полезного действия охлаждающего газа в целом всего способа, включая гидротермальную карбонизацию и газификацию во взвешенном потоке, несмотря на высокие температуры из-за отщепления кислорода в гидротермальном процессе карбонизации, можно сравнить с коэффициентом полезного действия охлаждающего газа в карбо-V®-способе.

С выделением растворимых в воде щелочей и галогенов на стадии термического приготовления топлива гидротермальной карбонизации из биомассы, которые можно затем вымывать с водой в устройстве для разделения на твердую и жидкую фазы, снижается содержание в топливе золы и вредных примесей. Таким образом, процесс газификации сопровождается образованием незначительного количества золы и вредных примесей, что способствует экономии энергии и скромным расходам на очистку газа. В то же время в процесс можно вводить питательные вещества, вымытые с отработанной водой.

Эти и другие преимущества представлены в последующем описании со ссылками на прилагаемую фигуру.

Ссылка в описании на фигуру служит для подкрепления описания и для лучшего понимания предмета. Фигура является лишь схематичным изображением примера выполнения изобретения.

На Фиг.1 представлена схема одного из вариантов выполнения способа с заявленным устройством, включающим в себя топливоприготовительную установку, устройство для перенесения топлива и установку для газификации во взвешенном потоке с быстрым охлаждением водой.

Заявленное устройство сочетает устройства для реализации стадий способа гидротермальной карбонизации биомассы для получения карбонизированного угля (угля) и высокотемпературной газификации во взвешенном потоке полученного из биомассы угля. Последний можно либо переработать в угольную смесь, в которой карбонизированный уголь превращают в суспензию в горючей жидкости, либо в подходящей форме подвергнуть высушиванию с последующим измельчением так, чтобы приготовить топливо с возможностью его транспортировки по устройству для транспортировки плотного потока с помощью пневматического устройства для осуществления высокотемпературной газификации во взвешенном потоке.

Отдельные стадии процесса - гидротермальную карбонизацию биомассы, сушку карбонизированного угля, измельчение высушенного угля и газификацию пылевидного топлива можно реализовать в разобщенных местах, в частности, гидротермальную карбонизацию биомассы можно выполнить в периферийных пунктах в меньших устройствах вблизи скопившейся биомассы, что позволит сэкономить на транспортных расходах.

Текучесть и газифицируемость сухого угля можно оптимально улучшить за счет добавок инициаторов текучести и измельчения перед измельчением сухого угля или во время измельчения сухого угля. Благодаря этому можно, при необходимости, улучшить текучесть и возможность дозирования полученного пылевидного топлива для пневмотранспортировки.

Как было сказано выше, альтернативой пневмотранспортировке плотного потока может стать введение карбонизированной и обезвоженной механическим путем биомассы с подмешанными горючими жидкостями, такими как, например, смоляное масло, отработанное масло, отходы дистиллята, лигроин, а также другие горючие жидкости, с помощью насосов в процесс газификации во взвешенном потоке с высокими температурами и при высоком давлении.

Согласно изобретению наряду с древесиной и древесными отходами можно перерабатывать малоценные биомассы, такие как срезанная зелень, трава, сельскохозяйственные продукты и отходы, например солома, отходы от переработки биомассы и др., и газифицировать с высокой степенью превращения в синтез-газ или также топливный газ или восстановительный газ с высоким содержанием оксида углерода и водорода, без смол и с незначительным содержанием метана.

Заявленный способ относится к тому, что от подлежащей газификации биомассы сначала при гидротермальной карбонизации отщепляют часть кислорода, главным образом в форме связанной воды, и незначительное количество в форме диоксида углерода.

В результате отщепления кислорода повышается калорийность полученного карбонизированного угля (угля), в пересчете на сухое вещество, по сравнению с калорийностью использованной биомассы, что способствует существенному улучшению качества газа в дальнейшем процессе газификации.

В результате обработки в водной фазе растворимые в воде щелочи и галогены вымываются из топлива, содержащего эти минеральные вещества, и поэтому не попадают в процесс газификации, соединяясь со шлаком без возможности вымывания. Таким образом их можно снова вернуть в круговорот питательных веществ.

По окончании процесса карбонизации уголь можно высушить до присутствия обычного содержания воды в топливе, а затем измельчить для пневмотранспортировки.

В результате процесса карбонизации волокнистая структура биомассы в значительной степени нарушается, так что высушенный карбонизированный уголь можно измельчить с меньшими энергозатратами, чем в случае с исходной биомассой, причем полученное топливо имеет улучшенную форму зерен, способствующую лучшей пневмотранспортируемости пылевидного топлива и тем самым надежной и качественной газификации.

