BG66772B1 - Устройство за термохимично преобразуване на биомаса в енергийни газове - Google Patents

Abstract

Изобретението се отнася до устройство за термохимично преобразуване на разнородна биомаса в енергийни газове с ниско съдържание на катран, които след допълнително охлаждане и очистване могат да се използват като енергия за задвижване на двигателни групи, съоръжения и газови турбини. Устройството включва корпусно тяло и оформени във вътрешността му активни зони, включително пиролизна, окислителна и редукционна зона, при което в окислителната зона е предвидена дюза за подаване на окислител. В цилиндричната част на корпусното тяло (1) е монтиран разделителен щит (4), при което в него са оформени пиролизна зона (6), първа окислителна зона (7), редукционна зона (8) и втора окислителна зона (9), а външно на корпусното тяло (1) е оформен кожух (1 О), който обхваща изцяло корпусното тяло (1) и е разделен на долна и горна част посредством преграда (11), разположена в областта на скарен елемент (3), в долната част на кожуха (1 О). По периферията на корпусното тяло (1), в двете окислителни зони (7, 9), са монтирани дюзи (12,13) за подаване на окислител. Централно в корпусното тяло (1) е монтиран тръбопровод (15), със закрепена в долния му край камера (16), долната част на която е с перфорирана повърхност (17). Във вътрешността на камерата (16) е монтирано вибрационно тяло (18), по височината на което са разположени наклонени екраниращи елементи (19), а по вътрешната стена на камерата (16) са монтирани отражателни елементи (20), ориентирани срещуположно на екраниращите елементи (19). @@

Description

(54) УСТРОЙСТВО ЗА ТЕРМОХИМИЧНО ПРЕОБРАЗУВАНЕ НА БИОМАСА В ЕНЕРГИЙНИ ГАЗОВЕ

Област на техниката

Изобретението се отнася до устройство за термохимично преобразуване на разнородна биомаса в енергийни газове с ниско съдържание на катран, които след допълнително охлаждане и очистване могат да се използват като енергия за задвижване на двигателни групи, съоръжения, газови турбини.

Предшестващо състояние на техниката

Известни са различни методи и устройства за производство на газ от биомаса чрез термохимично преобразуване на биомаса в газ, където като входяща суровина се използва прясна, суха, богата на газ биомаса - дървен чиле, получена от масивен дървен материал, който се подлага на предварителна подготовка, включваща надробяване на изходната суровина до дървен чиле с едрина 30-70 mm, сепариране по отношение на неорганични примеси, сушене, след което биомасата се подава на термохимично преобразуване, до получаване на газове.

Като основен принцип на работа на всички известни газификатори се прилага принципа на постоянния поток, в който той има ролята на неподвижен катализатор, в който се подава суха биомаса и горивен въздух за окисляване. При този процес дървената маса - чиле се разпада термично на различни съставни елементи, при което в неподвижния катализатор се образуват зони с различна температура.

Известни са метод и устройство за газифициране на твърдо гориво до получаване на газ DE 102 58 640 А, при които горивен въздух се впръсква директно в средата на реактор с неподвижен катализатор и потокът се разделя на две, като засмуканият отгоре поток се окислява допълнително в специална камера за окисляване, след което се смесва с втория поток. Така получената смес се обработва в реактор с кипящ слой. Известният метод е сложен от технологична гледна точка, като осъществяването му изисква реактор с неподвижен катализатор, отделна камера за оксидиране, както и реактор с кипящ слой.

Описаният метод се осъществява с помощта на устройство за газификация на твърдо гориво, чиято конструкция е проектирана така, че потокът от биомаса се разделя на горен и долен поток, като посредством дросели се регулира съотношението на обемните потоци. Горният поток се подава в камера за окисляване, където при 1100°С-1300°С се подава горивен въздух с цел да се осъществи разпадането на нежеланите дълги въглеводородни вериги. Вторият, необработен поток се смесва с първия от окислителна камера. По такъв начин първият газов поток, обработен и обогатен с водна пара се смесва с втория газов поток и заедно се подават в камерата за редукция.

Характерен признак на устройството са вътрешно разположените вертикално ориентирани канали, оформени в неподвижния катализатор, където се предизвиква вътрешна циркулация на газовете чрез засмукване на образуваните при газификацията серни и пиролизни газове, които смесени с горивния въздух се подават под налягане в зоната за окисление. В долната част на устройството, под дюзата е разположена ванна скара, където се образува жар, която играе ролята на зона за редукция с цел получаването на дървесен газ с почти нулево съдържание на катран.

