La présente invention concerne un gazéificateur de biomasse pour convertir la biomasse solide en un combustible gazeux au moyen d'une conversion thermochimique utilisant un réacteur vertical à sommet ouvert, et à double entrée d'air. Le combustible gazeux généré de cette manière est relativement libre de tout élément indésirable comme du goudron ou des particules et peut être utilisé dans un moteur à combustion interne pour générer de la puissance. Il est aussi utilisé dans des applications thermiques dans lesquelles une température de haute qualité est demandée. Arrière-Plan
Les sociétés qui se développent avec une population importante distribuée dans des petites communautés, des hameaux et des villages dépendant principalement de l'agriculture ont une qualité de la vie pauvre en raison de l'absence de disponibilité d'énergie électrique. Souvent, la mise à disposition d'électricité de mauvaise qualité à partir du réseau électrique libre a conduit à une défaillance de fonctionnement des équipements électriques ce qui a débouché sur une pauvreté plus grande pour les segments déjà défavorisés de la société. Une alternative à cela a été l'usage moderne de résidus biologiques convertis de manière efficace et sans atteinte pour l'environnement pour produire du gaz de gazogène capable d'être utilisé pour la génération d'électricité.
La technologie basée sur le concept du sommet fermé est connue depuis environ 50 années et différents modes d'exécution ont été utilisés en Europe pendant la Deuxième Guerre Mondiale. Il apparaît que ce procédé génère un gaz de gazogène contenant trop de particules et de goudron par rapport à ce qu'un moteur peut accepter. Etat de la technique
Des modes de réalisation de gazéificateurs pour résidus solides sont bien connus depuis longtemps. Pendant la Deuxième Guerre Mondiale, ces appareils ont été utilisés à grande échelle, en particulier avec du charbon de bois comme matériau d'alimentation. Des réalisations pour d'autres résidus solides ont évolué à partir des réalisation de gazéificateurs à charbon de bois. Ceux-ci ont une cuve à sommet fermé avec une ouverture relativement petite appelée étranglement et une section évasée en bas. L'air est admis à travers une ou plusieurs ouvertures juste au dessus de l'étranglement. Bien que ces gazéificateurs fonctionnaient de manière satisfaisante pour du charbon de bois, cette réalisation a de nombreuses limites quand d'autres résidus solides étaient utilisés.
Outre le goudron (matière condensée volatile issue du combustible solide) qui se dépose sur les composants du moteur, le rendement est faible et la proportion de diesel qui peut être remplacée quand on utilise des moteurs diesel n'est pas élevée ( 65%).
D'autre types de gazéificateurs comme des gazéificateurs verticaux ou transversaux ont été testés; mais ceux-ci ne sont utilisables qu'avec des applications thermiques en raison du contenu excessif en goudron du gaz produit.
Le but de la présente invention est de mettre à disposition un procédé de gazéification efficace pour des biomasses solides, ayant des modes d'exécution appropriés pour différents niveaux de puissance et pour générer du combustible gazeux qui est relativement libre d'éléments indésirables comme du goudron et des particules.
Un autre but de cette invention est d'apporter une technologie pour la gazéification de biomasse sous forme de briquettes en vrac pour produire du gaz propre.
Un autre but de cette invention est de mettre à disposition un système efficace de nettoyage et de refroidissement du gaz, qui assure que la qualité du gaz est suffisante pour un usage dans un moteur à combustion interne.
Un autre but de cette invention est de mettre à disposition du gaz pour des applications thermiques dans lesquelles le gaz n'est pas refroidi à température ambiante mais la poussière est enlevée pour une large partie et la soufflerie est protégée de la température élevée du gaz par l'injection d'eau dans la soufflerie.
Un autre but de cette invention est de mettre à disposition un bruleur compact à deux lobes pour bruler le gaz en ne laissant aucune trace du combustible non-brulé, de sorte que le gaz de gazogène peut être utilisé directement quand du gaz chaud et propre est nécessaire.
Pour atteindre ces objectifs, cette invention est défine par les caractéristiques de la revendication 1.
Le réacteur est un réacteur recouvert de céramique et consiste en deux sections, la section inférieure étant faite en acier doux dont l'intérieur est recouvert de briques de céramique et de tuiles d'alumine et la section supérieure consistant en une coque annulaire faite en acier inoxydable recouvert d'aluminium.
Le gaz chaud sort à travers la portion annulaire dans la section supérieure du réacteur après avoir transféré sa chaleur pour sécher la biomasse. Le gaz refroidi est filtré à travers un filtre consistant en un lit de quartz sur une matrice de fibres polymériques, qui est réutilisable.
Le gaz est aspiré par le ventilateur et alimente le moteur de manière contrôlée pour générer de la puissance et dans le cas de d'applications thermiques le ventilateur est protégé des hautes températures du gaz par injection d'eau dans le ventilateur.