Спектр зернистости в процессе измельчения устанавливают таким, чтобы размер зерен полученного пылевидного топлива находился, главным образом, в диапазоне от 55 до 500 мкм. Таким образом, с одной стороны, в газогенераторе обеспечено полное превращение в топливо, а, с другой стороны, можно также в отношении нижней границы размера зерен добиться хорошего осаждения пылевидного топлива при быстром охлаждении водой или в процессе мокрой очистки газа. Кроме того, избежав получения слишком большого количества мелких зерен, можно воспрепятствовать слишком сильному загрязнению теплоотдающих поверхностей при охлаждении газа.

Пылевидное топливо поступает по пневматической системе транспортировки плотного потока, подходящей для высоких рабочих давлений, в установку для газификации во взвешенном потоке и там вместе с кислородсодержащим газифицирующим агентом превращается в синтез-газ с незначительным содержанием метана и богатым содержанием водорода и оксида углерода.

Ниже заявленный способ рассматривается во всех подробностях с помощью заявленного устройства, представленного на Фиг.1.

Предпочтительный способ состоит в принципе из отдельных стадий: гидротермальной карбонизации биомассы ВМ с получением карбонизированного угля КК при отщеплении кислорода, главным образом, в форме воды W, сушки и измельчения полученного угля с получением пылевидного топлива BS в топливоприготовительной установке 1, транспортировки пылевидного топлива BS из топливоприготовительной установки 1 в установку для высокотемпературной газификации при высоком давлении 22, пневмотранспортировки пылевидного топлива BS в газификатор для взвешенного потока 40 и газификации пылевидного топлива BS с кислородсодержащим газифицирующим агентом во взвешенном потоке.

Биомассу ВМ перерабатывают по месту нахождения топливоприготовительной установки 1, удаленной от местонахождения установки для газификации во взвешенном потоке 22, в пригодное для транспортировки топливо, представляющее собой в предложенном примере топливо BS. Для этого биомассу ВМ измельчают в подходящем измельчителе 2 до такой степени, чтобы не возникло проблем в дальнейшем проведении способа, например при транспортировке биомассы ВМ через шлюз 3, и чтобы измельченная биомасса ВМ находилась предусмотренное время в установке для карбонизации 4 для выполнения гидротермальной карбонизации. Таким образом, кроме грубого помола биомассы ВМ в измельчителе 2 перед процессом карбонизации, не нужны никакие другие подготовительные операции и не нужна предварительная сушка биомассы ВМ, так как процесс карбонизации протекает в водной фазе.

Кроме того, также не нужно сортировать биомассу по специальным признакам, например по размеру зерен, качеству, структуре и др., так что с помощью заявленного способа можно очень просто перерабатывать любой тип биомассы.

Биомассу грубого помола вносят через шлюз 3 в установку для карбонизации 4, в которой присутствует давление почти в 20 бар. Перед внесением в установку для карбонизации 4 измельченную биомассу можно оптимально подогреть (как это представлено на Фиг.1) паром меньшего давления D, который возникает на следующей стадии способа и который можно подавать по трубопроводу для водяного пара 14. При необходимости, здесь к биомассе можно подмешать катализатор (на Фиг.1 не представлено) и биомассу, подогретую выгодным образом теплотой процесса, направить через шлюз 3 для гидротермальной карбонизации сначала в подогреватель 5 установки для карбонизации 4. Здесь биомассу подогревают горячей водой, а, при необходимости, для покрытия расхода теплоты или также для процесса разгона можно дополнительно подать сжатый пар по трубопроводу для пара 9, входящему в подогреватель 5. Горячая вода, используемая в подогревателе 5, образуется преимущественно в процессе карбонизации в карбонизирующем реакторе 6, в котором происходит выделение тепла из биомассы для получения карбонизированного угля КК, причем отделяют технологическую воду W, которую затем возвращают в подогреватель 5 по трубопроводу для горячей воды 7 с помощью насоса 8.

После подогрева в подогревателе 5 смесь из биомассы и воды попадает в зону карбонизации 6, где при температурах от 180°С до 230°С и времени нахождения примерно от 6 до 24 часов отщепляется кислород, главным образом, в форме связанной воды, а также в небольшом количестве в форме диоксида углерода. При этом волокнистая структура биомассы разрушается, так что полученный карбонизированный уголь КК уже здесь на стадии карбонизации распадается на более мелкие зерна, чем зерна биомассы при загрузке.

Так как процесс карбонизации протекает с выделением тепла, теплоту, выделяющуюся в процессе карбонизации, отводят в виде горячей воды W в зону подогрева 5, как это было описано выше.

Напор газа, выходящего также в виде продукта отщепления кислорода, главным образом диоксида углерода, вместе с водяным паром, содержащимся в газе, регулируют при помощи клапана, расположенного над выпускным отверстием 10, и давление доводят до атмосферного. Возможную еще избыточную теплоту из зоны тепловыделения процесса карбонизации можно здесь безопасно отвести в виде повышенного количества пара. Возможно также использование тепловой функции, содержащейся в газе.

