PL204168B1

PL204168B1 - Sposób i urządzenie do wytwarzania gazu syntezowego do zastosowania jako paliwo gazowe lub jako surowiec do wytwarzania paliwa ciekłego w reaktorze Fischera-Tropscha

Info

Publication number: PL204168B1
Application number: PL371744A
Authority: PL
Inventors: Joseph N. Norbeck; Colin E. Hackett; James Edward Heumann; Uy Quoc Ngo; Nguven The Tran; Bilge Yilmaz
Original assignee: Univ California
Priority date: 2002-02-05
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2009-12-31
Also published as: USRE40419E1; CN1642851B; US20070227069A1; HUP0500320A2; AU2003215059B2; CA2475015A1; AU2003215059A1; US7208530B2; MXPA04007656A; JP2005517053A; EP1483197A4; HUP0500320A3; NZ534897A; HK1078842A1; CN1642851A; PL371744A1; CZ2004930A3; WO2003066517A1; US20050256212A1; EP1483197A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do wytwarzania gazu syntezowego do zastosowania jako paliwo gazowe lub jako surowiec do wytwarzania paliwa ciekłego w reaktorze Fischera-Tropscha. Wynalazek obejmuje dziedzinę syntezy paliwa stosowanego w transporcie z surowców zawierających węgiel.

Istnieje zapotrzebowanie na znalezienie nowych źródeł energii chemicznej i sposobów jej konwersji w alternatywne paliwa stosowane w transporcie, występujące w wielu dziedzinach obejmujących ochronę środowiska, zdrowie, zagadnienia bezpieczeństwa i nieuchronne wyczerpanie w przyszłości zasobów paliw na bazie ropy naftowej. Liczba pojazdów napędzanych silnikami wewnętrznego spalania rośnie na świecie ciągle, szczególnie w krajach rozwijających się. Liczba pojazdów, które zużywają głównie olej napędowy, stale się zwiększa. Ta sytuacja może się zmienić po wprowadzeniu pojazdów o wyższej efektywności paliwowej, dzięki zastosowaniu napędu hybrydowego i/lub technologii silników wysokoprężnych, w celu zmniejszenia zarówno zużycia paliwa, jak i ogólnego poziomu emisji. Ponieważ zasoby surowca do wytwarzania paliw na bazie ropy naftowej zmniejszają się, zależność do ropy naftowej stanie się głównym problemem, jeśli nie opracuje się paliw alternatywnych nie wymagających użycia ropy naftowej, w szczególności czysto spalających się syntetycznych olejów napędowych. Ponadto, normalne spalanie paliw na bazie ropy naftowej w typowych silnikach może spowodować poważne skażenie środowiska, jeśli nie zastosuje się ostrych norm ograniczających emisję gazów spalinowych. Czysto spalający się syntetyczny olej napędowy może ułatwiać zmniejszenie emisji z silników wysokoprężnych.

Produkcja czysto spalających się paliw stosowanych w transporcie wymaga albo przetworzenia istniejących paliw na bazie ropy naftowej albo opracowania nowych sposobów wytwarzania energii albo syntezy paliwa z materiałów odpadowych. Istnieje wiele źródeł dostępnych materiałów zawierających węgiel, pochodzących albo z odnawialnych materiałów organicznych albo z odpadów. Wykorzystanie odpadów zawierających węgiel do wytwarzania paliw syntetycznych jest ekonomicznie uzasadnionym sposobem, ponieważ surowiec wejściowy posiada małą wartość, jest odrzucany jako odpady i jego usuwanie czę sto powoduje skażenia.

Ciekłe paliwa stosowane w transporcie wykazują pewne zalety, w porównaniu z paliwami gazowymi, posiadają większą gęstość energii niż paliwa gazowe, w warunkach takiego samego ciśnienia i temperatury. Ciekłe paliwa można przechowywać pod ciśnieniem atmosferycznym lub niskim, podczas gdy do osiągnięcia gęstości energii ciekłych paliw, paliwo gazowe trzeba przechowywać w pojeździe w zbiorniku pod wysokimi ciśnieniami, co może być niebezpieczne w przypadku nieszczelności lub pęknięcia. Dystrybucja paliw ciekłych jest znacznie łatwiejsza niż paliw gazowych, z zastosowaniem prostych pomp i rurociągów. Istniejąca infrastruktura transportu paliw ciekłych zapewnia łatwą integrację z istniejącym rynkiem czysto spalających się syntetycznych ciekłych paliw stosowanych w transporcie dowolnej produkcji.

Dostępność czysto spalających się ciekłych paliw stosowanych w transporcie ma priorytet państwowy. Produkcja gazów syntezowych w czysty i efektywny sposób, z zawierających węgiel źródeł, które można poddać obróbce w procesie Fischera-Tropscha do wytworzenia czystych i wartościowych syntetycznych benzyn i olejów napędowych, przyniesie korzyści zarówno sektorowi transportu, jak i zdrowotności. Taki proces umożliwia wykorzystanie stosowanych obecnie sposobów oczyszczania spalin silnikowych, pod względem zmniejszenia ilości NOx usuwania cząstek toksycznych występujących w spalinach silników wysokoprężnych i ograniczenia ilości substancji zanieczyszczających środowisko powstających normalnie w procesach spalania, obecnie prowadzonych z zastosowaniem katalizatorów, które ulegają szybkiemu zatruciu przez związki siarki, występujące w oleju napędowym otrzymywanym z ropy naftowej, zmniejszając skuteczność katalizatora. Typowo, ciekłe paliwa wytwarzane z zastosowaniem procesu Fischera-Tropscha z gazów syntezowych pochodzących z biomasy, nie zawierają siarki, związków aromatycznych, a w przypadku syntetycznego oleju napędowego mają bardzo wysoką liczbę cetanową.

Biomasa jest odpadem zawierającym węgiel, najpowszechniej stosowanym jako surowiec do wytwarzania paliw odnawialnych. Odpady plastikowe, guma, obornik, pozostałości upraw, odpady z leśnictwa, ścinki drzew i traw i osady czynne z uzdatniania wody (ścieków) są takż e potencjalnymi surowcami w procesach konwersji. Surowiec, biomasę, można przetwarzać otrzymując elektryczność, ciepło, wartościowe środki chemiczne lub paliwa. Kalifornia przewodzi w stosowaniu i rozwoju kilku technologii wykorzystania biomasy. Każdego roku w Kalifornii, ponad 45 milionów ton stałych odpaPL 204 168 B1 dów komunalnych przetwarza się z zastosowaniem urządzeń do obróbki odpadów. W przybliżeniu połowę tych odpadów wykorzystuje się do wyrównywania terenów. Np. szacuje się, że tylko w Riverside County, prowincji Kalifornii, powstaje około 4000 ton odpadów drewna dziennie. Według innych szacunków, dziennie wysypuje się ponad 100000 ton biomasy w celu wyrównywania terenu na obszarze Riverside County. Te odpady komunalne zawierają około 30% odpadów papierowych lub tekturowych, 40% organicznych odpadów (z zieleni i żywności) i 30% łączonych drewna, papieru, plastików i odpadów metalowych. Zawierające węgiel składniki tych odpadów zawierają energię chemiczną, którą można wykorzystać w celu zmniejszenia zapotrzebowania na inne źródła energii, jeśli można je przekształcić w czysto spalające się paliwo. Te odpady będące źródłem materiału zawierającego węgiel nie są jedynym dostępnym źródłem. Podczas gdy wiele istniejących materiałów odpadowych zawierających węgiel, takich jak papier, można sortować, użyć ponownie i przetwarzać, w przypadku innych materiałów, producent odpadów nie musiałby płacić za ich wyrzucanie, jeśli dostarczyłby odpady bezpośrednio do zakładu przetwarzania. Opłaty za wyrzucanie odpadów, obecnie na poziomie $30-$35 za tonę, zazwyczaj pobierają zakłady zajmujące się odpadami w celu sfinansowania kosztów usuwania. W konsekwencji można nie tylko zmniejszyć koszty usuwania dzięki transportowi odpadów do instalacji do przetwarzania odpadów na paliwa syntetyczne, lecz dodatkowo odpady byłyby dostępne dzięki obniżeniu kosztów usuwania.

Spalanie drewna w nagrzewnicach na drewno jest przykładem zastosowania biomasy do wytwarzania energii cieplnej. Niestety, otwarte spalanie odpadowej biomasy, z wytworzeniem energii i ciepł a, nie jest czystym i efektywnym sposobem wykorzystania jej wartości kalorycznej. Obecnie opracowano wiele nowych sposobów wykorzystania odpadów zawierających węgiel. Np. jednym sposobem jest wytwarzanie syntetycznych ciekłych paliw stosowanych w transporcie, a innym sposobem jest wytwarzanie gazów energetycznych w celu konwersji w elektryczność.

Stosując paliwa z odnawialnych źródeł biomasy można w rzeczywistości zmniejszyć nagromadzanie gazów powodujących efekt cieplarniany, takich jak ditlenek węgla, jednocześnie dostarczając czyste, efektywne źródło energii dla transportu. Jedną spośród głównych zalet współprodukcji syntetycznych paliw ciekłych z biomasy jest to, że można uzyskać nadające się do składowania paliwo stosowane w transporcie, jednocześnie zmniejszając wpływy gazów powodujących efekt cieplarniany na globalne ocieplenie. W przyszłości, te procesy współprodukcji mogą stanowić źródło czysto spalających się paliw w bilansie paliw odnawialnych, które można uzyskiwać w sposób ciągły.

Znana jest pewna liczba procesów przetwarzania węgla i innych materiałów zawierających węgiel w czysto spalające się paliwa stosowane w transporcie, lecz ogólnie są one zbyt kosztowne aby konkurować na rynku z paliwami na bazie ropy naftowej, albo dają paliwa lotne, takie jak metanol i etanol, które mają zbyt duże wartości ciśnienia par do zastosowania na obszarach o dużym skażeniu, takich jak kotlina południowej Kalifornii, bez specjalnych zezwoleń z urzędów odpowiedzialnych za czystość powietrza. Przykładem procesu drugiego typu jest Hynol Methanol Process, który wykorzystuje hydrozgazowanie i reaktory reformingu parą do syntezy metanolu, doprowadzając jednocześnie stałe materiały zawierające węgiel i gaz naturalny, który wykazuje efektywność konwersji węgla na poziomie >85% w demonstracyjnej instalacji w skali laboratoryjnej.