Un bruleur compact à deux lobes est utilisé pour bruler les gaz en ne laissant aucune trace du combustible non-brulé de sorte que le gaz produit peut être utilisé directement quand on a besoin de gaz chaud et propre.
Un bassin à eau est prévu dans le bas du réacteur, si désiré.
Une table de levage est prévue dans le bas du réacteur, si désiré.
Ladite grille est motorisée et une chambre pour le charbon est prévue dans le bas du réacteur pour recueillir le charbon de bois.
L'invention est maintenant décrite en référence aux figures. La fig. 1 montre un gazéificateur de biomasse d'une capacité de 50 kg/hr ayant une coque de réacteur en deux parties pour des applications de génération de puissance, selon la présente invention. La fig. 2 montre un gazéificateur de biomasse d'une capacité de 500 kg/hr ayant un réacteur en céramique pour des applications de génération de puissance, selon la présente invention. La fig. 3 montre un gazéificateur de biomasse d'une capacité de 100 kg/hr ayant une coque de réacteur en deux parties pour des applications thermiques, selon la présente invention. La fig. 4 montre un gazéificateur de biomasse d'une capacité de 500 kg/hr ayant un réacteur en céramique pour des applications thermiques, selon la présente invention.
La fig. 5 montre un gazéificateur de biomasse d'une capacité de 50 kg/hr ayant une grille rotative pour l'extraction de charbon pour des applications de génération de puissance, selon la présente invention.
Dans la fig. 1, (R) montre le réacteur ayant un sommet ouvert, ce qui permet à de l'air d'être aspiré à l'intérieur. Ledit réacteur consiste en deux sections. La section inférieure (L) est faite en acier doux recouvert à l'intérieur de briques de céramique et de tuiles d'alumine et la section supérieure (U) consiste en un espace annulaire (A) fabriqué en acier inoxydable recouvert d'aluminium. La biomasse est introduite dans le réacteur (R) par le sommet ouvert et est maintenue dans le réacteur (R) par la grille (G). Le fond dudit réacteur est fermé de manière hermétique par un joint à eau (WS) qui est placé sur la table de levage (T). La table de levage aide à élever et abaisser le joint liquide.
Ladite biomasse est allumée par les buses à air (N) et une zone (B) de haute température auto-entretenue est maintenue avec l'aide de (i) une alimentation d'air depuis le sommet du réacteur, qui supporte la dévolatilisation de la biomasse et une gazéification partielle du charbon et (ii) de l'air des buses à air (N) qui aide à l'oxydation du charbon. La gazéification est achevée dans le fond du réacteur. Le gaz chaud résultant passe à travers la portion annulaire (A) dans la section supérieure du réacteur et aide au séchage de la biomasse qui arrive. Ensuite, ledit gaz passe au travers du refroidisseur (C) et des filtres (F1 & F2). Le gaz est aspiré par le ventilateur d'aspiration (SB) et alimente les moteurs (E1 & E2).
Lesdits moteurs (E1 & E2) génèrent de la puissance et les gaz d'échappement de ceux-ci sont utilisés pour sécher la biomasse dans un séchoir à biomasse (BD).
Dans la fig. 2, le réacteur (R) utilisé est un réacteur en céramique ayant des buses à air (N) à différents niveaux. Le réacteur (R) est assemblé de telle manière que son fond est plongé dans le bassin d'eau (WS). Le gaz généré sort par le refroidisseur (C) et ensuite par les filtres (F1 & F2) et est aspiré par le ventilateur d'aspiration (SB) et alimente le moteur (E1, E2) pour la génération de puissance.
Dans la fig. 3, le réacteur consiste de deux sections, la section supérieure (U) et la section inférieure (L) comme décrit ci-dessus a été utilisé avec la grille (G). Dans ce cas aussi le gaz produit passe à travers la portion annulaire (A) de la section supérieure (U) du réacteur pour sécher la biomasse arrivant. Le gaz passe après dans un cyclone chaud (C41) et ensuite dans un ventilateur et dans un cyclone froid (C42) et alimente le bruleur (B1). Le bruleur et le cyclone chaud (C41) sont connectés pour la récupération de l'air chaud, ce qui augmente le rendement de l'ensemble.
Dans la fig. 4, un réacteur recouvert de céramique avec des buses à différents niveaux est utilisé. Un bassin d'eau est placé au dessous du réacteur (R) et le gaz produit est passé à travers un cyclone chaud (41), un ventilateur avec jet d'eau, un cyclone à charbon et après cela à un bruleur. Le bruleur et le cyclone chaud (C41) sont connectés pour la récupération de l'air chaud, ladite récupération d'air chaud, pouvant être utilisée pour la génération d'électricité.