Полученный карбонизированный уголь КК вместе с избытком воды W вышлюзовывают через шлюз 11 из находящейся под давлением установки для гидротермальной карбонизации 4 и давление снижают. Вследствие высокой температуры угля КК и воды W часть воды испаряется. Этот пар D можно направить, как было сказано, в теплообменник 17 сушильного устройства 16 для подогрева измельченной биомассы ВМ в сборнике перед шлюзом 3 или, например, также выше по паропроводу 14 и там использовать для сушки обезвоженного карбонизированного угля КК.

Однако сначала карбонизированный уголь КК, полученный из биомассы ВМ, отделяют в разделительном устройстве 12 и механическом водоотделителе 13, например в центрифуге, камерном фильтр-прессе, ленточном фильтр-прессе или червячном прессе, от свободной воды W, которую выводят по сливному трубопроводу 15 как из разделительного устройства 12, так и из механического водоотделителя 13. Отходящая вода W может содержать при этом растворенные соединения углеводорода и растворенные компоненты золы, например щелочи и галогены. Если есть вредные соединения, их нужно удалить из отходящей воды, прежде чем она поступит на осветлительную станцию.

После обезвоживания механическим способом карбонизированный уголь КК высушивают в сушильном устройстве 16 сжатым паром D или другим теплоносителем, который проходит через теплообменник 17, до присутствия в нем остатков воды менее 10%.

Полученный таким образом сухой уголь ТК измельчают затем в следующем измельчителе 18 до получения топлива BS, которое можно перекачивать по пневмотранспортеру и размер зерен которого составляет в основном более 55 и менее 500 мкм. Обычными измельчителями 18 могут быть, например, шаровые мельницы, валковые тарельчатые мельницы и т.д.

Так как в процессе карбонизации волокнистая структура биомассы в значительной степени разрушается, энергозатраты на измельчение сухого угля ТК можно сравнить с затратами в отношении ископаемого угля. Для сокращения времени, затрачиваемого на процесс измельчения, и для улучшения текучести пылевидного топлива BS в мельницу 18 по подходящему питающему трубопроводу 19 можно добавить инициатор помола и/или текучести.

В бункере для пылевидного топлива 20 пылевидное топливо BS можно накапливать или временно хранить, а затем доставлять к месту нахождения установки для газификации во взвешенном потоке 22. На Фиг.1 представлено перенесение топлива по транспортному трубопроводу 21' или перевозка его в автоцистерне 21".

Согласно изобретению устройство может иметь несколько таких топливоприготовительных установок 1 в разных местах, где рассредоточенную по периферии биомассу ВМ обрабатывают по месту и доставляют транспортными машинами 21" к месту нахождения установки для газификации во взвешенном потоке 22.

В месте нахождения установки для газификации 22, т.е. целесообразно в центре относительно мест нахождения топливоприготовительных установок, топливо из транспортной машины 21" вместе с топливом, поступившим из других мест на транспортных машинах 21" к месту нахождения установки для газификации, выгружают в бункер 23 и там временно хранят. Если топливоприготовительная установка 1 и установка для газификации во взвешенном потоке 22 находятся в одном месте, то они альтернативно связаны предпочтительно транспортным трубопроводом 21'.

Для газификации топливо поступает через шлюз 24 в систему транспортировки плотного потока 25, где его подают с помощью рабочего газа, поступающего по транспортному газопроводу 26, к горелке 28 устройства для высокотемпературной газификации во взвешенном потоке 40, рабочее давление которого может составлять по меньшей мере 3 бар и предпочтительно более 40 бар. По отдельной питающей линии 27 горелки 28 в газогенератор 32 подают кислородсодержащий газифицирующий агент, который может быть чистым кислородом или смесью кислорода и водяного пара, смесью кислорода и диоксида углерода или смесью кислорода, водяного пара и диоксида углерода. В реакционной камере 30, которая охлаждается в предложенном примере устройством охлаждения 31 и которая может быть облицована огнеупорным материалом, на выходе сопла горелки 29 пылевидное топливо вступает в пламенную реакцию с газифицирующим агентом при температурах выше температуры плавления золы, обычно при 1.200-1.600°С, предпочтительно при 1.400-1.500°С, и при давлении выше 3 бар, предпочтительно более 40 бар, для получения газа газификации SG, который не содержит смолу, содержит незначительное количество метана и большое количество водорода и оксида углерода и который выходит из реакционной камеры 30 в находящуюся под ней камеру быстрого охлаждения 33.