Описаният метод, базиран на вътрешна циркулация и интензивно впръскване на първичните газове в зоната за окисляване, като се използва енергията на потока за поемане, смесване и впръскване, както и постоянно образуващата се жар във ваната, която играе ролята на зона за редукция, изпълнява изискванията за идеалните съотношения на катализиращия и термичен процес на газообразуването, с което се получава дървесен газ с почти нулево съдържание на катран.

Подходящо е да се отбележи, че тези зони не са разделени категорично една от друга, а има плавен преход между тях, например: зона на сушене с температура до 200°С, пиролизна зона, в която температурата е в диапазона 200°С-700°С, зона на окисление/горене - температура до 1300°С и зона на редукцията - от 500°С-600°С. За целите на ефективно провеждане на ендотермичните процеси е необходимо наличие на енергия за зоните сушене, пиролиза и редукция, като за целта се използва гориво - биомаса в зоната на окисляване, при което се получават горими съставни части на газа CO, Н2 и негорими

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.1/17.12.2018 междинни продукти (СО2, Н2О). При горенето на дървения чиле, придружено от окислителни процеси се отделя енергия под формата на топлина, която разпада на съставни части, обезгазява и частично изсушава намиращия се отгоре дървен чипс. В зоната на окисляване се образуват дървени въглени, които формират редукционната зона, където част от продуктите на горене (СО2, Н2О) се редуцират до горима газова смес (CO, Н2, СН4). Получената горима смес от газове в зоната за редукция се отделя/ засмуква вертикално, за да бъде дообработена, при което се отделят съдържащите се прахови частици.

Недостатъците на известните методи за газифициране е невъзможността за контролиране на отделните процеси в хода на газификацията, като поради непълното газифициране се образува катран и въглеводородни съединения. Това включва и проблемите по събиране на изкачилите се в горната част на камерното пространство пиролизни газове, както и незадоволителната обработка на газовете.

Друг съществен недостатък на известните методи и устройства е обстоятелството, че се използва нацепен дървен материал - чипс с различна големина и влажност, което е причина в пиролизните газове да има значителен дял на неизгорели въглеводородни съединения. Друг недостатък на известните устройства е свързан с това, зоната за редукция е несъразмерна със зоната за окисление, което се отразява върху правилното и пълноценно провеждане на редукция на газовете, резултиращо в необходимостта от използване на допълнителни съоръжения за дообработване на получените газове.

Известни са други, многостъпкови технологични схеми за газификация, при които целта е да се създадат условия за разделяне на газовите потоци, както и възможности за тяхното контролиране, така че да се получи сравнително чист краен продукт. Регулирането на газовите потоци изисква сложни технологични мерки, както и необходимост от допълнителна енергия за постигане на високи температури от 1300°С, при които се осъществява термичното разпадане на биомасата.

Изграденият като кипящ слой редукционен реактор спомага за образуването на горимите Н2 и CO при навлизането на богатия на кокс газов поток в реактора.

Описаната многостъпкова технология за разделяне на потока от газове с цел разрушаване на въглеводородните вериги и последваща редукция се отличава със значителна сложност на технологията и оборудването, като може да се използва за предпочитане при газификатори с кипящ слой.

Известен е метод за намаляване на количеството на съдържащ се в газовете катран, описан в патентна публикация ЕР 0 693 545 А1, при който в долната част на реактора, по-специално в конусовидната му част е оформен пръстеновиден канал, в който газът се изгаря втори път, след което се извежда през дюзи при температура 1000°С и по този начин се създават условия да изгори катрана. Устройството съдържа допълнителен елемент, предназначен за пренасочване и отклоняване на газа, с помощта на който той може да бъде непосредствено изведен или смесен.

Описаните известни методи и устройства показват някои възможни решения на проблема за намаляване на катрана в газовете, но те не могат да бъдат сравнени с настоящата технология за неподвижен катализатор с вътрешна циркулация. Тази технология решава проблема чрез засмукване на образуващите се пиролизни газове, богати на катран, в горната част на пространството. Това се прави чрез вътрешно разположените вертикални канали по стените на реактора, с помощта на ефекта на дифузор-инжектор. След това отделените пиролизни газове се смесват с горивен въздух и се подават в зоната за оксидиране през 8 разположени дюзи. Газовете се завихрят и катранът изгаря напълно. Споменатите дюзи чрез всмукване, смесване и впръскване на газовете, създават постоянна вътрешна циркулация, което води до равномерно температурно разпределение в реактора, както и спомага за пълното протичане на термохимичните реакции, както и осигуряват достатъчно време на газовете, за да се осъществи процеса на редукция.