Dans la fig. 5, un réacteur à deux sections est utilisé avec une grille (G). Dans ce cas, la grille utilisée est motorisée. Dans le cas où du charbon doit être récupéré de la biomasse, un récupérateur est placé en bas du réacteur où le charbon peut être récupéré et le gaz est amené à la portion annulaire (A) de la partie supérieure (U) et ensuite le gaz passe à travers la portion annulaire (A) dans les refroidisseurs (C), les filtres (F1 & D1), et est aspiré par le ventilateur d'aspiration (SB). Le gaz alimente les moteurs (E1 & E2) pour la génération de puissance et aussi le séchoir de biomasse (BD).
L'invention est maintenant décrite en référence aux exemples suivants. Exemple I: un système de gazéificateur à bois ayant une capacité de 50 kg/hr pour une application de génération de puissance
Un gazéificateur de biorésidus ligneux à 50 kg/hr est représenté dans la fig. 1. Il a un réacteur (R) en deux parties (U & L), la coque au sommet (U) est réalisée par une coque annulaire en acier inoxydable recouvert d'aluminium pour empêcher une corrosion chimique par le gaz à haute température et la coque du bas (B) est faite en acier doux recouvert de céramique. Des buses à air (N) sont placées dans une section légèrement conique dans le bas de la partie recouverte de céramique du réacteur à 0,3 à 0,4 fois le diamètre au dessus du bas du réacteur. La biomasse est maintenue dans le réacteur avec une grille faite en acier inoxydable ou en fonte. Le gaz chaud sort au travers d'un conduit dans la section supérieure annulaire (A) de la coque en acier inoxydable.
Le gaz est ensuite refroidi par un contact direct avec de l'eau froide et le gaz passe ensuite à travers un lit de quartz spécialement conçu qui est supporté sur une matrice de fibres polymériques. Le gaz entre ensuite dans l'aspiration du ventilateur (SB) ou l'admission du collecteur d'un moteur (E1 & E2) dans laquelle une quantité contrôlée d'air est aussi acceptée au travers d'une valve de contrôle. Le gaz produit avec un contenu en particules et en goudron totalisant moins de 100 mg/m<3> remplace le diesel dans un ou plusieurs moteurs diesel d'une capacité totale de 50 kW en fonctionnant à 85%. Il utilise environ 1,2 kg/kWhr de bio-résidus avec un contenu en cendre de moins de 1% et un contenu en humidité de moins de 15% et une consommation en diesel d'environ 60 à 65 ml par kilowattheure.
Exemple II: gazéificateur à bois connecté à un moteur à gaz
Le réacteur (R) décrit dans l'exemple I est connecté à un moteur à gaz (E) d'une capacité de 25 kVA obtenue en remplaçant l'injection de combustible du moteur diesel original par un système d'allumage comprenant une bougie d'allumage et un système d'allumage à bobine et distribution. Le moteur a pu fonctionner confortablement à un taux de compression de 17 (c'est-à-dire le même que pour des moteurs diesel originaux) sans détonation. Une puissance de sortie maximale légèrement supérieure a été obtenue avec un taux de compression inférieur (15). Exemple III: gazéificateur à petite échelle
Des systèmes de gazéificateurs similaires à ceux des exemples 1 et 2, mais ayant une capacité bien plus petite, ont été construits et utilisés pour la génération de puissance. Un gazéificateur de 180 mm de diamètre a été utilisé pour faire fonctionner des moteurs (E1 & E2) d'une capacité de 3,7 kW, les deux en mode de combustion et aussi en convertissant les moteurs pour fonctionner uniquement avec du gaz. Des expériences ont aussi été faites avec des moteurs à gaz connectés à des pompes à eau (non-représentées). Exemple IV: gazéification de matière en briquettes
Un gazéificateur de bio-résidus à 75 kg/hr similaire dans son mode d'exécution à celui de l'exemple III mis en oeuvre avec des briquettes de café mouliné, des briquettes de "restholz" (briquettes faites de résidus de l'industrie européenne de l'ameublement), des briquettes d'herbe, fonctionnant même à des faibles taux de consommation comme 20 à 40 kg/hr, qui a fonctionné de manière continue pendant 6 heures avec des mesures de la composition des gaz, des particules et de goudron, aussi bien du côté chaud que du côté froid et l'analyse de l'eau de refroidissement, des oxydes d'azote dans le flux d'échappement d'un boiler brulant du gaz (gaz de ce gazéificateur) fait preuve des performances suivantes:
le contenu en goudron dans le flux chaud n'excède pas 700 mg/m<3>, dans le flux froid 55 mg/m<3>, la composition montre 18 à 21% de CO, 15 à 17% de H 2 , 1,5 à 3% de CH 4 , 12 à 15% de CO 2 , le reste comprenant de l'azote et de l'humidité d'équilibre. Exemple V: gazéificateur thermique pour le séchage du thé
Un gazéificateur de 350 kg/hr construit comme le réacteur montré dans la fig. 3, mais avec (a) le réacteur (R) enfermé dans une coque extérieure métallique dans l'espace annulaire (A) duquel de l'air est aspiré pour sécher les bio-résidus mouillés ou pour répondre à toute autre demande de chaleur, et (b) le gaz est amené à travers un cyclone autour duquel une autre coque est placée pour aspirer l'air à travers le système pour refroidir le gaz et simultanément pour chauffer l'air qui sera utilisé pour la combustion. Le gaz passe à travers un ventilateur dans lequel de l'eau est giclée pour refroidir le gaz et aussi enlever environ 95% de la poussière. Le gaz est ensuite brulé dans un bruleur à deux lobes formé spécialement qui assure une combustion complète et atteint une température uniforme de produit d'environ 1100 DEG C.