Дополнительно к камере быстрого охлаждения 33 можно подключить не представленный на Фиг.1 конвекционный охладитель так, чтобы можно было сочетать частичное быстрое охлаждение с косвенным охлаждением газом, или камера охлаждения может иметь в качестве альтернативы быстрому охлаждению радиационный охладитель, к которому потенциально можно подключить конвекционный охладитель. Устройство камеры охлаждения, будь то камера быстрого охлаждения 33 или камера косвенного охлаждения газом, для которого в камере охлаждения имеются поверхности, передающие теплоту конвекции и/или теплоту излучения, зависит от возможного выхода газа из реакционной камеры 30. Возможен выход газа вверх, вниз и выход газа вниз в сочетании с поворотом потока газа на 180°. Так, камеру охлаждения можно установить выше, ниже или рядом с реакционной камерой, в представленном случае на Фиг.1 камера охлаждения или камера быстрого охлаждения 33 находится под реакционной камерой 30.

Зола пылевидного топлива, расплавленная в ходе пламенной реакции, откидывается благодаря уклону рифления горелки 28 к стенке реакционной камеры 30 и там истекает в виде жидкого шлака на слой твердого шлака, образовавшийся в представленном примере на основании устройства охлаждения 31 на огнеупорном материале реакционной камеры 30, и капает на выходе из реакционной камеры 30 через камеру быстрого охлаждения 33 в емкость для шлака 37, где и застывает в виде стекловидных гранул. Твердый шлак выводится из процесса через шлюз 39 по вышлюзовывающему трубопроводу 36.

Независимо от отведения газа жидкий шлак непрерывно отводят из реакционной камеры 30 вниз в шлакосборник, а оттуда уже вышлюзовывают после превращения его в твердые гранулы. Для представленного на Фиг.1 случая отведения газа вниз без изменения направления шлак вместе с газом попадает сначала в камеру быстрого охлаждения 33, прежде чем он попадет в шлакосборник 37. В другом случае при изменении направления отходящего потока газа или при прохождении потока газа вверх жидкий шлак в результате изменения направления потока газа под своим весом отделяется от потока газа или попадает прямо в шлакосборник.

Выходящий из реакционной камеры 30 горячий газ газификации можно охладить в камере быстрого охлаждения 33 холодной водой, впрыскиваемой через устройства подачи 34, до температуры примерно 500-1.000°С (частичное быстрое охлаждение), чтобы затем подвергнуть, например, конвективному охлаждению, или альтернативно можно охладить до температуры примерно 200-250°С (полное быстрое охлаждение) для дальнейшей подачи, например, на стадию превращения вещества. Газ газификации, охлажденный и насыщенный водяным паром, выходит в виде неочищенного газа газификации, соответственно в виде синтез-газа SG, из газифицирующего реактора 32 через выпускной патрубок 38 и может поступать через продуктопровод 35 на следующую стадию процесса (не представлено).

С помощью заявленного способа газификации биомассы во взвешенном потоке можно превращать древесину, древесные отходы, срезанную зелень, траву, сельскохозяйственные продукты и отходы, например солому, отходы от переработки биомассы и др., а также малоценные биомассы в топливный газ, синтез-газ и/или восстановительный газ с высоким коэффициентом преобразования, который не содержит смол, богат водородом и оксидом углерода и содержит небольшое количество метана.

Это достигается путем комбинации гидротермальной карбонизации, сушки угля, полученного из этой биомассы, его измельчения, транспортировки плотного потока и газификации во взвешенном потоке для производства топливного газа, синтез-газа и/или восстановительного газа. При этом в устройство газификации во взвешенном потоке, находящееся под повышенным давлением, подают с помощью пневматической системы транспортировки плотного потока обогащенное углеродом топливо, размеры частиц которого менее 500 мкм, предпочтительно от 55 до 500 мкм, причем устройство газификации во взвешенном потоке, включая горелки, реакционную камеру и устройства охлаждения, можно выполнить технически очень просто вследствие однородности структуры топлива и предусмотреть только два шлюза.

При этом операции способа - гидротермальную карбонизацию, сушку и измельчение можно проводить отдельно по времени и месту как друг от друга, так и от места проведения процесса газификации, так что в зависимости от того, где находится биомасса, подготовленную биомассу в зависимости от дальнейшей переработки или от цели применения можно перенести в соответствующие устройства для проведения операций способа.

Так, например, в альтернативном способе предусматривается, что полученный из биомассы уголь не доставляют в устройство газификации во взвешенном потоке с помощью пневмотранспортера, а подмешивают в него горючую жидкость, например смоляное масло, отработанное масло, лигроин, солярку и другие горючие жидкости, и эту смесь закачивают в газификатор. При этом смесь можно получать в установке для газификации 22, причем горючую жидкость подают выше газифицирующего реактора 40, а смесь перекачивают к горелке 28 с помощью насосной системы. Подводящий трубопровод с горючей жидкостью мог бы при этом соответствовать транспортному газопроводу, представленному на Фиг.1, а насосная система - системе транспортировки плотного потока 25. Топливо с подмешанной к нему горючей жидкостью может представлять собой топливо BS и может использоваться при определенных обстоятельствах как топливо, а также как карбонизированный уголь КК сразу после гидротермальной карбонизации с последующим обезвоживанием, так что при этом можно пренебречь операциями сушки и измельчения.