Zapotrzebowanie na znalezienie nowych zasobów i sposobów wytwarzania paliw stosowanych w transporcie wymaga nie tylko badań maj ą cych na celu ulepszenie znanych obecnie sposobów wytwarzania paliw na bazie ropy naftowej lecz także badania w poszukiwaniu nowych sposobów syntezy funkcjonalnie równoważnych paliw alternatywnych, otrzymywanych z zastosowaniem zasobów i sposobów, które nie są stosowane obecnie. Produkcja syntetycznych paliw ciekłych z materiałów zawierających węgiel, takich jak odpadowe materiały organiczne jest jednym z rozwiązań tych problemów. Wykorzystanie materiałów odpadowych zawierających węgiel do wytwarzania paliw syntetycznych można rozważać jako realny sposób pozyskania nowych zasobów do produkcji paliw, ponieważ surowcem są odpady bez wartości, których usuwanie często stwarza dodatkowe źródła zanieczyszczenia środowiska. Wymienione cele pozwala realizować sposób i urządzenie według wynalazku.

Sposób wytwarzania gazu syntezowego do zastosowania jako paliwo gazowe lub jako surowiec do wytwarzania paliwa ciekłego w reaktorze Fischera-Tropscha, charakteryzuje się tym, że wytwarza się gęstą płynną zawiesinę cząstek materiału zawierającego węgiel w wodzie, po czym tak wytworzoną płynną zawiesinę wraz z wodorem z wewnętrznego źródła poddaje się reakcji bezkatalitycznego hydrozgazowania w reaktorze pod ciśnieniem co najmniej 20 atmosfer i w temperaturze od 700 do 1200°C, w których to warunkach powstają bogate w metan gazy generatorowe, następnie wytworzone gazy z reaktora hydrozgazowania doprowadza się do parowego pirolizera do reformowania w warun4

PL 204 168 B1 kach, w których powstaje gaz syntezowy zawierający wodór i tlenek węgla, przy czym część wodoru uzyskanego w parowym pirolizerze do reformowania dostarcza się do reaktora hydrozgazowania, jako wspomniany wcześniej wodór z wewnętrznego źródła. Wspomniany wodór, wytworzony w pirolizerze parowym, korzystnie przepuszcza się przez filtr oczyszczania wodoru.

Dla sposobu według wynalazku korzystne jest, gdy stosuje się płynną zawiesinę cząstek materiału zawierającego węgiel, uzyskiwaną przez rozdrobnienie tego węglowego materiału w wodzie, oraz gdy płynną zawiesinę, przed wprowadzeniem jej do reaktora hydrozgazowania, ogrzewa się przegrzaną parą wodną uzyskiwaną z generatora pary. Korzystne jest też, gdy przegrzaną parę wodną oddziela się od płynnej zawiesiny przed wprowadzaniem zawiesiny do reaktora hydrozgazowania i doprowadza się ją do parowego pirolizera do reformowania, do przereagowania z bogatymi w metan gazami generatorowymi z reaktora hydrozgazowania, oraz korzystnie, gdy zawiesinę razem z przegrzaną parą wodną doprowadza się do reaktora hydrozgazowania.

Dla wynalazku korzystne jest, gdy ciepło reakcji egzotermicznej z reaktora hydrozgazowania jest przenoszone do generatora pary i parowego pirolizera do reformowania. Najkorzystniej, gdy do przenoszenia ciepła egzotermicznego stosuje się obieg stopionej soli.

Dla sposobu według wynalazku korzystnie jest, gdy jako materiał zawierający węgiel stosuje się biomasę, najkorzystniej, gdy jako biomasę stosuje się stałe odpady komunalne.

Wytwarzanie gazu syntezowego jest procesem samopodtrzymującym się chemicznie i termicznie.

Urządzenie do wytwarzania gazu syntezowego do zastosowania jako paliwo gazowe lub jako surowiec do wytwarzania paliwa ciekłego w reaktorze Fischera-Tropscha, charakteryzuje się tym, że składa się z:

źródła dostarczania wody i materiału zawierającego węgiel; reaktora hydrozgazowania; i parowego pirolizera do reformowania; oraz rur łączących wymienione źródło dostarczania węglowego materiału i wody z reaktorem hydrozgazowania, umożliwiających doprowadzanie do niego wody i materiału zawierającego węgiel, do wytwarzania metanu i tlenku węgla;

rur łączących reaktor hydrozgazowania z parowym pirolizerem do reformowania, umożliwiających doprowadzanie bogatych w metan gazów generatorowych wytworzonych w reaktorze hydrozgazowania do parowego pirolizera do reformowania, do wytworzenia gazu syntezowego zawierającego wodór i tlenek węgla; oraz rur łączących parowy pirolizer do reformowania z reaktorem hydrozgazowania, umożliwiających doprowadzanie części wodoru wytworzonego w parowym pirolizerze, do reaktora hydrozgazowania.

Dla urządzenia według wynalazku korzystne jest, gdy urządzenie zawiera ponadto filtr do oczyszczania wodoru, przez który przepuszcza się część wodoru wytworzonego w parowym pirolizerze do reformowania, oraz rozdrabniacz do wytwarzania cząstek materiału zawierającego węgiel, a także odbieralnik wymienionych cząstek i wody, w którym sporządza się płynną zawiesinę cząstek zawierających węgiel, oraz rury łączące odbieralnik z reaktorem hydrozgazowania, służące do doprowadzania płynnej zawiesiny do reaktora.

Dla urządzenia według wynalazku korzystne jest również, gdy urządzenie ponadto zawiera generator pary do ogrzewania przegrzaną parą wodną płynnej zawiesiny materiału zawierającego węgiel, rozdzielacz pary do oddzielania przegrzanej pary wodnej od zawiesiny przed jej doprowadzeniem do reaktora hydrozgazowania, oraz rury umożliwiające doprowadzanie oddzielonej pary do parowego pirolizera do reformowania, w celu przereagowania z bogatymi w metan gazami generatorowymi z reaktora hydrozgazowania.

Dla urządzenia według wynalazku korzystne jest również, gdy urządzenie ponadto zawiera generator pary do ogrzewania przegrzaną parą wodną płynnej zawiesiny materiału zawierającego węgiel, dzięki czemu zawiesinę i przegrzaną parę można doprowadzić do reaktora hydrozgazowania. Korzystnym jest również, gdy urządzenie według wynalazku ponadto zawiera reaktor Fischera-Tropscha oraz rury łączące parowy pirolizer do reformowania z reaktorem Fischera-Tropscha, umożliwiające doprowadzanie reszty gazu syntezowego, wytworzonego w parowym pirolizerze do reformowania, do reaktora Fischera-Tropscha wytwarzającego paliwo ciekłe.

W korzystnym rozwiązaniu urządzenie według wynalazku obejmuje ponadto obieg stopionej soli do przenoszenia ciepła z jednego lub obu, reaktora hydrozgazowania i reaktora Fischera-Tropscha, do jednego lub obu, generatora pary i parowego pirolizera do reformowania. W innym korzystnym

PL 204 168 B1 rozwiązaniu urządzenie obejmuje obieg stopionej soli do przenoszenia ciepła z reaktora hydrozgazowania i reaktora Fischera-Tropscha, do generatora pary i parowego pirolizera do reformowania.

Urządzenie według wynalazku stosuje się w samopodtrzymującym się procesie wytwarzania gazu syntezowego do stosowania jako paliwo gazowe lub jako surowiec dla reaktora Fischera-Tropscha wytwarzającego paliwo ciekłe.

Podstawowe zalety wynalazku, w porównaniu z procesami stosowanymi obecnie obejmują: (a) efektywną energetycznie (>85%) produkcję metanu z węgla dostępnego w surowcu zawierającym węgiel, z zastosowaniem pary, jako jedynego reagenta inicjującego, do aktywowania pirolizy węgla i gazowego wodoru, w przeciwieństwie do częściowo utleniającej gazyfikacji wymagającej zazwyczaj dodatkowej energii do intensywnego układu rozdzielania powietrza w celu uzyskania koniecznego tlenu; (b) chemicznie samopodtrzymującą się operację w reaktorze pierwszego stopnia do hydrozgazowania dzięki dostarczaniu nadmiaru gazowego wodoru wytwarzanego w drugim stopniu, w reaktorze do reformingu metanu parą; (c) efektywną energetycznie syntezę czysto spalających się paliw stosowanych w transporcie z zastosowaniem gazów wymywających z reformingu parą, takich jak: (i) związki parafinowe, z zastosowaniem reaktora trzeciego stopnia, typu Fischera-Tropscha, do syntezy paliwa, (ii) eter dimetylowy, z zastosowaniem reaktora trzeciego stopnia do syntezy i (iii) produkcja wodoru z zastosowaniem rozdzielania wodoru i/lub filtru oczyszczającego bez konieczności użycia reaktora trzeciego stopnia do syntezy paliwa; (d) termicznie samopodtrzymujące się działanie wszystkich reaktorów dzięki skutecznemu sterowaniu energią termiczną i chemiczną z zastosowaniem kombinacji płynów przenoszących ciepło, stopionej soli lub woda/para, spalanie produkowanych gazów energetycznych w celu osiągnięcia i utrzymania temperatury procesu, odzyskiwanie ciepła technologicznego do wytwarzania energii elektrycznej, bez konieczności stosowania dodatkowego paliwa i zewnętrznych źródeł energii; (e) znaczne zmniejszenie emisji do atmosfery ze wszystkich zamkniętych reaktorów procesowych i/lub komór spalania gazu syntezowego, w porównaniu z bezpośrednim naturalnym spalaniem z zasysaniem (znanym zazwyczaj jako spopielanie otwarte) zawierających węgiel surowców; oraz f) zdolność wychwycenia całego gazowego ditlenku węgla wypływającego z reaktorów procesowych albo z wewnątrzprocesowych komór spalania gazu syntezowego w celu maskowania i/lub chemicznej konwersji w związki w fazie skondensowanej, z zastosowaniem typowych technologii.

Dodatkową zaletą niniejszego wynalazku jest to, że wytworzony według wynalazku gaz syntezowy można przekształcać w syntetyczne paliwo parafinowe, korzystnie olej napędowy, a stosując reaktor Fischera-Tropscha do syntezy paliwa parafinowego można wytwarzać także benzyny syntetyczne i paliwa do silników odrzutowych. Alternatywnie, gaz syntezowy można stosować w procesach do współwytwarzania ciepła technologicznego i konwersji energii. Wynalazek umożliwia także obszerne ogólne analizy równowagi termochemicznej dla klasy procesów współprodukcji w syntezie czysto spalających się ciekłych paliw stosowanych w transporcie, procesów energii termicznej i wytwarzania energii elektrycznej z surowca w postaci węgla lub innych materiałów zawierających węgiel i ciekłą wodę. Umożliwiają one wyjątkowe projektowanie, skuteczność działania i obszerną analizę układów wykorzystujących węgiel lub dowolne inne surowce zawierające węgiel do współwytwarzania paliwa, energii elektrycznej i ciepła.