Техническа същност на изобретението

Като се има предвид изложеното известно ниво на техниката в разглежданата област, задача на изобретението е да се предложи устройство за производство на енергийни газове чрез термохимично преобразуване на биомаса, което да позволява използване на разнородна биомаса, с различен по характер растителен произход - горски и/или селскостопански, което да се отличава с висока степен на използване на енергийната ефективност на биомасата при ниски енергийни разходи и екологичност на

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.1/17.12.2018 технологичния процес, при което се получават газове с повишена енергийна калоричност.

Задачата се решава с устройство за производство на енергийни газове от биомаса, което включва корпусно тяло с цилиндрично-конусовидна форма и оформени във вътрешността му активни зони, включително пиролизна, окислителна и редукционна зона.

Съгласно изобретението в цилиндричната част на корпусното тяло е монтиран разделителен щит, при което в него са оформени пиролизна зона, първа окислителна зона, редукционна зона и втора окислителна зона, а външно на корпусното тяло е оформен кожух, който обхваща изцяло корпусното тяло и е разделен на долна и горна част посредством преграда, разположена в областта на скарен елемент, разположен в долната част на кожуха. По периферията на корпусното тяло, в двете окислителни зони са монтирани дюзи за подаване на окислител. Централно в корпусното тяло е монтиран тръбопровод, със закрепена в долния му край камера, долната част на която е изпълнена с перфорирана повърхност. Във вътрешността на камерата е монтирано вибрационно тяло, по височината на което са разположени наклонени екраниращи елементи, а по вътрешната стена на камерата са монтирани отражателни елементи, ориентирани срещуположно на екраниращите елементи.

Съгласно едно предпочитано изпълнение на устройството разделителният щит е изпълнен така, че съотношението на диаметъра към височината е от 2,5 до 5.

Съгласно едно предпочитано изпълнение на изобретението пиролизната зона е определена във вътрешното пространство, оградено от разделителния щит.

Съгласно едно предпочитано изпълнение на изобретението първата окислителна зона е определена в пространството между разделителният щит и корпусното тяло.

Съгласно едно предпочитано изпълнение на изобретението редукционна зона, разположена в конусовидната част на корпусното тяло.

Съгласно едно предпочитано изпълнение на изобретението втора окислителна зона, определена в пространството, разположено непосредствено над скарния елемент.

За препоръчване е в първа окислителна зона да бъде разположена най-малко една дюза, ориентирана тангенциално спрямо корпусното тяло,

Подходящо е дюзите, монтирани във втората окислителна зона да са ориентирани перпендикулярно спрямо образувателната на конусната част на корпусното тяло.

Съгласно едно вариантно изпълнение на изобретението, в редукционната зона е монтирана дюза за подаване на водна пара /втори окислител/.

Камерата, закрепена в долната част на тръбопровода е разположена така, че 2/3 от общата й височина е поместена в пиролизната зона, а долната, перфорирана част е с форма, идентична на долната, конусна част на корпусната част и 1/3 част е разположена в редукционната зона, при което долната част на камерата е изпълнена перфорирана. Вибрационното тяло е свързано със задвижващ лост, чиито горен край е свързан с източник на вибрационни импулси.

Устройството за производство на газ от разнородна биомаса съгласно изобретението осигурява ефективно провеждане на процесите по преобразуване на биомаса в газове, като в основата си тези възможности се дължат на обстоятелството, че в газификатора се подава предварително подготвена, уплътнена биомаса, с точно определени параметри на влагосъдържание, обемна плътност, гранулометрия, като по този начин се гарантира провеждането на лесно управляем и устойчив процес на газификация, при което са създадени условия за използване на устройство за газификация, което се отличава със значително намалени габаритни размери. Конструктивното устройство е изпълнено така, че трите термохимични процеса /пиролиза, окисление и редукция/ се извършват последователно, в строго индивидуализирани в конструктивно отношение зони. Термохимичното преобразуване на биомасата се характеризира с безокислително третиране на биомасата в пиролизната зона и отделяне на летливата фракция в паро-газова смес и твърда част, обогатена с въглерод /въглен/, след което в първа окислителна зона се извършва окисляване на паро-газовата смес, като топлинната енергия от тази зона се използва основно за протичане на пиролизния процес. Последното е възможно благодарение на подходящото оразмеряване на разделителния щит, в резултат на което се осигурява максимална площ за предаване на топлинната енергия към материала, намиращ се във вътрешността на разделителния