Следующей альтернативой могло бы стать получение топливной смеси уже в месте нахождения топливоприготовительной установки 1, так что в установку для газификации можно подавать не пылевидное топливо, а топливную смесь.

Перечень позиций

1 топливоприготовительная установка

2 устройство грубого помола

3 шлюз

4 установка для карбонизации

5 подогреватель

6 карбонизирующий реактор

7 трубопровод для горячей воды

8 насос

9 подводящий трубопровод для сжатого пара

10 выпуск СО2 и пара через клапан

11 шлюз

12 устройство разделения

13 механическое устройство удаления воды

14 трубопроводы для водяного пара

15 трубопровод для отработанной воды

16 сушильное устройство

17 теплообменник

18 мельница, измельчитель

19 подвод для инициаторов помола и/или текучести

20 бункер

21,21',21'' устройство перенесения топлива, транспортный трубопровод, транспортная машина

22 установка для газификации во взвешенном потоке

23 бункер

24 шлюз

25 система транспортировки плотного потока

26 транспортный газопровод

27 подводящий трубопровод для газифицирующего агента

28 горелка

29 пламя горелки, сопло горелки

30 реакционная камера

31 устройство охлаждения

32 реактор для газификации во взвешенном потоке

33 камера быстрого охлаждения

34 подвод для холодной воды

35 продуктопровод для синтез-газа

36 трубопровод для вышлюзовывания твердых шлаков

37 шлаконакопитель/шлакосборник

38 выходной патрубок для газа

39 шлюз

40 устройство высокотемпературной газификации во взвешенном потоке

ВМ биомасса

КК карбонизированный уголь

ТК сухой уголь

BS пылевидное топливо

SG синтез-газ

W вода

D пар

1. Устройство для производства синтез-газа (SG) из биомассы (ВМ) путем газификации во взвешенном потоке, содержащее топливоприготовительную установку (1) для биомассы (ВМ), имеющую устройство грубого помола (2) для поступившей биомассы (ВМ), которое ниже по течению соединено с помощью первого шлюза (3) с установкой для карбонизации (4), находящейся под давлением, для получения гидротермальным способом карбонизированного угля (КК) из биомассы (ВМ), причем установка для карбонизации (4)
- имеет по меньшей мере один подогреватель (5) и один карбонизирующий реактор (6), установленный ниже подогревателя (5), и
- соединена ниже по течению с помощью второго шлюза (11) с по меньшей мере одним устройством для разделения на твердую и жидкую фазы (12, 13) для приготовления топлива,
и причем топливоприготовительная установка (1) ниже устройства для разделения на твердую и жидкую фазы (12, 13) имеет сушильное устройство (16) для сушки топлива, подключенное к измельчителю (18), причем измельчитель (18) измельчает топливо в топливную пыль (BS) с размером частиц от 55 до 500 мкм, а также включает
- устройство перенесения топлива (21) и
- установку для газификации во взвешенном потоке (22),
причем устройство перенесения топлива (21) связывает топливоприготовительную установку (1) с установкой для газификации во взвешенном потоке (22).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что биомасса (ВМ) представляет собой древесину, древесные отходы, срезанную зелень, траву, сельскохозяйственные продукты и отходы, включая солому, а также отходы переработки биомассы.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измельчитель (18) соединен с подводящим трубопроводом (19) для вспомогательных агентов, в частности для инициаторов помола и/или текучести.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что установка для газификации во взвешенном потоке (22) содержит подвод для топлива, выполненный с возможностью связи с устройством перенесения топлива (21) и соединенный ниже по течению с помощью третьего шлюза (24) с системой транспортировки топлива, которая входит в устройство газификации во взвешенном потоке (40).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство газификации во взвешенном потоке (40) имеет по меньшей мере одну горелку (28), в которую входит подводящий трубопровод для газифицирующего агента и которая соединена с реактором для газификации во взвешенном потоке (32), содержащим реакционную камеру (30), имеющую огнеупорную облицовку и/или устройство охлаждения (31), а ниже реакционной камеры (30) - камеру охлаждения, от которой отходит трубопровод для вышлюзовывания шлака (36) и продуктопровод для синтез-газа (SG).

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что камера охлаждения
- представляет собой камеру быстрого охлаждения (33), имеющую несколько подводящих линий (34) для холодной воды и/или охлажденного газа,
- имеет устройство для косвенного охлаждения газа при помощи радиационного и/или конвекционного охладителя или
- включает в себя комбинацию из камеры быстрого охлаждения и устройства косвенного охлаждения газа.

7. Устройство по п.5, отличающееся тем, что реактор для газификации во взвешенном потоке (32) ниже реакционной камеры (30) имеет шлакосборник (37), от которого трубопровод для вышлюзовывания шлака (36) проходит через четвертый шлюз (39).