Zastosowane w wynalazku nowe konfiguracje reaktorów procesowych umożliwiają poprawienie ogólnej skuteczności wykorzystania energii podczas konwersji materiału zawierającego węgiel w instalacji współprodukcji paliw syntetycznych, środków chemicznych i energii.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony w szczegółowych opisach realizacji przedmiotowego wynalazku oraz na podstawie załączonego rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat działania obrazujący ogólną koncepcję według wynalazku, fig. 2 przedstawia wykres konwersji węgla w funkcji stosunków H2/C i H2O/C w temperaturze 800°C i pod ciśnieniem 30 atm. w HPR, fig. 3 przedstawia wykres szybkości doprowadzania CH4/C w funkcji stosunków H2/C i H2O/C w temperaturze 800°C i pod ciś nieniem 30 atm. w HPR, fig. 4 przedstawia wykres szybkoś ci doprowadzania CO2/C w funkcji stosunków H2/C i H2O/C w temperaturze 800°C i pod ciśnieniem 30 atm. w HPR, fig. 5 przedstawia wykres szybkości doprowadzania CO/C w funkcji stosunków H2/C i H2O/C w temperaturze 800°C i pod ciś nieniem 30 atm. w HPR, fig. 6 przedstawia wykres wpł ywu temperatury i ciś nienia na stosunek CO2/H w reaktorze do hydrozgazowania (w dalszej części opisu określany skrótem HGR) przy stałym strumieniu doprowadzanym 2,629 mola H2 i 0,0657 mola H2O na mol C, fig. 7 przedstawia wykres wpływu temperatury i ciśnienia na stosunek CH4/H w HGR przy stałym strumieniu 2,629 mola H2 i 0,0657 mola H2O na mol C, fig. 8 przedstawia wykres wpł ywu temperatury i ciś nienia na stosunek

PL 204 168 B1

H2/C w HGR przy stałym strumieniu 2,629 mola H2 i 0,0657 mola H2O na mol C, fig. 9 przedstawia wykres wpływu temperatury i ciśnienia na stosunek CO/H w HGR przy stałym strumieniu 2,629 mola H2 i 0,0657 mola H2O na mol C, fig. 10 przedstawia wykres wpływu strumienia doprowadzanego H2O/C na przebieg reformingu parą (SPR), mierzony stosunkiem H2/CO po zawracaniu H2 do HGR w temperaturze 1000°C i pod ciśnieniem 30 atm., fig. 11 przedstawia wykres wpływu zmiany stosunku H2O/C w strumieniu doprowadzanym na produkty SPR, CO, CO2 i CH4 w SPR, w temperaturze 1000°C i pod ciśnieniem 30 atm., fig. 12 przedstawia wykres wpływu temperatury i ciśnienia na stosunek H2/CO w SPR (2,76 mola H2O/mol C dodany do SPR), fig. 13 przedstawia wykres wpływu temperatury i ciśnienia na stosunek CH4/C w SPR (2,76 mola H2O/mol C dodany do SPR), fig. 14 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ strumienia masy hydrozgazowywania biomasy do produkcji paliw parafinowych w syntezie Fischera-Tropscha, fig. 15 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób molowy przepływ strumienia hydrozgazowywania biomasy do produkcji paliw parafinowych w syntezie Fischera-Tropscha, fig. 16 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób sterowanie przepływem energii termicznej podczas hydrozgazowywania biomasy do produkcji paliw parafinowych w syntezie Fischera-Tropscha, fig. 17 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ strumieni woda/para w procesie hydrozgazowywania biomasy do produkcji paliw parafinowych w syntezie Fischera-Tropscha, fig. 18 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ stopionej soli w procesie hydrozgazowywania biomasy do produkcji paliw parafinowych w syntezie Fischera-Tropscha, fig. 19 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepł yw masy w procesie hydrozgazowywania biomasy w produkcji eteru dimetylowego, fig. 20 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób molowy przepływ w procesie hydrozgazowywania biomasy w produkcji eteru dimetylowego, fig. 21 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób sterowanie energią termiczną w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji eteru dimetylowego, fig. 22 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ strumienia woda/para w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji eteru dimetylowego, fig. 23 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ stopionej soli w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji eteru dimetylowego, fig. 24 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ masy w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji gazowego paliwa wodorowego, fig. 25 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób molowy przepływ w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji gazowego paliwa wodorowego, fig. 26 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób sterowanie energią termiczną w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji gazowego paliwa wodorowego, fig. 27 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ strumienia woda/para w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji gazowego paliwa wodorowego, fig. 28 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ stopionej soli w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji gazowego paliwa wodorowego, fig. 29 przedstawia schemat obrazują cy w uproszczony sposób przepływ masy w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji energii elektrycznej, fig. 30 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób molowy przepływ w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji energii elektrycznej, fig. 31 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób sterowanie energią termiczną w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji energii elektrycznej, fig. 32 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ strumienia woda/para w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji energii elektrycznej, fig. 33 przedstawia schemat obrazujący w uproszczony sposób przepływ stopionej soli w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji energii elektrycznej, fig. 34 przedstawia schematycznie przepływ masy w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji paliwa parafinowego na drodze syntezy Fischera-Tropscha z zastosowaniem adiabatycznego HGR i strumienia wody 9:1, fig. 35 przedstawia schematycznie molowy przepływ w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji paliwa parafinowego na drodze syntezy Fischera-Tropscha, z zastosowaniem adiabatycznego HGR i strumienia wody 9:1, fig. 36 przedstawia schematycznie sterowanie energią termiczną w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji paliwa parafinowego na drodze syntezy Fischera-Tropscha, z zastosowaniem adiabatycznego HGR i strumienia wody 9:1, fig. 37 przedstawia schematycznie przepływ strumienia woda/para w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji paliwa parafinowego na drodze syntezy Fischera-Tropscha, z zastosowaniem adiabatycznego HGR i strumienia wody 9:1, natomiast fig. 38 przedstawia schematycznie przepływ stopionej soli w procesie hydrozgazowywania biomasy, w produkcji paliwa parafinowego na drodze syntezy Fischera-Tropscha, z zastoswaniem adiabatycznego HGR i strumienia wody 9:1.

PL 204 168 B1

Do wytworzenia gazu syntezowego (syngas), poprzez pirolizę parą surowca, hydrozgazowanie i reakcje reformingu parą , moż na stosować generator pary do pirolizy, reaktor hydrozgazowania (HGR) i pirolizer parowy do reformowania (SPR) (nazywany także parowym reaktorem pirolitycznym, reaktorem do reformingu z zastosowaniem pary lub reaktorem parowym) taki jak stosowany w procesie Hynol. Reakcje rozpoczynają się w HGR od przetworzenia węgla w materiale zawierającym węgiel w bogaty w metan gaz generatorowy i zachodzą dalej w SPR, do wytworzenia gazu syntezowego o prawidłowym stosunku stechiometrycznym wodoru do tlenku węgla w celu efektywnego działania procesu Fischera-Tropscha. W procesie Fischera-Tropscha jako końcowym etapie przetwarzania można wytwarzać produkty, takie jak benzyna syntetyczna, syntetyczny olej napędowy i woda do recyrkulacji.

Wymagania co do surowca są bardzo elastyczne. Na mokro można mielić wiele surowców składających się z różnych materiałów zawierających węgiel, uzyskując zawiesinę wodną, którą można doprowadzać pod wysokim ciśnieniem do pirolizera parowego, reaktora do hydrozgazowania i reaktorów do reformingu parą w celu wytworzenia gazu syntezowego. Stosunek masowy surowca do wody może zmieniać się nawet podczas przebiegu procesu, z uwzględnieniem składu chemicznego surowca, w celu utrzymania stosunku stechiometrycznego węgiel-wodór wymaganego do optymalnego procesu syntezy paliwa. Odpowiednie materiały zawierające węgiel obejmują biomasę, gaz naturalny, olej, koks naftowy, węgiel, produkty uboczne i odpady petrochemiczne i rafineryjne, tworzywa sztuczne, opony, osad z oczyszczalni ścieków i inne odpady organiczne. Np. drewno jest przykładem odpadowej biomasy, która jest łatwo dostępna w Riverside County, Kalifornia. Ten poszczególny strumień odpadów można zwiększać stosując inne materiały zawierające węgiel, takie jak odpady z terenów zieleni i osady czynne z oczyszczalni ścieków, które są dostępne w Riverside County i w przeciwnym razie przeznacza się je do niwelowania terenu.

Gdy proces stosuje się do produkcji paliwa stosowanego w transporcie, takiego jak olej napędowy, projektuje się go tak, aby z surowca otrzymać maksymalną wymaganą ilość produktu parafinowego Fischera-Tropscha. Pożądany strumień opuszczający składa się z ciekłego węglowodoru, takiego jak cetan, C16H34, przy czym liczba atomów węgla w zakresie 12 do 20, odpowiada substancjom występującym w oleju napędowym. Nadmiarowy strumień gazu syntezowego opuszczający SPR, tj. „pozostałość energii chemicznej z procesu produkcji paliwa syntetycznego Fischera-Tropscha, można stosować jako paliwo energetyczne do napędu turbin gazowych w produkcji energii elektrycznej. Do tego celu można także stosować strumień gazu syntezowego, po zawróceniu wodoru w ilości wystarczającej do podtrzymania działania reaktora do hydrozgazowania, opuszczający reaktor, zależnie od potrzeb użytkownika. Poniżej podano sposób maksymalizacji potencjału ekonomicznego procesu według wynalazku w konwersji materiałów zawierających węgiel w użytkowe paliwa stosowane w transporcie, włącznie z moż liwoś cią bezpo ś redniego wytwarzania energii elektrycznej w obiegu połączonym z turbinami gazowymi.

1) Należy określić przybliżone dane dostępnych odpadów zawierających węgiel, ich skład chemiczny oraz następnie przeprowadzić analizę praktycznych potrzeb procesu.

2) Przeprowadzić modelowanie ważnych reakcji w obrębie procesu, składającego się z generatora pary do pirolizy, reaktora do hydrozgazowania, reformingu parą i reaktora Fischera-Tropscha (lub innego do syntezy paliw) w przeliczeniu na proces ciągły. Można to przeprowadzić metodą optymalizacji procesu Fischera-Tropscha (lub innego reaktora do syntezy paliw) dla surowca o optymalnym stechiometrycznym stosunku molowym wodoru do tlenku węgla dla syntetyzowanego paliwa.

3) Przeprowadzić analizę ekonomiczną kosztów, przyjmując przygotowane dane o wymaganym materiale wejściowym, koszty inwestycyjne, koszty działania i utrzymania oraz wydajność i koszty produktu.