Un ventilateur à grande capacité permet dans une proportion de 1:8 (gaz chaud par rapport à air froid) de réduire la température du produit de 1100 DEG C à environ 120 DEG C. Ce gaz chaud est utilisé pour sécher des feuilles de thé ayant un taux d'humidité moyen d'environ 5 à 60% à un niveau d'environ 5%. La quantité de bois utilisé pour faire 1 kg de thé de cette manière est de 0,35 +/- 0,03 kg. Ceci est environ un cinquième à un septième de la quantité utilisée actuellement dans l'industrie du thé. Exemple VI: génération simultanée de gaz et de charbon.
Un gazéificateur à 75 kg/hr similaire dans son mode d'exécution à celui de l'exemple I, avec une grille (G) qui peut être déplacée manuellement ou par un moteur électrique et une chambre d'évacuation en dessous du réacteur pour permettre la récupération des cendres ou du charbon dans un container sec ayant en outre des moyens pour leur extraction afin de les débarrasser ou les utiliser. Ce réacteur est utilisé spécialement quand des coques de noix de coco sont employées pour faire du charbon qui a également d'autres utilisations industrielles.
En faisant marcher le réacteur (R) dans un mode de stratification (en fermant les buses à air (N) partiellement et laissant les flammes se propager vers le haut jusqu'à ce qu'elles atteignent le haut) et déchargeant le charbon dans la chambre d'évacuation, on peut obtenir du charbon de qualité élevée avec un rendement de 25 à 30% (charbon avec un contenu en carbone de plus de 85%). Ceci est en plus du gaz de gazogène produit par le système. La capacité d'utilisation du système est d'environ 75% par rapport à un système sans extraction du charbon. Exemple VII
Un gazéificateur de bio-résidus à 550 kg/hr avec une coque extérieure en acier et l'intérieur recouverte de briques et de tuiles en céramique. Les buses à air (N) sont placées à 0,2 à 0,4 fois la hauteur du réacteur (R) à partir du fond. Une buse à air additionnelle placée sur le côté à 0,4 à 0,6 fois la hauteur du réacteur pour permettre la mise à disposition d'air dans le centre du réacteur, est arrangée en une à trois couches.
L'entrée d'air a un joint à eau pour permettre une fermeture rapide et sure, une grille inférieure (G) construite en acier inoxydable/fonte avec des moyens pour la déplacer manuellement/avec l'aide d'un moteur électrique, le gaz étant pris à travers un conduit vertical avec un conduit qui l'entoure pour permettre un refroidissement indirect, celui-ci étant effectué en une/deux/trois passes avant que le gaz ne soit passé à travers un ventilateur ou directement dans un filtre constitué par un lit de sable ou deux filtres constitués par des lits de sable, le premier lit étant fabriqué avec du sable grossier (1-2 mm de taille), le deuxième lit étant fait en sable fin (200 à 700 microns de taille) l'arrangement des lits de sable étant compact pour augmenter la surface des lits dans un volume donné.
Le filtre est fait de métal couvert d'une matière plastique renforcée par de l'époxy ou de la fibre de verre. Le rapport entre la surface et le volume du filtre est de 1,5 à 2,5 m<2>/m<3>.
On peut déduire de la description ci-dessus que la présente invention est appelée un gazéificateur à double entrée d'air. Pendant chaque étape de la gazéification, une oxydation et des réductions se produisent faisant subir au gaz deux cycles à hautes températures en présence d'un lit de charbon chaud, ce qui élimine presque tout le goudron des gaz.