8. Устройство по одному из пп.4-7, отличающееся тем, что система транспортировки
- представляет собой пневматическую систему транспортировки плотного потока (25), имеющую по меньшей мере один транспортный газопровод (26), если топливо является пылевидным топливом (BS), или
- насосную систему транспортировки, если топливо приготовлено в виде топливной смеси, подаваемой с помощью гидравлического насоса и состоящей из топлива и горючей жидкости, причем топливная смесь приготовлена в смесительном устройстве, установленном выше насосной системы транспортировки в установке для газификации во взвешенном потоке (22) или в топливоприготовительной установке (1) и имеющем устройство подачи горючей жидкости.

9. Способ производства синтез-газа из биомассы путем газификации во взвешенном потоке с применением устройства по одному из пп.1-8, включающий следующие стадии:
А) получение топлива из биомассы (ВМ), пригодного для газификации в установке для газификации во взвешенном потоке (22), при помощи топливоприготовительной установки (1) путем
- грубого помола биомассы в устройстве для грубого помола (2),
- подачи биомассы грубого помола через первый шлюз (3) в установку для карбонизации (4), находящуюся под давлением,
- подогрева биомассы грубого помола в подогревателе (5),
- гидротермальной карбонизации подогретой биомассы в карбонизирующем реакторе (6) с получением смеси из карбонизированного угля и воды,
- перенесения карбонизированного угля и воды через второй шлюз (11) по меньшей мере в одно устройство разделения на твердую и жидкую фазы (12, 13) и отделения карбонизированного угля от воды,
- перенесения карбонизированного угля в сушильное устройство (16) и сушки карбонизированного угля до получения сухого угля (ТК),
- перенесения сухого угля в измельчитель (18) и измельчения сухого угля до получения топлива с размерами частиц от 55 до 500 мкм,
B) перенесение топлива с помощью устройства перенесения (21) из топливоприготовительной установки (1) в установку для газификации во взвешенном потоке (22)
и
C) получение синтез-газа путем газификации во взвешенном потоке топлива в реакторе газификации во взвешенном потоке (32).

10. Способ по п.9, включающий перед газификацией во взвешенном потоке стадию перемешивания топлива в смесительном устройстве с добавкой в виде горючей жидкости и получение топливной смеси, способной к транспортировке с помощью гидравлического насоса, которое выполнено перед газификацией во взвешенном потоке.

11. Способ по п.9, причем операции гидротермальной карбонизации, сушки и измельчения выполняют независимо друг от друга по времени и месту.

12. Способ по п.9, включающий стадию подачи в измельчитель (18) инициатора помола и/или текучести.

13. Способ по одному из пп.9-12, причем процесс газификации во взвешенном потоке протекает при давлении по меньшей мере 3 бар, предпочтительно выше 40 бар, и при температурах от 1.200°С до 1.600°С, в частности при 1.400-1.500°С, с выделением тепла при участии кислорода.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к металлургической газификации твердого топлива и может быть использовано в энергетике, металлургии, переработке промышленных и твердых бытовых отходов.

Изобретение относится к трубе риформинга с переменной толщиной стен, предназначенной для риформинга газа в процессе прямого восстановления железа. Труба содержит аксиально выровненную трубчатую конструкцию, выполненную из металлического материала.
Изобретение относится к процессам получения жидкого металла из окисленного железосодержащего сырья, техногенных отходов черной и цветной металлургии, в том числе содержащего примеси цветных металлов.

Изобретение относится к способам и устройству для обработки железных руд с высоким содержанием фосфора. Способ включает смешивание железной руды, содержащей высокофосфористые оксиды железа, со щелочным раствором, значение рН которого лежит приблизительно между 12,5 и 13,5, сортировку смеси за счет гравитации с целью отделения высокофосфористого щелочного раствора от низкофосфористой железной руды и восстановление низкофосфористой железной руды природным газом.

Изобретение относится к восстановлению оксидов металлов до металлизированного материала путем контакта с горячим газообразным восстановителем. Газообразный восстановитель, по меньшей мере частично, получают каталитическим риформингом смеси газа, содержащего диоксид углерода (СО2) и/или водяной пар (Н2О), и газообразных углеводородов.

Настоящее изобретение относится к восстановлению оксидов (3) металлов до металлизированного материала путем контакта с горячим газообразным восстановителем, который, по меньшей мере, частично получают каталитическим риформингом смеси из газа, который содержит диоксид углерода (СО2) и/или водяной пар (Н2О), с газообразными углеводородами.