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.1/17.12.2018 щит и подлежащ на пиролиза. По този начин се създават условия за по-ускорено извършване на пиролизния процес, последвано от трансформиране в редукционната зона на въглерода в горими газове, а във втора окислителна зона се осигурява пълна трансформация на биомасата в енергийни газове. В устройството са създадени допълнителни условия за интензифициране на процесите /пиролиза, окисление и редукция/, благодарение на тангенциално ориентираните дюзи, създаващи вихрови потоци. Едновременно с това работата на устройството е организирана така, че част от процесите /пиролиза и редукция/ протичат при автогенно поддържане, като необходимата енергия се получава от горещите газове, отделяни от двете окислителни зони. В сравнение с известните технически решения полученият на изхода на устройството енергиен газ е със значително по-малко съдържание на катранени частици, което гарантира значително по-опростена система за последващото му очистване.

Пояснение на приложената фигура

Устройството за термохимично преобразуване на биомаса в енергия, съгласно изобретението е представено с помощта на придружаващ описанието чертеж /фиг. 1/, представляващ напречен разрез на устройство на термохимично преобразуване на биомаса в енергия.

Примерно изпълнение на изобретението

По-нататък в описанието ще бъде представено едно примерно описание на устройството за термохимично преобразуване на биомаса в енергия съгласно изобретението, което не ограничава прилагането и използването на еквивалентни по функция конструктивни елементи, водещи до реализирането на същия, близък по параметри технически ефект.

Устройството се състои от корпусно тяло 1, изпълнено с подходяща геометрична форма, за предпочитане цилиндрично-конусовидна, като в горния край на корпусното тяло 1 е оформен захранващ отвор 2, а в долния му край е отворен и под него е разположен скарен елемент 3. В горната част на корпусното тяло 1, по-специално в цилиндричната му част, концентрично спрямо оста му е монтиран разделителен щит 4, горната част на който е оформена с пръстеновиден отвор 5. Разделителният щит е изпълнен така, че съотношението на диаметъра към височината е 3-3,2.

Описаното оформяне и разположение на разделителния щит 4 позволява в корпусното тяло 1 да бъдат оформени пиролизна зона 6, представляваща вътрешното пространство, оградено от разделителния щит, първа окислителна зона 7, определена от пространството между разделителният щит 4 и корпусното тяло 1, редукционна зона 8, разположена в конусовидната част на корпусното тяло 1 и втора окислителна зона 9, определена в пространството, непосредствено над скарния елемент 3. Горната част на разделителния щит 4 е поместен в корпусното тяло 1 така, че пръстеновидният отвор 5 позволява свързване на пиролизната зона 6 с първа окислителна зона 7.

Външно на корпусното тяло е оформен кожух 10, който обхваща изцяло корпусното тяло 1, като кожухът 10 е разделен на долна и горна част посредством преграда 11, разположена в областта на скарния елемент 3. В долната част на кожуха 10 е разположено транспортно устройство 11, за отвеждане отделените неорганични отпадъци, като транспортното средство може да е изпълнено като шпеково устройство.

По периферията на корпусното тяло 1, в двете окислителни зони 7 и 9 са монтирани дюзи за подаване на загрят въздух. За препоръчване е в първа окислителна зона да бъде разположена най-малко една дюза 12, разположена в цилиндричната част на корпусното тяло 1 и ориентирана тангенциално спрямо неговата ос, а във втората окислителна зона 9 са предвидени дюзи 13, които е за препоръчване да са ориентирани перпендикулярно спрямо образувателната на конусната част на корпусното тяло 1.

Съгласно едно предпочитано изпълнение на устройството в долния край на редукционната зона, централно е разположена дюза 14 за подаване на втори окислител - водна пара.

Централно в корпусното тяло 1 е монтиран тръбопровод 15, в долната част на който е закрепена неподвижно камера 16, като 2/3 от общата височина на камерата 16 е разположена в пиролизната зона 6, а долната й 1/3 част е разположена в редукционната зона 8 и е изпълнена с перфорирана повърхност 17. Тази част на камерата 16 е изпълнена с конусовидна форма, като наклона на образувателната е близък или еднакъв с наклона на образувателната на долната конусна част на корпусното тяло. Във

Описания на издадени патенти за изобретения № 12.1/17.12.2018 вътрешността на камерата 16 е монтирано вибрационно тяло 18, по височината на което са закрепени наклонени екраниращи елементи 19, а по вътрешната стена на камерата 16 са монтирани отражателни елементи 20, ориентирани срещуположно на екраниращите елементи 19. Вибрационното тяло 18 е свързано със задвижващ лост 21, чиито горен край е свързан с източник на вибрационни импулси 22.

Устройството работи по следния начин.

Подходящо подготвена биомаса, с определени параметри на влагосъдържание, обемна плътност и гранулометрия се подава през захранващия отвор 2 на корпусното тяло 1 в пиролизната зона 6. С помощта на външен източник се подава индиректно топлинна енергия, в резултат на което се загрява разделителният щит 4 и топлината се отдава към съдържащата се в пиролизната зона 6 биомаса. В такава ситуация започва протичането на химико-термични процеси в описаните вече зони. В пиролизната зона 6, в условия с ограничен достъп на окислител се наблюдава отделяне на летливи паро-газови компоненти от биомасата, които през пръстеновидния отвор 5 постъпват в първата окислителна зона

7. Благодарение на вихрово подаване на окислител през дюзата 12 се получава интензивно изгаряне на паро-газовата смес, като получената топлина индиректно загрява през разделителния щит 4 съдържащата се в пиролизната зона 6 биомаса, а отделените при горенето газове /въглероден двуокис/ и водна пара постъпват в горната част на редукционната зона 8. Тази енергия е получена от температурата на паро-газовата смес в първата окислителна зона 7. В тази зона се извършва пълно окисление на парогазовата смес, постъпваща от пиролизната зона 6 през пръстеновидния отвор 5.

При описаните до момента химикотермични процеси, биомасата се придвижва в посока “отгоре надолу”, като при напускането и на пиролизната зона 6 по същество тя представлява твърд остатък с повишено съдържание на въглерод /кокс/.

С оглед на ефективното провеждане на редукционните процеси, през дюзите 12, 13 се подава окислител /въздух/. В редукционната зона 6 биомасата е с повишено съдържание на въглерод, като необходимата температура за поддържане на химико-термичните процеси в редукционната зона 8 се получава, от една страна, от паро-газовата смес от първата окислителна зона 7 и от друга страна - от втора окислителна зона 9, с която се поддържа необходимата температура в цялата редукционна зона

8. В резултат на създадените условия в редукционната зона 8 започва процес на трансформиране на въглеродния остатък в газова фракция, с основна горима част, съдържащата въглероден окис и водород. С оглед на ефективно протичане на химико-термичните процеси на преобразуване на въглерода в газова смес е необходимо да се създадат подходящи условия - температура /над 800°С/, например до 1100°С, както и време на преминаване на газовете /контакта между въглерода, въглероден двуокис и водните пари/. Благодарение на подходящо оформените долни части на корпусното тяло 1 и камерата 16, в редукционната зона се оформя обем, който гарантира осигуряване на необходимото технологично време за престояване на въглена, за да е възможно осъществяването на ефективно провеждане на химико-термичните процеси на редукция.

При подаване на окислител посредством дюзата 14 се създават условия за повишаване калоричността на газовете, т.е. газовете съдържат по-голямо количество въглероден окис и водород.

Получената газова смес от горими газове постъпва през долната, перфорирана част 17 на камерата 16 и преминава през лабиринта от екраниращи 18 и отражателни 19 елементи, работещи по същество като сепаратор, при което през тръбопровода се извежда паро-газова смес със значително понижено съдържание на катранени и механични частици. Последното се осъществява благодарение на създаденото подналягане в камерата 16. Едновременно с това остатъчните твърди частици, като пепел, шлака попадат в подскарната зона и посредством транспортно устройство, разположено в дъното на кожуха се отвеждат от устройството.

Claims (1)

1. Патентни претенции

   1. Устройство за производство на енергийни газове от биомаса, което включва корпусно тяло с цилиндрично-конусовидна форма и оформени във вътрешността му активни зони, включително пиролизна, окислителна и редукционна зона, при което в окислителната зона е предвидена дюза за подаване на окислител, характеризиращо се с това, че в цилиндричната част на корпусното тяло (1) е монтиран