Le mode d'exécution varie en fonction du niveau de puissance. A des faibles niveaux de puissance (jusqu'à 250 kg/hr) le réacteur est fait en deux sections. La section inférieure est faite en acier doux recouvert de briques de céramique avec des tuiles d'alumine et la partie supérieure a une forme annulaire et est faite en acier inoxydable recouvert d'alumine. Le gaz de gazogène chaud passe à travers le passage annulaire permettant à une partie importante de la chaleur dans le gaz d'être utilisée de manière régénérative pour sécher et commencer à chauffer la biomasse dans la partie supérieure du réacteur.
A des puissances plus élevées (>250 kW) le chauffage régénératif de la biomasse n'est pas utilisé en raison des limitations dans la région de la surface pour le transfert de chaleur et la durée de vie limitée de la coque en acier inoxydable. Des buses à air additionnelles à différentes hauteurs deviennent aussi nécessaires quand la puissance augmente.
Un de ces modes d'exécution de gazéificateur pour générer de l'électricité en opérant avec deux combustible monte jusqu'à des puissances de 100 kW. Au cours de démonstrations, ceux-ci ont produit des particules et une concentration en goudron dans le gaz du côté chaud jusqu'à 500 mg/m<3> et 100 mg/m<3> respectivement. Néanmoins, du côté froid après refroidissement et nettoyage du gaz il est d'environ 70 mg/m<3> et 50 mg/m<3> respectivement. Des tests de moteurs réalisés sur un grand nombre de moteurs à la fois en laboratoire et dans des conditions réelles ont démontré que les revendications des inventeurs sur la concentration des particules et du goudron restent dans des limites acceptables pour l'utilisation dans des moteurs alternatifs.
Quand on utilise des moteurs diesel en mode à deux combustibles (gaz et diesel), le procédé permet de remplacer le diesel jusqu'à 85%. Légendes Fig. 1: U: Section supérieure L: Section inférieure A: Espace annulaire B: Zone à haute température B1: Bruleur BD: Séchoir de biomasse C: Refroidisseur E1: Moteur E2: Moteur F1: Filtre F2: Filtre G: Grille N: Buses R: Réacteur SB: Ventilateur d'aspiration T: Table de levage WS: joint à eau Fig. 2: C: Refroidisseur E1: Moteur E2: Moteur F1: Filtre F2: Filtre G: Grille N: Buses R: Réacteur SB: Ventilateur d'aspiration WS: joint à eau Fig. 3: U: Section supérieure L: Section inférieure A: Espace annulaire B: Zone à haute température B1: Bruleur BD:
Séchoir de biomasse C: Refroidisseur CY1: Cyclone chaud CY2: Cyclone froid G: Grille N: Buses R: Réacteur SB: Ventilateur d'aspiration T: Table de levage WS: joint à eau Fig. 4: B1: Bruleur CY1: Cyclone chaud CY2: Cyclone froid G: Grille N: Buses R: Réacteur SB: Ventilateur d'aspiration WS: joint à eau Fig. 5: A: Espace annulaire B: Zone à haute température B1: Bruleur BD: Séchoir de biomasse C: Refroidisseur CB: Récupération de charbon E1: Moteur E2: Moteur F1: Filtre F2: Filtre G: Grille M: Grille motorisée N: Buses R: Réacteur SB: Ventilateur d'aspiration U: Section supérieure
The present invention relates to a biomass gasifier for converting solid biomass into a gaseous fuel by means of thermochemical conversion using a vertical reactor with an open top, and with double air inlet. The gaseous fuel generated in this way is relatively free of any unwanted elements such as tar or particles and can be used in an internal combustion engine to generate power. It is also used in thermal applications where a high quality temperature is required. Background
The societies which develop with a large population distributed in small communities, hamlets and villages depending mainly on agriculture have a poor quality of life due to the lack of availability of electric energy. Often, the provision of poor quality electricity from the free power grid has led to a malfunction of electrical equipment which has resulted in greater poverty for already disadvantaged segments of society. An alternative to this has been the modern use of biological residues which are converted efficiently and without damaging the environment to produce gasifier gas capable of being used for the generation of electricity.
Technology based on the concept of the closed top has been known for about 50 years and different modes of execution were used in Europe during the Second World War. It appears that this process generates a gasifier gas containing too many particles and tar compared to what an engine can accept. State of the art
Embodiments of gasifiers for solid residues have been well known for a long time. During the Second World War, these devices were used on a large scale, in particular with charcoal as a feed material. Realizations for other solid residues have evolved from realizations of charcoal gasifiers. These have a closed top tank with a relatively small opening called a choke and a flared section at the bottom. Air is admitted through one or more openings just above the throttle. Although these gasifiers worked satisfactorily for charcoal, this realization has many limitations when other solid residues were used.
In addition to tar (volatile condensed matter from solid fuel) which is deposited on the engine components, the efficiency is low and the proportion of diesel which can be replaced when using diesel engines is not high (65%).
Other types of gasifiers such as vertical or transverse gasifiers have been tested; but these can only be used with thermal applications due to the excessive tar content of the gas produced.
The object of the present invention is to provide an efficient gasification process for solid biomass, having modes of execution suitable for different power levels and for generating gaseous fuel which is relatively free of undesirable elements such as tar. and particles.
Another object of this invention is to provide a technology for the gasification of biomass in the form of bulk briquettes to produce clean gas.
Another object of this invention is to provide an efficient gas cleaning and cooling system, which ensures that the quality of the gas is sufficient for use in an internal combustion engine.
Another object of this invention is to provide gas for thermal applications in which the gas is not cooled to room temperature but the dust is largely removed and the blower is protected from the high temperature of the gas by injecting water into the wind tunnel.
Another object of this invention is to provide a compact two-lobe burner to burn the gas leaving no trace of the unburned fuel, so that the gasifier gas can be used directly when hot and clean gas is necessary.
To achieve these objectives, this invention is defined by the features of claim 1.
The reactor is a ceramic covered reactor and consists of two sections, the lower section being made of mild steel the interior of which is covered with ceramic bricks and alumina tiles and the upper section consisting of an annular shell made of steel stainless coated with aluminum.
The hot gas exits through the annular portion in the upper section of the reactor after transferring its heat to dry the biomass. The cooled gas is filtered through a filter consisting of a quartz bed on a matrix of polymer fibers, which is reusable.
The gas is sucked in by the fan and supplies the motor in a controlled manner to generate power and in the case of thermal applications the fan is protected from the high temperatures of the gas by injecting water into the fan.
A compact two-lobe burner is used to burn the gases leaving no trace of the unburned fuel so that the gas produced can be used directly when hot and clean gas is needed.
A water basin is provided at the bottom of the reactor, if desired.
A lifting table is provided at the bottom of the reactor, if desired.
Said grid is motorized and a coal chamber is provided at the bottom of the reactor to collect the charcoal.
The invention is now described with reference to the figures. Fig. 1 shows a biomass gasifier with a capacity of 50 kg / hr having a two-part reactor shell for power generation applications, according to the present invention. Fig. 2 shows a biomass gasifier with a capacity of 500 kg / hr having a ceramic reactor for power generation applications, according to the present invention. Fig. 3 shows a biomass gasifier with a capacity of 100 kg / hr having a two-part reactor shell for thermal applications, according to the present invention. Fig. 4 shows a biomass gasifier with a capacity of 500 kg / hr having a ceramic reactor for thermal applications, according to the present invention.
Fig. 5 shows a biomass gasifier with a capacity of 50 kg / hr having a rotary grid for the extraction of coal for power generation applications, according to the present invention.
In fig. 1, (R) shows the reactor having an open top, which allows air to be drawn inside. Said reactor consists of two sections. The lower section (L) is made of mild steel covered inside with ceramic bricks and alumina tiles and the upper section (U) consists of an annular space (A) made of stainless steel covered with aluminum. The biomass is introduced into the reactor (R) through the open top and is maintained in the reactor (R) by the grid (G). The bottom of said reactor is hermetically closed by a water seal (WS) which is placed on the lifting table (T). The lifting table helps raise and lower the liquid seal.
Said biomass is ignited by the air nozzles (N) and a self-sustaining high temperature zone (B) is maintained with the help of (i) an air supply from the top of the reactor, which supports the devolatilization of biomass and partial gasification of coal and (ii) air from the air nozzles (N) which aids in the oxidation of coal. The gasification is completed at the bottom of the reactor. The resulting hot gas passes through the annular portion (A) in the upper section of the reactor and assists in the drying of the incoming biomass. Then, said gas passes through the cooler (C) and the filters (F1 & F2). The gas is sucked in by the suction fan (SB) and feeds the motors (E1 & E2).
Said engines (E1 & E2) generate power and the exhaust gases from these are used to dry the biomass in a biomass dryer (BD).
In fig. 2, the reactor (R) used is a ceramic reactor having air nozzles (N) at different levels. The reactor (R) is assembled in such a way that its bottom is immersed in the water basin (WS). The gas generated exits from the cooler (C) and then from the filters (F1 & F2) and is sucked in by the suction fan (SB) and supplies the motor (E1, E2) for power generation.
In fig. 3, the reactor consists of two sections, the upper section (U) and the lower section (L) as described above was used with the grid (G). In this case also the gas produced passes through the annular portion (A) of the upper section (U) of the reactor to dry the incoming biomass. The gas then passes through a hot cyclone (C41) and then through a fan and into a cold cyclone (C42) and feeds the burner (B1). The burner and the hot cyclone (C41) are connected to recover the hot air, which increases the efficiency of the assembly.
In fig. 4, a ceramic coated reactor with nozzles at different levels is used. A water basin is placed below the reactor (R) and the gas produced is passed through a hot cyclone (41), a fan with water jet, a carbon cyclone and after that to a burner. The burner and the hot cyclone (C41) are connected for the recovery of hot air, said recovery of hot air, which can be used for the generation of electricity.
In fig. 5, a two-section reactor is used with a grid (G). In this case, the grid used is motorized. In the case where coal has to be recovered from the biomass, a recuperator is placed at the bottom of the reactor where the coal can be recovered and the gas is brought to the annular portion (A) of the upper part (U) and then the gas passes through the annular portion (A) in the coolers (C), the filters (F1 & D1), and is sucked in by the suction fan (SB). The gas supplies the engines (E1 & E2) for power generation and also the biomass dryer (BD).
The invention is now described with reference to the following examples. Example I: a wood gasifier system with a capacity of 50 kg / hr for a power generation application
A woody bioresidus gasifier at 50 kg / hr is shown in fig. 1. It has a reactor (R) in two parts (U & L), the hull at the top (U) is made by an annular hull in stainless steel covered with aluminum to prevent chemical corrosion by gas at high temperature and the bottom shell (B) is made of mild steel covered with ceramic. Air nozzles (N) are placed in a slightly conical section at the bottom of the ceramic-coated part of the reactor at 0.3 to 0.4 times the diameter above the bottom of the reactor. The biomass is kept in the reactor with a grid made of stainless steel or cast iron. The hot gas exits through a pipe in the upper annular section (A) of the stainless steel shell.
The gas is then cooled by direct contact with cold water and the gas then passes through a specially designed quartz bed which is supported on a matrix of polymeric fibers. The gas then enters the fan intake (SB) or the intake of the engine manifold (E1 & E2) in which a controlled amount of air is also accepted through a control valve. The gas produced with a particle and tar content of less than 100 mg / m <3> replaces diesel in one or more diesel engines with a total capacity of 50 kW by operating at 85%. It uses approximately 1.2 kg / kWhr of bio-residues with an ash content of less than 1% and a moisture content of less than 15% and a diesel consumption of approximately 60 to 65 ml per kilowatt hour.
Example II: wood gasifier connected to a gas engine
The reactor (R) described in Example I is connected to a gas engine (E) with a capacity of 25 kVA obtained by replacing the fuel injection of the original diesel engine with an ignition system comprising a spark plug d ignition and a coil and distribution ignition system. The engine was able to operate comfortably at a compression ratio of 17 (i.e. the same as for original diesel engines) without detonation. A slightly higher maximum output power was obtained with a lower compression ratio (15). Example III: Small-scale gasifier
Gasifier systems similar to those of Examples 1 and 2, but having a much smaller capacity, were constructed and used for power generation. A 180 mm diameter gasifier was used to operate engines (E1 & E2) with a capacity of 3.7 kW, both in combustion mode and also by converting the engines to work only with gas. Experiments were also carried out with gas engines connected to water pumps (not shown). EXAMPLE IV Gasification of Briquette Material
A bio-residue gasifier at 75 kg / hr similar in its embodiment to that of Example III used with briquettes from ground coffee, "restholz" briquettes (briquettes made from industry residues European furniture), grass briquettes, operating even at low consumption rates such as 20 to 40 kg / hr, which operated continuously for 6 hours with measurements of the composition of gases, particles and of tar, both on the hot side and on the cold side and the analysis of the cooling water, nitrogen oxides in the exhaust stream of a boiler burning gas (gas from this gasifier) shows the following performances:
the tar content in the hot stream does not exceed 700 mg / m <3>, in the cold stream 55 mg / m <3>, the composition shows 18 to 21% CO, 15 to 17% H 2, 1.5 to 3% CH 4, 12 to 15% CO 2, the rest comprising nitrogen and equilibrium humidity. Example V: thermal gasifier for drying tea
A gasifier of 350 kg / hr constructed like the reactor shown in fig. 3, but with (a) the reactor (R) enclosed in a metallic outer shell in the annular space (A) from which air is sucked in to dry the wet bio-residues or to meet any other heat demand, and (b) the gas is brought through a cyclone around which another shell is placed to draw air through the system to cool the gas and simultaneously to heat the air which will be used for combustion. The gas passes through a fan in which water is sprayed to cool the gas and also remove about 95% of the dust. The gas is then burned in a specially formed two-lobe burner which ensures complete combustion and reaches a uniform product temperature of around 1100 DEG C.
A large capacity fan allows in a proportion of 1: 8 (hot gas compared to cold air) to reduce the temperature of the product from 1100 DEG C to about 120 DEG C. This hot gas is used to dry tea leaves having an average humidity of about 5 to 60% at a level of about 5%. The amount of wood used to make 1 kg of tea in this way is 0.35 +/- 0.03 kg. This is approximately one fifth to one seventh of the amount currently used in the tea industry. Example VI: simultaneous generation of gas and coal.
A gasifier at 75 kg / hr similar in its embodiment to that of Example I, with a grid (G) which can be moved manually or by an electric motor and an evacuation chamber below the reactor to allow the recovery of ash or charcoal in a dry container having in addition means for their extraction in order to dispose of or use them. This reactor is used especially when coconut hulls are used to make coal which also has other industrial uses.
By operating the reactor (R) in a stratification mode (by closing the air nozzles (N) partially and letting the flames propagate upwards until they reach the top) and discharging the coal in the evacuation chamber, high quality coal can be obtained with a yield of 25 to 30% (coal with a carbon content of more than 85%). This is in addition to the gasifier gas produced by the system. The usability of the system is around 75% compared to a system without coal extraction. Example VII
A bio-residue gasifier at 550 kg / hr with an outer steel shell and the interior covered with bricks and ceramic tiles. The air nozzles (N) are placed 0.2 to 0.4 times the height of the reactor (R) from the bottom. An additional air nozzle placed on the side at 0.4 to 0.6 times the height of the reactor to allow the provision of air in the center of the reactor, is arranged in one to three layers.
The air inlet has a water seal to allow rapid and safe closing, a lower grid (G) constructed of stainless steel / cast iron with means to move it manually / with the help of an electric motor, the gas being taken through a vertical pipe with a pipe which surrounds it to allow indirect cooling, this being carried out in one / two / three passes before the gas has passed through a fan or directly in a constituted filter by a sand bed or two filters constituted by sand beds, the first bed being made with coarse sand (1-2 mm in size), the second bed being made in fine sand (200 to 700 microns in size) l 'arrangement of sand beds being compact to increase the surface of the beds in a given volume.
The filter is made of metal covered with a plastic material reinforced with epoxy or fiberglass. The ratio between the surface and the volume of the filter is 1.5 to 2.5 m <2> / m <3>.
It can be deduced from the above description that the present invention is called a gasifier with double air inlet. During each stage of gasification, oxidation and reductions occur, causing the gas to undergo two cycles of high temperature in the presence of a bed of hot coal, which removes almost all of the tar from the gases.
The execution mode varies according to the power level. At low power levels (up to 250 kg / hr) the reactor is made in two sections. The lower section is made of mild steel covered with ceramic bricks with alumina tiles and the upper part has an annular shape and is made of stainless steel covered with alumina. The hot gasifier gas passes through the annular passage allowing much of the heat in the gas to be used regeneratively to dry and start heating the biomass in the upper part of the reactor.
At higher powers (> 250 kW) regenerative biomass heating is not used due to the limitations in the surface region for heat transfer and the limited service life of the stainless steel shell. Additional air nozzles at different heights also become necessary as the power increases.
One of these embodiments of a gasifier for generating electricity by operating with two fuels goes up to powers of 100 kW. During demonstrations, these produced particles and a tar concentration in the hot gas up to 500 mg / m <3> and 100 mg / m <3> respectively. However, on the cold side after cooling and cleaning the gas it is approximately 70 mg / m <3> and 50 mg / m <3> respectively. Engine tests carried out on a large number of engines both in the laboratory and under real conditions have shown that the inventors' claims on the concentration of particles and tar remain within acceptable limits for use in alternative engines.
When diesel engines are used in dual fuel mode (gas and diesel), the process can replace diesel up to 85%. Legends Fig. 1: U: Upper section L: Lower section A: Annular space B: High temperature area B1: Burner BD: Biomass dryer C: Cooler E1: Motor E2: Motor F1: Filter F2: Filter G: Grid N: Nozzles R : SB reactor: Suction fan T: WS lifting table: water seal Fig. 2: C: Cooler E1: Motor E2: Motor F1: Filter F2: Filter G: Grid N: Nozzles R: Reactor SB: Suction fan WS: water seal Fig. 3: U: Upper section L: Lower section A: Annular space B: High temperature zone B1: BD burner:
Biomass dryer C: Cooler CY1: Hot cyclone CY2: Cold cyclone G: Grid N: Nozzles R: Reactor SB: Suction fan T: Lifting table WS: water seal Fig. 4: B1: Burner CY1: Hot cyclone CY2: Cold cyclone G: Grid N: Nozzles R: Reactor SB: Suction fan WS: water seal Fig. 5: A: Annular space B: High temperature zone B1: Burner BD: Biomass dryer C: Cooler CB: Coal recovery E1: Motor E2: Motor F1: Filter F2: Filter G: Grid M: Motorized grate N: Nozzles R: SB reactor: Suction fan U: Upper section