Изобретение относится к способу и устройству для производства железа прямым восстановлением. Устройство содержит установку риформинга с внутренним нагревом для осуществления риформинга природного газа добавлением пара и кислорода к природному газу и частичным сжиганием природного газа для производства газа-восстановителя, содержащего водород и монооксид углерода, для производства железа прямым восстановлением, печь производства железа прямым восстановлением для производства железа прямым восстановлением из сырья, содержащего оксид железа, с использованием газа-восстановителя, устройство удаления диоксида углерода для удаления диоксида углерода из отходящего газа, получаемого в печи производства железа прямым восстановлением с получением газа, из которого удален диоксид углерода, рециркуляционную линию отходящего газа для рециркуляции газа, из которого удален диоксид углерода, в печь производства железа прямым восстановлением в качестве газа-восстановителя, теплообменник для увеличения температуры газа, из которого удален диоксид углерода, до диапазона от 400 до 700 ºС отходящим газом, получаемым в печи производства железа прямым восстановлением, перед рециркуляцией газа, из которого удален диоксид углерода, в качестве газа-восстановителя для производства железа прямым восстановлением.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к процессам получения металлического железа. Способ получения металлического железа с использованием устройства для его осуществления включает формирование исходной сырьевой массы в виде содержащей соединения железа водяной суспензии, полученной введением в заранее заданный объем воды частиц железной руды, перемещение исходной сырьевой массы через последовательно расположенные рабочие зоны обработки, в которых осуществляют восстановление металла с помощью углерода, входящего в состав содержащих его газов, подаваемых в упомянутые рабочие зоны, и посредством воздействия генерируемых в этих зонах переменных вращающихся магнитных полей, осаждение полученных частиц металла с их накоплением и последующей выгрузкой готового металла, причем процесс проводят без остановки обработки сырьевой массы.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для эффективной переработки титаномагнетитовых руд сложного состава. Перед загрузкой в плавильную камеру шихту подогревают отходящими из плавильной камеры газами, имеющими температуру 1850-1900°C.

Изобретение относится к черной металлургии, пирометаллургическому переделу бурожелезняковых руд. .

Изобретение относится к способу и устройству для изготовления прессованных изделий, содержащих прямо восстановленное тонкодисперсное железо (DRI) из установки (1) для восстановления в кипящем слое для прямого восстановления тонкодисперсной железной руды (2). Полученное в установке (1) для восстановления в кипящем слое при прямом восстановлении прямо восстановленное тонкодисперсное железо (DRI) брикетируют с получением прессованных изделий (8). В прямо восстановленное тонкодисперсное железо (DRI) подмешивают сухой тонкодисперсный материал, который содержит по меньшей мере тонкодисперсную железную руду (2), а также тонкодисперсное железо и углерод. Количественная доля сухого тонкодисперсного материала в смеси имеет нижний предел, равный 0,25 мас.%, предпочтительно равный 0,5 мас.%, и составляет до 10 мас.%, предпочтительно до 5 мас.%. Изобретение позволяет повысить плотность прессованных изделий и снизить затраты. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к установке для производства железа прямого восстановления. Установка содержит восстановительную печь 13, устройство 16 удаления кислых газов, устройство 17 для удаления продуктов разложения, обводной контур L11 для байпасирования части бедного растворителя, подлежащего возврату из регенератора в абсорбер и фильтр 41, размещенный в обводном контуре. При этом восстановительная печь 13 предназначена для восстановления железной руды 12а непосредственно в восстановленное железо 12b с использованием высокотемпературного восстановительного газа 11, содержащего водород и моноксид углерода. Устройство 16 удаления кислых газов содержит абсорбер 16а для удаления с помощью абсорбента 15, такого как растворитель на основе аминов, кислых газов (СО2, H2S), содержащихся в отходящем газе 14 восстановительной печи, выпускаемом из восстановительной печи 13, и регенератор 16b для извлечения кислого газа. Устройство 17 для удаления продуктов разложения предназначено для отделения и удаления продукта разложения, содержащегося в абсорбенте 15, используемом посредством циркуляции через абсорбер 16а и регенератор 16b. Изобретение обеспечивает уменьшение количества используемого абсорбента кислых газов, устранение вспенивания, стабилизацию рабочего процесса и подавление коррозии оборудования. 3 з.п.ф-лы, 7 ил.
Изобретение относится к экстракции металлов из красного шлама. Красный шлам измельчают до размера частиц 5-500 мкм. Полученный порошкообразный красный шлам соединяют с углеродистым восстановителем для получения смеси с соотношением порошкообразного красного шлама и углеродистого восстановителя 88:12-95:5. Полученную смесь прессуют с получением формованного материала, выбранного из группы, включающей пеллеты, блоки и брикеты. Формованный материал плавят, по меньшей мере частично, для получения масс железа и шлака, содержащего массу по меньшей мере одного металла из алюминия и титана. Отделяют массу железа от шлака и отделяют из шлака по меньшей мере одну массу металла, выбранного из группы, включающей алюминий и титан. Обеспечивается эффективная экстракция масс металла высокой чистоты. 8 з.п. ф-лы, 2 пр.