Specyficzne rozwiązania podano poniżej, w połączeniu ze schematami przedstawionymi na rysunkach, obrazującymi konwersję odpadów drzewnych, jako przykładowego materiału zawierającego węgiel, w ciekły olej napędowy stosowany w transporcie, wodę do recyrkulacji i alternatywne źródło energii elektrycznej, w procesie Fischera-Tropscha połączony z obiegiem z turbinami gazowymi.

Termochemiczna konwersja materiałów zawierających węgiel następuje w dwóch głównych procesach: hydrozgazowania i reformowania parą, z pirolizą parą surowca występującego w generatorze pary w celu wstępnego potraktowania surowca i aktywowania znajdującego się w nim węgla. Reaktor do hydrozgazowania wymaga doprowadzenia pirolizowanych odpadów zawierających węgiel, wodór, parę, poddanie reakcji w zbiorniku w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem, które w specyficznym rozwiązaniu wynoszą w przybliżeniu 30 atmosfer i 1000°C. Reforming parą bogatego

PL 204 168 B1 w metan gazu wypływającego z HGR także wymaga ciśnienia około 30 atmosfer i 1000°C. Bardziej ogólnie, każdy proces można prowadzić w temperaturze w zakresie około 700 do 1200°C i pod ciśnieniem około 20 do 50 atmosfer. Niższe temperatury i ciśnienia pozwalają na uzyskanie rozsądnych szybkości reakcji przy zastosowaniu odpowiednich katalizatorów reakcji.

W odniesieniu do fig. 1, na którym przedstawiono ogólny schemat działania, pokazano ogólnie kolejność procesów, w których przeprowadza się główne reakcje (specyficzne ilości w poszczególnych rozwiązaniach zestawiono na schematach pokazanych na fig. 14 do 38). Transport materiałów procesowych przebiega w rurach. Surowiec 11 sieka się, mieli lub rozdrabnia w rozdrabniaczu 10 na małe cząstki, miesza z wodą recyrkulującą 12 i umieszcza w odbieralniku lub zbiorniku 14 w postaci ciekłej zawiesiny 16, którą transportuje się w postaci sprężonych płynów pompą 18 do generatora pary 20, w którym zawiesinę 16 przegrzewa się i pirolizuje, a następnie albo oddziela się ją od pary w rozdzielaczu pary 22 tak, że para płynie rurą 24, która jest oddzielona od rury 26 którą pompuje się gęstą zawiesinę, albo dostarcza się ją rurą 27 jako strumień bezpośredniej pirolizy parą.

Gęstą zawiesinę, transportowaną rurą 26, albo strumień bezpośredniej pirolizy transportowany rurą 27, doprowadza się do HGR 28. Wodór z wewnętrznego źródła (z reformingu parą, poprzez filtr oddzielający wodór opisany poniżej) i frakcja uprzednio wytworzonej pary, wpływają do HGR 28 z wytworzeniem pożądanego strumienia opuszczającego. Gazy w strumieniu opuszczającym składają się głównie z metanu, wodoru, tlenku węgla i przegrzanej pary. Gazy wytworzone w HGR 28 opuszczają komorę i przepompowuje się je do SPR 30. Nie przereagowaną pozostałość po reakcji (lub popiół) z HGR, okresowo usuwa się z dna reaktora zbiornikowego stosując podwójny buforowany zamknięty odbieralnik koszowy, który powszechnie wykorzystuje się w porównywalnych układach gazyfikacji wysokociśnieniowej. Popiół zwykle składa się z piasku, SiO2 i tlenku glinu, AI2O3, ze śladowymi ilościami metali. Strumień wlotowy do SPR 30 dostarcza się albo z rozdzielacza pary 22 rurą 32 poprzez podgrzewacz 34, a następnie rurą 36, albo z HGR 28 rurą strumienia opuszczającego, uzyskując większy niż teoretyczny stosunek pary do węgla w SPR 30, w celu ograniczenia koksowania w reaktorze. Strumień opuszczający składa się głównie z wodoru i CO, w stosunku stechiometrycznym, odpowiednim dla pożądanego procesu syntezy paliwa węglowodorowego opisanego poniżej.

Strumień opuszczający SPR 30 kieruje się poprzez rurę 38 i poprzez wymienniki ciepła 40 i 42. Skondensowaną wodę 44 oddziela się i usuwa ze strumienia opuszczającego SPR, poprzez wymiennik ciepła i rozprężarkę ciekłej wody 47. Następnie, niekondensujące gazowe strumienie opuszczające SPR 30 doprowadza się do filtru oddzielającego wodór 46. Część wodoru ze strumienia opuszczającego SPR, około jednej drugiej w tym rozwiązaniu, przenosi się z filtru 46, przepuszcza przez wymiennik ciepła 40 uzyskując podwyższenie temperatury (w tym rozwiązaniu od 220°C do 970°C) i dostarcza do HGR 28 jako wlotowy strumień wodoru. Gorący eluat ze strumienia opuszczającego SPR ochładza się przez przepuszczenie go poprzez wymienniki ciepła 40 i 42, stosowane odpowiednio do ogrzewania recyrkulowanego wodoru i wytworzenia pary. Skondensowaną wodę 44 opuszczającą wymiennik ciepła 47 zawraca się z powrotem, uzyskując doprowadzany strumień wody 12 do wytworzenia zawiesiny. W ten sposób przebiega samopodtrzymujący się proces.

Następnie, gaz syntezowy wykorzystuje się jako paliwo w jednym z dwóch procesów. Na bazie wartości kalorycznej, gaz syntezowy można wykorzystać do napędzania połączonych turbin gazowych, do bezpośredniej produkcji energii, albo poprzez reaktor do syntezy paliwa (w tym rozwiązaniu, w procesie Fischera-Tropscha do wytworzenia czystego oleju napędowego i wody do recyrkulacji). Zgodnie ze specyficznym rozwiązaniem według wynalazku, gaz syntezowy kieruje się poprzez rozszerzoną turbinę 48, w celu odzyskania energii mechanicznej przez obniżenie ciśnienia gazowego surowca doprowadzanego do reaktora Fischera-Tropscha 50. Energię mechaniczną wytworzoną przez turbinę napędzaną cieczą, np. turbinę z firmy Brayton i Rankine, można wykorzystać do przygotowania zawiesiny, pompowania wody, sprężania powietrza, a nadmiar można przekazywać do wytwarzania energii elektrycznej, patrz tablice 1 do 7.

Efektywność można zmaksymalizować dobierając wprowadzany strumień i parametry procesu. Zróżnicowaną mieszaninę biomasa/węgiel przetwarza się w zawiesinę przez dodanie wody, dzięki czemu, po oddzielaniu pary, stosunek węgla do wodoru będzie odpowiedni dla procesu. Przygotowanie zawiesiny wymaga stosowanie wody w wystarczającej ilości do pracy reaktora do hydrozgazowania, reformingu parą i utrzymania surowca w zawiesinie po oddzielaniu pary. Dotychczasowe próby konwersji biomasy z zastosowaniem stałego, suchego strumienia doprowadzanego powodowały wiele problemów mechanicznych związanych z transportem ciała stałego do komory reakcyjnej HGR, pracującej pod wysokim ciśnieniem i w wysokiej temperaturze. Rozważano i badano ten sposób z zastosoPL 204 168 B1 waniem zawiesiny, a wyniki przedstawili C. B. Thorsness i in. w „Hydrothermal Treatm.ent of Municipal Solid Waste to Form High Solids Slurries in a Pilot Scale System, UCRL-ID 119685, opublikowanym przez Lawrence Livermore Nation Laboratory, Livermore, CA w 1995. Ponadto, istnieją pokrewne publikacje dotyczące wytwarzania i pracy z wodną zawiesiną węgla. Np. patrz Z. Aktas i in., Fuel Processing Technology 62 2000 1-15. Główne reakcje tych dwóch procesów, hydrozgazowania i reformingu parą, pokazano poniżej. Niezależne reakcje HGR można przedstawić następująco:

C + 2H2 CH4 (1)

C + 2H2O CO + H2 (2)

CO₂ + H₂ CO + H₂O (3)

Reakcje 2 i 3 są endotermiczne. Reakcja 1 jest dostatecznie egzotermiczna, aby uzyskać ciepło reakcji dla reakcji 2 i 3. Potrzebne jest ogrzanie wstępne HGR w celu doprowadzenia reaktora do temperatury pracy. Zatem HGR działa na zasadzie samopodtrzymywania się, gdy reakcje rozpoczną się i osiągną stan ustabilizowany.

Głównym zadaniem procesu zachodzącego w HGR jest zmaksymalizowanie konwersji węgla z surowca w gazy energetyczne CH4 i CO. Po tym procesie, wytwarza się wodór poprzez poddanie przegrzanej pary reakcji z CH4 i CO w SPR. W SPR, połowę wodoru otrzymuje się z przegrzanej pary, a resztę z CH4. Główne reakcje w SPR są następujące:

CH₄ + H₂O CO + 3H₂ (4)

CO₂ + H₂ CO + H₂O CO₂ + H₂ (5)

Reakcje reformingu parą (4 i 5) często przebiegają przy stężeniach pary większych niż wymagane dla stosunku stechiometrycznego wynikającego z powyższych reakcji. Postępuje się tak w celu uniknięcia powstawania koksu i w celu poprawienia skuteczności konwersji. Wymagane stężenie pary zazwyczaj specyfikuje się jako stosunek molowy pary do węgla (S:C), tj. ilość cząsteczek pary wodnej na atom węgla w strumieniu doprowadzanym do HGR. Korzystny stosunek (S:C) dla działania SPR wynosi powyżej 3. Takie warunki, w mieszaninie bogatej w parę, powodują przesunięcie równowagi układu woda-gaz. Reakcja ta jest tylko nieznacznie egzotermiczna (AH° = -41 kJ/mol CO); jednakże, powstaje w niej dodatkowy gazowy wodór i następuje przetwarzanie tlenku węgla w ditlenek węgla. Niestety, może wystąpić dodatkowa niepożądana reakcja wtórna metanizacji, w której zużywa się wodór:

CO + 3H2 CH4 + H2O (6)

Uzyskany eluat po dwóch głównych reaktorach jest gazem syntezowym bogatym w wodór, tlenek węgla i parę. W przybliżeniu połowę wodoru wytworzonego w SPR zawraca się do HGR. W konsekwencji, nie potrzeba zewnętrznego źródła wodoru aby utrzymać ustalony stan działania. Zatem można przyjąć, że procesy HGR i SPR są chemicznie samopodtrzymujące się. Następnie pozostały gaz syntezowy jest dostępny do wytwarzania paliwa i ciepła technologicznego.

Według wynalazku, stosując proces Fischera-Tropscha można wytwarzać bezsiarkowe paliwo o bardzo wysokiej liczbie cetanowej, podobne do oleju napędowego i wartościowe produkty w postaci wosku parafinowego. Brak siarki umożliwia uzyskanie olejów napędowych o małej zwartości substancji zanieczyszczających środowisko i małej emisji cząstek.

Przedmiotem niniejszego wynalazku są także produkty uboczne. Jednym przydatnym produktem ubocznym jest woda oczyszczona, którą można recyrkulować w celu tworzenia zawiesiny surowca doprowadzanego do procesu. W raporcie autorstwa Rentech'a pod tytułem „Fischer-Tropsch technology, 1998, patrz publikacje Rentech'a w internecie na stronie http://www.rentechinc.com., Rentech stwierdza, że w procesie Fischera-Tropscha z katalizatorem żelazowym powstaje około 7/10 baryłek wody na baryłkę produktów Fischera-Tropscha. W katalizowanym kobaltem procesie Fischera-Tropscha powstaje około 1,1 do 1,3 baryłki wody na każdą baryłkę produktów reakcji Fischera-Tropscha, tj. ilość większa niż w przypadku żelaza. Część wody można recyrkulować w celu wytworzenia pary w urządzeniu do reformingu parą i w celu oziębienia zarówno gazu syntezowego jak i w etapie Fischera-Tropscha.

W reakcjach Fischera-Tropscha powstaje także gaz resztkowy, który zawiera wodór, CO, CO2 i pewne lekkie gazowe węglowodory. Wodór można usunąć z gazu resztkowego i recyrkulować albo do HGR albo do reaktora Fischera-Tropscha. Inne gazy, występujące w małych ilościach, takie jak CO i CO2, można spalać.

PL 204 168 B1

Dwa główne produkty procesu Fischera-Tropscha można scharakteryzować jako olej syntetyczny i wosk naftowy. Według Rentech'a, w powyższej publikacji opisującej ich poszczególne rozwiązanie procesu Fischera-Tropscha, stosunek stałego wosku do cieczy w mieszaninie wynosi około 50/50. Produkty procesu Fischera-Tropscha są całkowicie wolne od siarki, azotu, niklu, wanadu, asfaltenów i związków aromatycznych, które typowo wystę pują w surowym oleju. Produktami są prawie wyłącznie parafiny i olefiny z bardzo nielicznymi lub bez, złożonych węglowodorów cyklicznych lub produktów utlenienia, których występowanie wymagałoby dodatkowego rozdzielania i/lub przetwarzania do użytkowych produktów końcowych. Brak siarki, azotu oraz związków aromatycznych znacznie zmniejsza szkodliwą emisję.

Specyfikacje California's Air Resource Board (CARB) dla oleju napędowego wymagają minimalnej liczby cetanowej 48 i zmniejszonej zawartości siarki. W powyższym badaniu Rentech'a, olej napędowy Shell'a wytwarzany w procesie Fischera-Tropscha miał liczbę cetanową 76. Wzorzec CARB dla zawartości siarki w oleju napędowym zatankowanym do zbiornika pojazdu wynosi 500 ppm wagowo, a w oleju napędowym Shell'a produkowanym w procesie Fischera-Tropscha nie wykryto ilości w zakresie ppm. Wzorzec CARB zawartości związków aromatycznych wymaga nie więcej niż 10% objętościowo (20% dla małych rafinerii). Olej napędowy Shell'a z procesu Fischera-Tropscha nie zawierał związków aromatycznych w wykrywalnych ilościach.

Następnie, Rentech stwierdził na podstawie tych badań, że olej napędowy nie wymaga dalszego przetwarzania ze względu na czystość i produkty olefinowe, które mogą nawet być korzystne w porównaniu z surowym olejem wysokoprężnym. Proces produkcji paliwa do silników wysokoprężnych Fischera-Tropscha daje bardziej czysty produkt, o wyższej liczbie cetanowej i najprawdopodobniej nie wymaga dodatkowego przetwarzania, w porównaniu z surowym olejem napędowym.

Włączenie w obieg turbin gazowych do wytwarzania energii elektrycznej jest opcjonalne. Jeśli produkt reakcji Fischera-Tropscha okaże się zbyt kosztowny, zastosowanie gazu syntezowego do ogrzewania może być opłacalną opcją, przyjmując ogólne wykorzystanie 65% energii gazu syntezowego poddanej konwersji w energię elektryczną. Ta wartość jest rozsądna, ponieważ dostępny jest gaz syntezowy w wysokiej temperaturze, w przeciwieństwie do gazu naturalnego przesyłanego rurociągiem.

W celu sensownej maksymalizacji wytwarzania gazu syntezowego dla dużych wydajność CO przy stechiometrycznych ilościach wodoru można stosować modelowanie procesu. Najpierw modeluje się przebieg reakcji reaktora do hydrozgazowania, reformingu parą i reaktora Fischera-Tropschay. Można to przeprowadzić stosując program komputerowy Stanjan'a, pracujący w środowisku DOS, które można stosować do modelowania równowagi. Zmieniając parametry temperatury, ciśnienia, składu surowca i przepływu gazu, prowadzi się badanie parametrów w odniesieniu do kosztów i strumieni opuszczających. Zmienne reaktora do hydrozgazowania modyfikuje się w celu osiągnięcia maksymalnej w praktyce efektywnej konwersji węgla. Zmienne reformingu parą modyfikuje się w celu maksymalizacji strumienia opuszczającego CO, wystarczającego w praktyce do recyrkulacji strumienia opuszczającego wodoru i minimalnego wytwarzania CO2. W badaniu przedstawiono przegląd dla różnych parametrów, dzięki czemu uzyskano dwie różne wartości zmieniające się dla jednej stałej, prowadząc w efekcie do uzyskania wyników badania 3-D. Poniżej omówiono wyniki modelowania komputerowego głównych reakcji z zastosowaniem programu Stanjan'a.

W odniesieniu do fig. 2, wpł yw zmiennych stosunków wody lub pary do wodoru na efektywno ść konwersji węgla w surowcu w HGR pokazano w temperaturze 800°C i pod ciśnieniem 30 atm.

Zwiększenie doprowadzania wodoru i wody do HGR, przekładało się na zwiększenie skuteczności konwersji węgla w surowcu aż do osiągnięcia 100%. Warunki, które odpowiadają zakresowi 100% efektywność konwersji osiągnięto dla jednego spośród badanych modeli i wybranych warunków. W celu uniknięcia kosztów recyrkulacji H2, trzeba dobrać minimalną ilość H2 recyrkulowanego do HGR. Na fig. 3 przedstawiono wpływ H2 i H2O na CH4 w HGR w temperaturze 800°C i pod ciśnieniem 30 atm. Na fig. 4 przedstawiono wpływ H2 i H2O na CO2 w HGR w temperaturze 800°C i pod ciśnieniem 30 atm. Przy dużych ilościach H2 i małych ilościach doprowadzanego H2O, ilość CO2 jest mała. Chociaż celem jest minimalizacja ilości CO2 w gazie syntezowym, nie jest konieczna minimalizacja CO2 w HGR, ponieważ jego ilość zależy w reakcjach SPR od przesunięcia równowagi reakcji woda-gaz, z wytworzeniem właściwego stosunku H2 i CO w celu maksymalizacji frakcji oleju napędowego w reakcji Fischera-Tropscha. Na fig. 5 przedstawiono wpływ H2 i H2O na CO w HGR w temperaturze 800°C i pod ciśnieniem 30 atm.

PL 204 168 B1

Fig. 6, 7, 8 i 9 pokazują wpływ zmiennych temperatury i ciśnienia na skład chemiczny gazów wypływających z HGR przy dostarczaniu 2,76 mol H2 i 0,066 mol H2O na mol C w surowcu. W tych warunkach dostarczania H2 i H2O do HGR, efektywność konwersji węgla oszacowano w przybliżeniu na 100% w temperaturze w zakresie 800 do 1000°C i pod ciśnieniem w zakresie 30 do 50 atm., w stanie równowagi chemicznej.

Na fig. 10 pokazano stosunek H2 i CO dostępnych w surowcu dostarczanym do reaktora Fischera-Tropscha do syntezy paliwa, w funkcji zawartości pary dodanej do SPR w temperaturze 800°C i pod ciś nieniem 30 atm. Ten stosunek zwię ksza się ze zwię kszeniem iloś ci pary dodanej do SPR i osiąga 2,1 dla około 3,94 mola pary (lub wody) dodanej na mol C w surowcu. Przy tej ilości dodanej pary, system osiąga stan chemicznego i termicznego samopodtrzymania i zapewnia uzyskanie właściwego stosunku H2 i CO w syntezie cetanu w procesie Fischera-Tropscha. Na fig. 11 przedstawiono wpływ H2O dodawanej do SPR w temperaturze 800°C i 30 atm. Na fig. 12 i 13 pokazano wpływ temperatury i ciśnienia na stosunek H2 i CO i konwersję CH4 w SPR. Przy wyższej temperaturze i pod niższym ciśnieniem, ten stosunek zwiększa się. W podobny sposób zmieniając stosunek H2 i CO, zwiększa się konwersję CH4 zwiększając temperaturę, a zmniejszając ciśnienie. Zatem wysoka temperatura i niskie ciśnienie są korzystne w SPR.

Produkty procesu Fischera-Tropscha, parafinowe paliwa ciekłe, zawierają cząsteczki bardzo zróżnicowane pod względem ilości atomów węgla. Według przytaczanej powyżej publikacji Rentech'a, około połowę produktów stanowi olej napędowy. Około połowy produktów powstaje też w postaci wosku, wraz z niewielkimi ilościami gazów, takich jak reagenty, które nie przereagowały i węglowodory gazowe (metan, etan, propan i itd.). Dla ilustracji wynalazku, wybrano cetan, który znajduje się na środkowej pozycji zakresu węglowodorów występujących w oleju napędowym (C11 do C20).

Wyniki termochemicznego i termodynamicznego modelowania konwersji dla hydrozgazowania odpadów drewna (biomasy), jako prototypowego surowca zawierających węgiel, stosowano do sprawdzenia szczegółów i ilustracji cech wynalazku. Te symulacje nowej sekwencji reaktorów procesowych przedsięwzięto w celu opracowania warunków termochemicznych potrzebnych do rozpoczęcia produkcji paliw syntetycznych. Np. w produkcji syntetycznego oleju napędowego, celem było osiągnięcie samopodtrzymującego się działania pierwszego stopnia reaktora do hydrozgazowania. W poszczególnym rozwią zaniu, uzyskuje się to w temperaturze równowagowej 1000°C (738°C dla procesu adiabatycznego) i pod ciśnieniem 30 atmosfer przy ogólnym stosunku molowym wodoru do węgla w strumieniu doprowadzanym co najmniej 3,48:1 (1,67:1 dla procesu adiabatycznego) i stosunku doprowadzania wody do węgla co najmniej 0,07:1 (0,43 dla procesu adiabatycznego), a także przy stosunku molowym pary wodnej do węgla w strumieniu doprowadzanym co najmniej 3,91:1 (1,67:1 dla procesu adiabatycznego) do reaktora drugiego stopnia, reformingu parą, także pracującego w temperaturze równowagowej 1000°C (900°C dla procesu adiabatycznego) i pod ciśnieniem 30 atmosfer ciśnienie, uzyskując warunki dla jednoczesnej optymalnej ilości produkowanego wodoru dla samopodtrzymującego się działania reaktora pierwszego stopnia hydrozgazowania i odpowiedni stosunek molowy wodoru do węgla, co najmniej 2,1:1 w pozostałym strumieniu gazu syntezowego doprowadzanego do reaktora trzeciego stopnia Fischera-Tropscha, pracującego w temperaturze 200°C i pod ciś nieniem 10 atmosfer i adiabatycznego samopodtrzymuj ą cego się działania specjalnego kombinowanego reaktora HGR i SPR, pracującego z typowo działającymi reaktorami SPR i Fischera-Tropscha, z pełnym sterowaniem przepływem energii termicznej i chemicznej.

W tablicach 1 do 5 pokazano ogólnie szybkoś ci przeniesienie energii do i z każ dego wymiennika ciepła i składowe konwersji energii dla każdego trybu działania procesu konwersji. Uproszczone schematy strumieni masy, strumieni molowych, sterowania przepływem energii termicznej, strumieni woda/para i stopionej soli dla każdego z pięciu trybów działania procesu konwersji przedstawiono także odpowiednio na Fig. 14-18, 19-23, 24-28, 29-33 i 34-38. W tablicach 6 i 7 zestawiono wyniki badań działania i konfiguracji parametrów procesu dla każdego z pięciu trybów działania procesu konwersji.

Materiał zawierający węgiel doprowadza się początkowo do procesu w sposób opisany powyżej, z zastosowaniem technologii transportu zawiesiny wodnej, pierwotnie opracowanej przez Texaco do zastosowania w jego częściowo-utleniających wytwornicach gazu, którą można wykorzystać dla wielu różnych materiałów zawierających węgiel, i w której można regulować pompowanie do reaktora pierwszego stopnia hydrozgazowania (HGR) do wytworzenia bogatego w metan gazu z dużą skutecznością konwersji (stwierdzono co najmniej 85% efektywność chemiczną wykorzystania doprowadzanego węgla). W procesie powstaje wystarczająca ilość ciepła do wytworzenia przegrzanej pary

PL 204 168 B1 z zawiesiny wodnej biomasy doprowadzanej do reaktora reformingu drugiego stopnia para-metan. Gazowy produkt z reaktora do reformingu doprowadza się do filtru membranowego oddzielającego wodór, który umożliwia zawracanie prawie czystego wodoru do reaktora pierwszego stopnia w celu podtrzymania hydrozgazowywania biomasy. Pozostały produkt gazowy z drugiego stopnia, nie przepuszczony poprzez filtr wodoru, ochładza się w celu kondensacji i recyrkulacji całej występującej w nim pary wodnej z powrotem do ukł adu dostarczania zawiesiny zawierają cej wę giel. Nie filtrowany gaz doprowadza się do reaktora do syntezy paliw, który obejmuje reaktor do syntezy węglowodorów parafinowych Fischera-Tropscha, który pracuje w temperaturze 200°C i pod ciśnieniem 10 atmosfer. Modelowanie procesu pozwoliło na stwierdzenie, że cząsteczkowy stosunek doprowadzania wodór/węgiel musi wynosić co najmniej 2,1:1 w celu optymalizacji produkcji chemicznie czystych i czysto spalających się [nie zawierających siarki] podobnych do oleju napędowego paliw ciekłych i chemicznie czystych wosków typu parafinowego o dużej wartości, bez dodatkowe paliwa lub energii (fig. 14-18 i tablice 1, 6 i 7 lub fig. 34-38 i tablice 5, 6 i 7 dla dział ają cego w warunkach adiabatycznych reaktora pierwszego stopnia) lub reaktora syntezy eteru dimetylowego, który pracuje w temperaturze 200°C i pod ciś nieniem 70 atmosfer. W tym reaktorze powstaje w przybliż eniu 92,4% DME i 7,1% metanolu. Metanol jest spalany, co daje około 30 MW energii elektrycznej i 20 MW ciepła technologicznego wymienianego z zastosowaniem pętli przenoszenia ciepła wykorzystujących stopioną sól i układ woda/para (patrz fig. 19-23 i tablice 2, 6 i 7), synteza gazowego paliwa wodorowego (patrz fig. 24-28 i tablice 3, 6 i 7), a także dla pełnej produkcji energii elektrycznej, bez syntezy paliwa (patrz fig. 29-33 i tablica 4, 6 i 7).

Dodatkowa nadwyżka energii elektrycznej jest możliwa we wszystkich pięciu symulowanych trybach działania instalacji hydrozgazowywania biomasy. Wyniki tych symulacji podsumowano w tablicach 6 i 7. Ogólne wykorzystanie energii wynosi od 50,7% (71,2% dla procesu adiabatycznego) dla syntezy Fischera-Tropsch do 67,2% dla produkcji wodoru. Optymalne wytwarzanie energii elektrycznej stanowi około 38,2% chemicznej energii potencjalnej z surowca biomasy dla konwersji energii z czystego spalania. Na ogół warunki procesu moż na zmienić stosują c odpowiedni zawór proporcjonalny w celu rozprowadzenia gazu syntezowego po oddzieleniu wystarczająco czystego gazowego wodoru do reaktora pierwszego stopnia hydrozgazowania.

Wyniki ogólnego modelowania pokazane na Fig. 1 można podsumować następująco.

1. Optymalne warunki HGR: działanie w temperaturze 1000°C i pod ciśnienie 30 atm.; 2,76 mol H2 na mol C w surowcu w celu uzyskania samopodtrzymania; 0,066 mola H2O na mol C w surowcu.

2. Optymalne warunki SPR: praca w temperaturze 1000°C i pod ciśnieniem 30 atm.; 4,022 mola H2O na mol C w surowcu.

3. Produkty procesu Fischera-Tropscha: 0,199 tony wosku na tonę surowca; 68,3 galonów cetanu (C16H34) oleju napędowego na tonę surowca.

Chociaż wynalazek i jego zalety opisano szczegółowo, powinno być zrozumiałe, że można wprowadzać różne zmiany, inne rozwiązania i modyfikacje bez odchodzenia od jego myśli przewodniej i zakresu zdefiniowanego w załączonych zastrzeżeniach patentowych. Ponadto, zakres niniejszego zgłoszenia nie jest ograniczony do poszczególnych rozwiązań procesu i urządzeń przedstawionych w opisie. Jak łatwo zauważą fachowcy w dziedzinie, moż na stosować procesy i urządzenia, istniejące obecnie lub będące w fazie opracowywania, które spełniają w zasadzie takie same funkcje lub zapewniają w zasadzie takie same rezultaty jak odpowiednie rozwiązania opisane powyżej, a zatem można je stosować według wynalazku. Zgodnie z tym, przyjmuje się, że takie procesy i urządzenia także objęte są załączonymi zastrzeżeniami patentowymi.

T a b l i c a 1

Optymalna konwersja biomasy dla produkcji parafin Fischera-Tropscha

	Strumień energii wchodzący (MW)	Strumień energii wychodzący (MW)
Składnik	PCE	Ciepło	Praca	PCE	Ciepło	Praca
1	2	3	4	5	6	7	8
Wymienniki ciepła
HX1		53,4			53,4
HX2

PL 204 168 B1 cd. tablicy 1

1	2	3	4	5	6	7	8
Część 1					78,8
Część 2					212,9
HX3
Część 1		2,2			2,2
Część 2					112,0
HX4(HGR)		50,2
HX5(SPR)		93,3
HX6
Część 1					46,6
Część 2					8,7
HX7		216,3
HX8		43,3
Część 1 HX 2		78,8
HX 9 (FTR)					45,9
HX10					11,8
HXG1					165,0
HXG2					21,8
HXG3					68, 4
Energia hydrauliczna
Pompa zawiesiny			0,3
Turbina napędzana cieczą						0,2
Zespół Brayton'a
Turbina 1						7,9
Turbina 2						75,0
Turbina 3						0,0
Sprężarka powietrza			43,4
Obieg Rankine'a
Ciepło		290,0
Energia mechaniczna			0,5			103,5
Ciepło odpadowe z obiegu pary					186,9
Proces konwersji chemicznej
wytworzone parafiny syntetyczne				137
wytworzony syntetyczny olej napędowy*				116
Wejście do procesu konwersji
Biomasa (odpady drewna) wejściowa PCE	473,0
Ogólny bilans energii
Energia ogółem	473,0	827,3	44,1	137	1014,2	186,6

PL 204 168 B1 cd. tablicy 1

1	2	3	4	5	6	7	8
Ciepło odpadowe utracone					186,9
Wymagana energia wejściowa		0,0
Proces konwersji energii
Produkcja energii elektrycznej						123,8
Suma nadwyżki energii elektrycznej							123,8
Łączna termodynamiczna efektywność konwersji							50,7%

Uwagi * Przyjęto, że wytworzone parafiny syntetyczne składają się z 50% cetanu i 50% wosku; wosk można typowo przetworzyć w celu otrzymania cetanu, z wydajnością 70%.

T a b l i c a 2

Optymalna konwersja biomasy w produkcji eteru dimetylowego (DME)

	Strumień energii wchodzący (MW)	Strumień energii wychodzący (MW)
Składnik	PCE	Ciepło	Praca	PCE	Ciepło	Praca
1	2	3	4	5	6	7	8
Wymienniki ciepła
HX1		53,4			53,4
HX2
Część 1					54,5
Część 2					160,0
HX3					3,8
HX 4 (HGR)		50,2
HX 5 (SPR)		91,3
HX6					36,6
HX7		152,8
HX8		29,9
Część 1 HX 2		54,5
HX 9 (DME-R)					32,3
HX10					0,7
HX11					1,6
HX12					3,2
HXG1					150,2
HXG2					21,3
HXG3					66,8
HXG4
Część 1 (to HX 7)					49,4
Część 2 (to HX 2)					64,5
Energia hydrauliczna
Pompa zawiesiny			0,2

PL 204 168 B1 cd. tablicy 2

1	2	3	4	5	6	7	8
Turbina napędzana cieczą						0,1
Obieg Brayton'a
Turbina 2						3,4
Turbina 3						4,0
Turbina 4						70,7
Sprężarka			5,2
Sprężarka powietrza			39,8
Obieg Rankine'a
Ciepło (HX3, 9, 10, 11,12&G4)		266,1
Energia mechaniczna			0,4			95,0
Ciepło odpadowe z obiegu pary					171,5
Proces konwersji chemicznej
Produkcja eteru dimetylowego (DME)				160,6
Wejście do procesu konwersji
Biomasa (odpady drewna) wejściowa PCE	473,0
Ogólny Bilans energii
Suma energii	473,0	698,2	45,6	160,6	869,8	173,2
Ciepło odpadowe utracone					171,5
Wymagana energia wejściowa		0,0
Proces konwersji energii
Produkcja energii elektrycznej						110,3
Nadwyżka energii elektrycznej							110,3
Ogólna termodynamiczna efektywność konwersji							57,3%

T a b l i c a 3

Optymalna konwersja biomasy w produkcji gazowego paliwa wodorowego

	Strumień energii wchodzący (MW)	Strumień energii wychodzący (MW)
Składnik	PCE	Ciepło	Praca	PCE	Ciepło	Praca
1	2	3	4	5	6	7	8
Wymienniki ciepła
HX1		53,4			53,4
HX2
Część 1					54,5
Część 2					160,0
HX3					105, 4
HX 4 (HGR)		50,2
HX 5 (SPR)		91,3

PL 204 168 B1 cd. tablicy 3

1	2	3	4	5	6	7	8
HX6					36,6
HX7		152,8
HX8		29,9
Część 1 HX 2		54,5
HXG1					151,0
HXG2					20,5
HXG3
Część 1 (to HX 7)					10,7
Część 2 (to HX 2)					53,6
Energia hydrauliczna
Pompa zawiesiny			0,2
Turbina napędzana cieczą						0,1
Zespół Brayton'a
Turbina 1						6,7
Turbina 2						57,3
Sprężarka powietrza			29,4
Obieg Rankine'a
Ciepło		213,6
Energia mechaniczna			0,4			76,3
Ciepło odpadowe z obiegu pary					137,7
Proces konwersji chemicznej
Produkcja paliwa gazowego H2				221,4
Wejście do procesu konwersji
Biomasa (odpady drewna) wejściowa PCE	473,0
Ogólny Bilans energii
Suma energii	473,0	645,8	29,9	221,4	783,5	140,4
Ciepło odpadowe utracone					137,7
Wymagana energia wejściowa		0,0
Proces konwersji energii
Produkcja energii elektrycznej						96,4
sumaryczna nadwyżka energii elektrycznej							96,4
Ogólna termodynamiczna efektywność konwersji							67,2%

PL 204 168 B1

T a b l i c a 4

Optymalna konwersja biomasy w produkcji energii elektrycznej

	Strumień energii wchodzący (MW)	Strumień energii wychodzący (MW)
Składnik	PCE	Ciepło	Praca	PCE	Ciepło	Praca
1	2	3	4	5	6	7	8
Wymienniki ciepła
HX 1		53,4			53,4
HX2
Część 1					78,8
Część 2					212,9
HX4(HGR)		50,2
HX 5 (SPR)		93,3
HX6					55,2
HX7		216,3
HX8		43,3
Część 1 HX 2		78,8
HXG1					243,2
HXG2
Część 1					73,0
Część 2 (for Para Turbina 2)					70,3
HXG3
Część 1 (to HX 2)					77,1
Część 2 (to HX 7)					88,0
HX G4 (od zimnej strony HX G1 )		56,4			56,4
Energia hydrauliczna
Pompa cieczy			0,3
Turbina napędzana cieczą						0,2
Obieg Rankine'a #1
HX 2 (część 2)		212,9
HXG3		77,1
Energia mechaniczna			0,5			103,5
Ciepło odpadowe z obiegu pary					186,9
CPE syntezy gazu paliwowego				596,8
Zespół Brayton'a #1
Turbina 1						7,9
Sprężarka powietrza			64,6
Obieg połączony
Obieg gazowy
Turbina 2						109,3

PL 204 168 B1 cd. tablicy 4

1	2	3	4	5	6	7	8
Obieg pary 2
HXG2		70,3
HXG4		56,4
Energia mechaniczna			0,2			45,3
Ciepło odpadowe z obiegu pary					81,7
Wejście do procesu konwersji
Biomasa (odpady drewna) wejściowa PCE	473,0
Ogólny bilans energii
Suma energii	473,0	1008,3	65,5	596,8	1276,9	266,2
Ciepło odpadowe utracone					268,6
Wymagana energia wejściowa		0,0
Proces konwersji energii
Produkcja energii elektrycznej						180,6
Sumaryczna nadwyżka energii elektrycznej							180,6
Ogólna termodynamiczna efektywność konwersji							38/2%

T a b l i c a 5

Optymalna konwersja biomasy w produkcji parafin metody Fischera-Tropscha przy zwiększonym stosunku strumienia dostarczanego woda:biomasa = 9:1 i adiabatycznym HGR (AHGR)

	Strumień energii wchodzący (MW)	Strumień energii wychodzący (MW)
Składnik	PCE	Ciepło	Praca	PCE	Ciepło	Praca
1	2	3	4	5	6	7
Wymienniki ciepła
HX 1		22,8			22,8
HX 2
Część 1					49,0
Część 2					151,1
HX 3
Część 1					56,4
Część 2					24,8
HX 4		23,6			23,6
HX 5 (SPR)		129,8
HX 6		32,8			32,8
HX 7		603,4			481,8
HX 8		15,9
Część 1 HX 2		49,0

PL 204 168 B1 cd. tablicy 5

1	2	3	4	5	6	7
HX 9 (FTR)					37,4
					37,3
HX 10					17,3
HX G1					122,0
HX G2					23,7
HX G3
Część 1		18,8			18,8
Część 2					8,0
Energia hydrauliczna
Pompa cieczy			0,6
Turbina 1						7,3
Turbina 2						54,9
Turbina 3						0,0
Zespół Brayton'a
Turbina 4		20,5				20,5
Turbina 5		103,5				103,5
Turbina 6		1,0				1,0
Sprężarka			2,8
Sprężarka powietrza			31,2
Skraplacz
Ciepło		85,8
Turbina 7& 8			0,1			23,6
Ciepło odpadowe z obiegu pary					62,2
Proces konwersji chemicznej
wytworzone parafiny syntetyczne				214,9
wytworzony syntetyczny olej napędowy*
Wejście do procesu konwersji
Biomasa (odpady drewna) wejściowa PCE	473,0
Ogólny Bilans energii
Suma energii	473,0	1106,9	34,7	214,9	1169,2	210,8
Ciepło odpadowe utracone					62,2
Wymagana energia wejściowa		0,0
Proces konwersji energii
Produkcja energii elektrycznej						155,1
Sumaryczna nadwyżka energii elektrycznej
Ogólna termodynamiczna efektywność konwersji

PL 204 168 B1

T a b l i c a 6

Podsumowanie badania optymalnego działania dla opcji konwersji biomasy*

Surowiec	Szybkość dostarczania kg/godzinę	MT/dobę	Stosunek woda/biomasa	Produkcja efektywna na dzień	Szybkość CPE MW	Procent wejścia CPE
Suche odpady drewna	83775	2011			473,0	100,0%
Opcje konwersji

Ciecze Fischera-				bbl/				bbl/
Tropscha (FTL)				dobę				tonę
Ilość wprowadzonej	264670	6352	3,2					MWh/
wody									tonę
Syntetyczny olej	11526	277	2231	116, 0	24,5%		1,11
napędowy
Nadwyżka energii					123, 8	26,2%			1,48
elektrycznej
Odzysk wody w	295523	7093
procesie
Dostępny nadmiar	30853	740
wody
Dostarczanie	456047	10945
powietrza do
spalania
Wytwarzany CO2	122356	2937
Odrzucane ciepło					187,0	39,5%
odpadowe
		ogólne w	ykorzystanie	energii	50,7%

Eter dimetylowy				bbl/			bbl/
(DME)				dobę			tonę
Ilość wprowadzonej	184387	4425	2,2				MWh/
wody								tonę
Eter dimetylowy	20045	481	4530	160, 6	33, 9%	2,25
wytwarzan
Nadwyżka energii					110,3	23, 3%		1,32
elektrycznej
Odzysk wody w	207334	4976
procesie
Dostępny nadmiar	22947	551
wody
Dostarczanie	410739	9858
powietrza do
spalania
Wytworzony CO2	119899	2878
odrzucone ciepło					171,5	36, 3%
odpadowe
		ogólne	wykorzystanie	energii	57,3%

PL 204 168 B1

Wodór gazowy (GHZ)			cu m/		CU	m/
			dobę+		tonę
Ilość wprowadzonej	184387	4425 2,2				MWh/
wody							tonę
Wodór gazowy (GH2)	5618		135 1899 221,4	46, 8%	0,94
Nadwyżka energii			96,4	20, 4%			1,15
elektrycznej
wytworzona woda	180601	4334
Nadmiar wytworzonej	-3785	-91
wody
Dostarczanie	429682	10312
powietrza do
spalania
Wytworzony CO2	158173	3796
odrzucone ciepło			137,7	29, 1%
odpadowe
		ogólne wykorzystanie energii	67,2%

Sumaryczna energia	MW/dobę	38,2%	MWh/tonę 2,16
elektryczna (AEP) Ilość wprowadzonej wody Nadwyżka energii elektrycznej	260393	6249 3,1
4335	180, 6
Wytworzona woda	311110	7467
Nadmiar wytworzonej	50717	1217
wody
Dostarczanie	678774	16291
powietrza do
spalania
Wytworzone CO2	158144	3795
Odrzucone ciepło
odpadowe				230,0	48, 6%
	ogólne wykorzystanie energii	38,2%

PL 204 168 B1

FTL woda:biomasa adaiabatyczny HGR Ilość wprowadzonej wody Syntetyczny olej	przy wartości 9:1 (AHGR)	i bbl/ dobę 3512 182,7	38,6%	bbl/ tonę 1,75
753975 18147	18095 9,0 436	MWh/ tonę
napędowy
Nadwyżka energii elektrycznej			155,1	32,8%	1,85
Odzysk wody w	775890 18621
procesie Dostępny nadmiar wody	21915	526
Dostarczanie	45604	10945
powietrza do
spalania
Wytworzone CO2	122356 2937
odrzucone ciepło odpadowe			62,2	13,2%
		ogólne wykorzystanie energii	71,4%

Sprawdzenie 10/12/01

Uwagi

Nie jest konieczne stosowanie dodatkowej energii lub surowca energetycznego dla wszystkich opcji konwersji. Całe odrzucone ciepło odpadowe występuje w temperaturze poniżej 40C i nie jest rozpatrywane jako możliwe do odzyskania # DME przechowywany w postaci sprężonej cieczy w temperaturze 20°C, ciśnienie 5,1 atm., gęstość 668 g/l i LHV 28,4 MJ/kg

T a b l i c a 7

Zestawienie parametrów optymalnego działania dla

Surowiec	Szybkość dostarczania kg/godzinę	MT/dobę Stosunek woda/biomasa	Produkcja efektywna na dzień	Szybkość CPE MW	Wejściowy procent CPE
Suche odpa-	83775	2011		473,0	100,0%
dy drewna
Opcje konwersji

PL 204 168 B1

Ciecze Fischera-	bbl/do	24, 5%
Tropscha (FTL) Ilość wprowadzonej wody syntetyczny olej	264670 11526	6352 277	3,2	bę
2231	116, 0
napędowy Nadwyżka energii elektrycznej Odzysk wody w procesie	295523	7093			123,8		26,2%
	Warunki	Tdeg.C	P atm.	h₂/c	h₂o/c	co/h₂	CH4/CO
	początkowe
	HGR	1000	30	3,48	0, 07
	SPR	1000	30	2,47	4,15	0,21	0, 93
	reaktor do	200	10	1,4		0,47	0, 03
	syntezy
			ogólne	wykorzystanie	energii		50, 7%

Eter dimetylowy	bbl/ dobę	33,9%
(DUE)	4425 481	2,2
Ilość wprowadzonej wody Wytworzony eter	184387 20045
4530	160, 6
dimetylowy Nadwyżka energii elektrycznej Odzysk wody w procesie	207334	4 97 6			110,3		23,3%
	Warunki	T deg.C	P atm.	h₂/c	h₂o/c	co/h₂	ch₄/co
	początkowe
	HGR	1000	30	3, 48	0,07
	SPR	1000	30	2, 47	2,91	0,21	0, 93
	reaktor do	260	70	1,2		0,58	0, 05
	syntezy
			ogólne	wykorzystanie	energii		57,3%

PL 204 168 B1

Wodór gazowy (GHZ)	4425 135 4334	Cu m/	46, 8% 20,4%
2,2	dobę+
Ilość wprowadzonej wody Wodór gazowy (GH2) Nadwyżka energii elektrycznej Wytworzona woda	184387 5618 180601
1899	221,4 96, 4
	Warunki	Tdeg.C	P atm.	h₂/c	h₂o/c	co/h₂	CH4/CO
	początkowe
	HGR	1000	30	3, 48	0,07
	SPR	1000	30	2,47	2, 91	0, 21	0, 93
			ogólne	wykorzystanie	energii		67,2%

Suma Energii elektrycznej (AEP)	MW/dobę	38,2%
Ilość wprowadzonej wody Nadwyżka energii elektrycznej Wytworzona woda	260393 311110	6249 7467	3,1
4335	180, 6
	Warunki	T deg.G	P atm.	h₂/c	h₂o/c	co/h₂	GH4/CO
	początkowe
	HGR	1000	30	3,48	0, 07
	SPR	1000	30	2,47	4,15	0,21	0,93
			ogólne	wykorzystanie	energii		38,2%

PL 204 168 B1

FTL woda:biomasa	przy wartości	9:1	i Bbl/
adiabatyczny HGR (AHGR)			dobę
Ilość wprowadzonej	753975	18095	9,0
wody
Syntetyczny olej	18147	436		3512	182,7		38,6%
napędowy Nadwyżka energii elektrycznej Odzysk wody w procesie	775890	18621			155,1		32,8%
Warunki	początkowe	T deg.C	P atm.	h₂/c	h₂o/c	co/h₂	ch₄/co
	adiabatyczny	738	30	1, 67	0, 43
	HGR
	SPR	900	30	0, 84	3, 08	0, 18	4,47
	reaktor do	200	10	1, 38		0, 47	0,17
	syntezy
			ogólne	wykorzystanie	energii		71,4%

sprawdzono 10/9/2001

Uwagi

Nie ma konieczności wprowadzania dodatkowej energii lub surowca energetycznego dla wszystkich opcji konwersji.

Całe odrzucone ciepło odpadowe występuje w temperaturze poniżej 40°C i nie jest rozpatrywane jako możliwe do odzyskania # DME przechowywany w postaci sprężonej cieczy w temperaturze 20°C, pod ciś nieniem 5,1 atm., gęstości 668 g/l i LHV 28,4 MJ/kg 1 bbl sprężonej cieczy DME ma masę 106,2 kg i LHV CPE 3,02 GJ + metry sześ cienne ciekłego wodoru (w temperaturze 20°K) na dzień pod ciś nieniem 1 atm. Ciśnienie w przybliżeniu 3,7 MJ/kg potrzebne jest do oziębienia i przeprowadzenia wodoru w stan ciekły o HHV 144 MJ/kg * Wszystkie dane symulacji termochemicznych i termodynamicznych podano na dzień 10/1/2001.

Claims

1. Sposób wytwarzania gazu syntezowego do zastosowania jako paliwo gazowe lub jako surowiec do wytwarzania paliwa ciekłego w reaktorze Fischera-Tropscha, znamienny tym, że wytwarza się gęstą płynną zawiesinę cząstek materiału zawierającego węgiel w wodzie, po czym tak wytworzoną płynną zawiesinę wraz z wodorem z wewnętrznego źródła poddaje się reakcji bezkatalitycznego hydrozgazowania w reaktorze pod ciśnieniem co najmniej 20 atmosfer i w temperaturze od 700 do 1200°C, w których to warunkach powstają bogate w metan gazy generatorowe, następnie wytworzone gazy z reaktora hydrozgazowania doprowadza się do parowego pirolizera do reformowania w warunkach, w których powstaje gaz syntezowy zawieraj ą cy wodór i tlenek wę gla, przy czym część wodoru uzyskanego w parowym pirolizerze do reformowania dostarcza się do reaktora hydrozgazowania jako wspomniany wcześniej wodór z wewnętrznego źródła.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wodór wytworzony w pirolizerze parowym przepuszcza się przez filtr oczyszczania wodoru.

PL 204 168 B1

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się płynną zawiesinę cząstek materiału zawierającego węgiel, uzyskiwaną przez rozdrobnienie tego węglowego materiału w wodzie.

4. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e pł ynną zawiesinę cząstek materiał u zawierającego węgiel, przed wprowadzeniem jej do reaktora hydrozgazowania, ogrzewa się przegrzaną parą wodną z generatora pary.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, ż e przegrzaną parę wodną oddziela się od płynnej zawiesiny przed wprowadzaniem zawiesiny do reaktora hydrozgazowania i doprowadza się ją do parowego pirolizera do reformowania, do przereagowania z bogatymi w metan gazami generatorowymi z reaktora hydrozgazowania.

6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że zawiesinę, razem z przegrzaną parą wodną, doprowadza się do reaktora hydrozgazowania.

7. Sposób wedł ug zastrz. 1, znamienny tym, ż e ciepł o reakcji egzotermicznej z reaktora hydrozgazowania jest przenoszone do generatora pary i parowego pirolizera do reformowania.

8. Sposób według zastrz. 7, znamienny tym, że do przenoszenia ciepła egzotermicznego stosuje się obieg stopionej soli.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako materiał zawierający węgiel stosuje się biomasę.

10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że jako biomasę stosuje się stałe odpady komunalne.

11. Urządzenie do wytwarzania gazu syntezowego do zastosowania jako paliwo gazowe lub jako surowiec do wytwarzania paliwa ciekłego w reaktorze Fischera-Tropscha, znamienne tym, że składa się z:

źródła dostarczania wody (12) i materiału zawierającego węgiel (11); reaktora hydrozgazowania (28); i parowego pirolizera do reformowania (30);

rur łączących wymienione źródło dostarczania węglowego materiału i wody z reaktorem hydrozgazowania, umożliwiających doprowadzanie do niego wody i materiału zawierającego węgiel, do wytwarzania metanu i tlenku węgla;

12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że ponadto zawiera filtr (46) do oczyszczania wodoru, przez który przepuszcza się część wodoru wytworzonego w parowym pirolizerze do reformowania (30).

13. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że ponadto zawiera rozdrabniacz (10) do wytwarzania cząstek materiału zawierającego węgiel, odbieralnik (14) wymienionych cząstek i wody, w którym sporządza się płynną zawiesinę cząstek zawierających węgiel, oraz rury łączące odbieralnik (14) z reaktorem hydrozgazowania (28), służące do doprowadzania płynnej zawiesiny do reaktora.

14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że ponadto zawiera generator pary (20) do ogrzewania przegrzaną parą wodną płynnej zawiesiny materiału zawierającego węgiel (16), rozdzielacz pary (22) do oddzielania przegrzanej pary wodnej od zawiesiny przed jej doprowadzeniem do reaktora hydrozgazowania (28), oraz rury umożliwiające doprowadzanie oddzielonej pary do parowego pirolizera do reformowania (30), do przereagowania z bogatymi w metan gazami generatorowymi z reaktora hydrozgazowania (28).

15. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że ponadto zawiera generator pary (20) do ogrzewania przegrzaną parą wodną płynnej zawiesiny materiału zawierającego węgiel (16), dzięki czemu zawiesinę i przegrzaną parę można doprowadzić do reaktora hydrozgazowania (28).

16. Urządzenie według zastrz. 22, znamienne tym, że ponadto zawiera reaktor Fischera-Tropscha (50) oraz rury łączące parowy pirolizer do reformowania (30) z reaktorem Fischera-Tropscha (50), umożliwiające doprowadzanie reszty gazu syntezowego, wytworzonego w parowym pirolizerze do reformowania (30), do reaktora Fischera-Tropscha (50), do wytworzenia paliwa ciekłego.

PL 204 168 B1

17. Urządzenie według zastrz. 23, znamienne tym, że ponadto obejmuje obieg stopionej soli do przenoszenia ciepła z jednego lub obu, reaktora hydrozgazowania (28) i reaktora Fischera-Tropscha (50), do jednego lub obu, generatora pary (20) i parowego pirolizera do reformowania (30).

18. Urządzenie według zastrz. 23, znamienne tym, że ponadto obejmuje obieg stopionej soli do przenoszenia ciepła z reaktora hydrozgazowania (28) i reaktora Fischera-Tropscha (50), do generatora pary (20) i parowego pirolizera do reformowania (30).