Изобретение относится к способу прямой плавки, который включает регулирование условий процесса в емкости для прямой плавки таким образом, что расплавленный шлак в расплавленной ванне металла и шлака имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 Пуаз, когда температура шлака в расплавленной ванне в емкости составляет в диапазоне 1400-1550°С. Причем условия процесса включают: рабочие условия внутри емкости для прямой плавки, в том числе температуру и давление, и скорости вдувания твердых исходных материалов и кислородосодержащего газа в емкость; состав расплавленной ванны, в том числе состав шлака; и характеристики расплавленной ванны. Изобретение обеспечивает возможность плавить титансодержащие материалы с получением расплавленного железного продукта, который может содержать металлический ванадий, и шлакового продукта, который имеет по меньшей мере 50% оксидов титана в виде TiO2, который может быть использован в качестве сырья для сульфатного процесса получения пигментного диоксида титана. В частности, изобретение обеспечивает возможность регулировать скорость охлаждения расплавленного шлака, выводимого из процесса, чтобы предпочтительно образовывались микроструктуры, поддающиеся обработке в сульфатном процессе. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способу выплавки чугуна в агрегате для выплавки чугуна. Способ включает подачу кислородной струи технически чистого кислорода посредством кислородной фурмы в засыпку агрегата для выплавки чугуна для газификации углеродных носителей на глубину проникновения кислородной струи, обеспечивающую образование зоны циркуляции. Для увеличения зоны циркуляции кислородную струю подают с постоянной скоростью в диапазоне от 100 м/с до скорости звука, с постоянными массовым расходом и импульсом струи, причем температуру кислородной струи повышают при неизменной скорости кислородной струи и увеличивают объемный расход кислородной струи посредством кислородной фурмы с увеличенным диаметром. Использование изобретения обеспечивает улучшение газообмена между твердой и жидкой фазами шлака и чугуна и условий выпуска металла. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к металлургии и к области переработки твердых промышленных и бытовых отходов, может быть использовано в энергетике для сжигания или газификации углей. Плавильный агрегат содержит плавильную камеру с топливокислородными горелками, подогреватель шихтовых материалов теплом отходящих из плавильной камеры газов, устройства для раздельного слива металла и шлака, устройства для утилизации тепла газов, отходящих из подогревателя шихтовых материалов. Корпус плавильной камеры выполнен разъемным, состоящим из съемной охлаждаемой верхней и неохлаждаемой нижней частей, линия разъема корпуса расположена на 200-400 мм выше от расчетного максимального уровня жидкого металла в металлической ванне. Съемная охлаждаемая верхняя часть корпуса выполнена в виде двустенной металлической оболочки с герметичной полостью, заполненной жидкометаллическим теплоносителем. Нижняя неохлаждаемая часть корпуса выложена огнеупорной футеровкой и установлена на опорной площадке, выполненной с возможностью наклона. Изобретение направлено на уменьшение суммарного расхода тепловой и электрической энергии на производство товарной продукции, облегчение обслуживания агрегата персоналом. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу прямой плавки. Способ включает подачу (а) железосодержащего материала, (b) твердого углеродсодержащего загружаемого материала и (с) кислородсодержащего газа в резервуар для прямой плавки, содержащий ванну из расплавленного металла и шлака. Проведение прямой плавки металлсодержащего загружаемого материала в резервуаре с созданием продуктов в виде расплавленного металла, расплавленного шлака и отходящего газа. При этом регулируют состав шлака и температуру ванны расплавленного металла до температуры ниже температуры ликвидуса шлака так, что твердая оксидная фаза выделяется из жидкой фазы расплавленного шлака, а расплавленный шлак представляет собой взвесь твердого материала и жидкой фазы и имеет вязкость в диапазоне 0,5-5 пуаз в рабочем температурном диапазоне процесса, и регулируют вдувание железосодержащего материала и твердого углеродсодержащего загружаемого материала так, что содержание FeO в расплавленном шлаке составляет по меньшей мере 3% по весу. Изобретение обеспечивает возможность управления процессом для более эффективного получения расплавленного металла. 17 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу прямой плавки металлсодержащего материала с получением расплава металла. Расплав металла получают в емкости для прямой плавки, которая содержит ванну расплава со слоем металла, глубина которого составляет не менее 900 мм. Для обеспечения устойчивой и экономичной работы процесса способ включает выбор рабочих параметров процесса таким образом, чтобы вдувание сырья, содержащего твердый материал и газ-носитель, над слоем металла и в слой металла через по меньшей мере одну фурму для вдувания твердого материала происходило с импульсом, достаточным для проникновения на глубину не менее 100 мм ниже уровня поверхности слоя металла в спокойном состоянии с обеспечением восходящего движения расплавленного материала и газа из слоя металла. 17 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх