CZ2012516A3 - Zarízení pro fluidní zplynování tuhých paliv - Google Patents

Abstract

Rešení se týká zarízení pro fluidní zplynování tuhých paliv, vhodného zejména pro zkoumání chemizmu termochemické transformace zrnitého uhlíkatého materiálu na výhrevný generátorový plyn obsahující jako hlavní palivové složky CO, H.sub.2.n., CH.sub.4.n.a C.sub.x.n.H.sub.y.n.pusobením zplynovacích médií a vysoké teploty. Uvedené zarízení obsahuje mísic plynných zplynovacích médií, za nímž je zarazen nebo v nemž je integrován predehrívac zplynovacích médií, z nehož je predehrátá smes zplynovacích médií vedena vstupem (7) smesi zplynovacích médií k distributoru (9), nad nímž je umísten vstup (4) zplynované palivové smesi, oddelený od oblasti nad distributorem (9) chladicem (6), pricemž nad vstupem (4) palivové smesi je usporádán cylindrický reaktor obsahující tryskající fluidní vrstvu (11) a nad ní nadvrstvový prostor (12), pricemž ve víku reaktoru je vstup (13) merice teploty procházejícího celou konstrukci až k distributoru a poprípade i alespon jeden výstup (15) pro analýzy složení a množství produktu, za nadvrstvovým prostorem (12) je usporádán cyklonový odlucovac (16), z nejž je veden alespon jeden výstup (19) pro analýzy složení a množství produktu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro fluidní zplyňování různých tuhých paliv, které umožňuje sledování vlivu typu paliva a operačních podmínek na stabilitu procesu zplyňování a kvalitu produkovaného plynu.

Dosavadní stav techniky

Zplyňování biomasy a dalších alternativních paliv představuje nový trend získávání energie. Získaný plyn lze využít pro produkci tepla a elektrické energie ve spalovacích motorech, palivových článcích nebo plynových mikroturbínách, ale také jako surovinu pro výrobu chemikálií nebo alternativních paliv pro dopravu. Během posledních let se kromě tradičně užívaného uhlí zaměřila pozornost na zplyňování obnovitelných a alternativních paliv, jakými jsou například biomasa, odpady, čistírenské kaly, případně různé směsi těchto materiálů, včetně směsí s uhlím. Problémem těchto nových druhů paliv a palivových směsí je značná rozmanitost jejich vlastností, která vyžaduje specifické reakční podmínky pro každý materiál. Proto je potřeba každý uvažovaný materiál nejprve testovat na menším zařízení, které umožňuje flexibilní nastavení operačních podmínek, a to jak z hlediska reakčních podmínek (teplota, složení zplyňovacího média, poměr zplyňovacího média k palivu), tak z hlediska hydrodynamických podmínek (rychlost proudění plynu reaktorem, doba zdržení). Současná fluidní zplyňovací zařízení jsou obvykle tvořena cylindrickými reaktory s fluidní vrstvou paliva, jejichž průřez se s výškou nemění a fluidační plyn je uváděn do vrstvy perforovaným plátovým (deskovým) distributorem, orientovaným kolmo ke stěnám reaktoru (Cousin A., Zhuo Y., George A., Paterson N., Dugwell D.R., Kandiyoti R.: Development of a Bench-Scale High-Pressure Fluidized Bed Reactor and Its Sequential Modification for Studying Diverse Aspects of Pyrolysis and Gasification of Coal and Biomass, Energy & Fuels 22, 2491-2503, 2008). Plynné komponenty zplyňovacího media jsou přiváděny do komory pod distributorem, kde se samovolně mísí. Reaktor pracuje ve vsádkovém režimu, nebo kontinuálně za použití šnekového podavače zrnitého (sypkého) paliva. Provoz takových zařízení je doprovázen častými problémy, obvykle vyvolávanými nevhodným hydrodynamickým režimem vrstvy, nedokonalou homogenitou zplyňovacího media, nepravidelným dávkováním tuhého paliva nebo nadměrným úletem částic z fluidní vrstvy. Dosud používáná zařízení umožňovala sledovat vliv pouze některých operačních parametrů (Tum S., Kinoshita C., Zhang Z., Ishimura D., Zhou J.: An Experimental of Hydrogen Production from Biomass Gasification, Int. J. Hydrogen Energy 23, 641-648, 1998., Franco C, Pinto F, Gulyurtlu I, Cabrita I. The study of Reactions Influencing the Biomass Steam Gasification Process, Fuel 82, 835-842, 2003 apod.), dále jsou známa zařízení, kdy při změně sledovaného parametru bylo nutné změnit jiný provozní parametr, čímž nebylo exaktně prokazatelné, zda změna daného parametru měla sledovaný vliv nebo nikoliv, anebo zařízení, kdy při změně sledovaného parametru došlo ke změně jiného, či jiných sledovaných parametrů, čímž nebylo opět exaktně prokazatelné, zda změna daného parametru měla sledovaný vliv, nebo nikoliv (Narváez I, Orio A, Aznar MP, Corella J.: Biomass Gasification with Air in an Atmospheric Bubbling Fluidized Bed. Effect of Six Operational Variables on the Quality of the Produced Raw Gas, Ind. Eng. Chem. Res. 35, 2110—2120, 1996., Gil J, Corella J, Aznar MP, Caballero MA. Biomass Gasification in Atmospheric and Bubbling Fluidized Bed: Effect of the Type of Gasifying Agent on the Product Distribution. Biomass and Bioenergy 17, 389*403, 1999. apod.). Z výše uvedeného plyne, že tato zařízení mají řadu nevýhod.

Další podstatnou podmínkou pro testování nových druhů paliv a především palivových směsí je nutnost přesného dávkování paliva požadovaného složení. Dosud používaná experimentální zařízení využívají pro dávkování paliva nejčastěji šnekové podavače (Tum S., Kinoshita C., Zhang Z., Ishimura D., Zhou J.: An Experimental of Hydrogen Production from Biomass Gasification, Int. J. Hydrogen Energy 23, 641-648, 1998., Gil J., Aznar M.P., Caballero M.A., Francés E., Corella J.: Biomass Gasification in Fluidized Bed at Pilot Scale with SteamOxygen Mixcures. Product Distribution for Věry Different Operating Conditions, Energy & Fuels 11, 1109-1118, 1997., Lv P.M., Chang J„ Xiong Z.H.,Huang H„ Wu C.Z. Chen Y.: Biomass Air - Steam Gasification in a Fluidized Bed to Produce Hydrogen-Rich Gas, Energy & Fuels 17, 677-682, 2003. apod.). V takových případech je v jednom zásobníku paliva předem připravená palivová směs. Toto řešení ovšem nezajišťuje dostatečnou homogenitu dávkované směsi, především v případech, kdy mají použitá paliva rozdílné fyzikální či granulometrické vlastnosti, např. v případech směsí biomasy s uhlím, biomasy s plastem, uhlí s vysušenými čistírenskými kaly apod.

Podstata vynálezu

Předmětem předkládaného vynálezu je zařízení pro fluidní zplyňování tuhých paliv, vhodné zejména pro zkoumání chemizmu termochemické transformace zrnitého uhlíkatého materiálu na výhřevný generátorový plyn obsahující jako hlavní palivové složky CO, H2, CH4 a C_xH_y působením zplyňovacích médií a vysoké teploty, mající vstup zplyňovacích médií, perforovaný distributor (rošt), podavač paliva a cylindrický reaktor, které odstraňuje výše uvedené nevýhody. Jeho podstata spočívá v tom, že obsahuje mísič plynných zplyňovacích médií, za nímž je zařazen nebo v němž je integrován předehřívač zplyňovacích médií, z něhož je předehřátá směs zplyňovacích médií vedena vstupem směsi zplyňovacích médií k distributoru, nad nímž je umístěn vstup zplyňované palivové směsi, oddělený od oblasti nad distributorem chladičem. Nad vstupem palivové směsi je uspořádán cylindrický reaktor obsahující tryskající fluidní vrstvu a nad ní nadvrstvový prostor, přičemž ve víku reaktoru je vstup měřiče teploty procházejícího celou konstrukci až k distributoru a umožňujícího měřit teplotu v různých výškách zařízení a popřípadě i alespoň jeden výstup pro analýzy složení a množství produktů. Za nadvrstvovým prostorem je uspořádán cyklonový odlučovač, z nějž je veden alespoň jeden výstup pro analýzy složení a množství produktů.

Účinné mísiče plynných zplyňovacích médií jsou komerčně dostupné. Předřazený mísič zplyňovacích médií zajišťuje přesné a konstantní složení zplyňovacího média skládajícího se až ze čtyř různých plynů a dále případně z vody (vodní páry).

Distributor plynu má s výhodou alespoň v části své délky tvar komolého kužele s větší podstavou na straně fluidní vrstvy a menší podstavou na straně vstupu zplyňovacích médií a s úhlem zkosení při větší podstavě v rozmezí 45° až 60°, a je opatřen roštovými otvory, které mají ve své části na straně vstupu zplyňovacích médií kónický tvar zužující se směrem k fluidní vrstvě a ve své části na straně fluidní vrstvy mají tvar válcový.

Kónické uspořádání vyměnitelného distributoru plynu s optimálním úhlem zkosení (45 až 60°) zvyšuje turbulenci suspenzní směsi plynu a částic a zabraňuje tak nežádoucímu zaléhávání vrstvy a ucpávání otvorů roštu částicemi. Kombinace kuželového a cylindrického profilu roštových otvorů - válcový na straně vrstvy a kuželový na straně vstupního plynu zabraňuje jejich ucpání a zkracuje délku gejzírů plynu ve vrstvě.

S výhodou je distributor uspořádán vyměnitelně. Do držáku distributoru lze podle potřeby vkládat různé typy distributorů, což umožňuje měnit hydrodynamické režimy fluidní vrstvy pomocí snadné výměny distributoru, kterým do reaktoru vstupuje zplyňovací médium.

Vyměnitelné uspořádání distributoru umožňuje dále modelovat různá zplyňovací zařízení. Díky tomu je možno modelovat procesy probíhající v různě konstruovaných průmyslových fluidních zplyňovacích reaktorech. (Pohořelý M.: Vliv reakčních podmínek na fluidní zplyňování uhlí, dřeva a plastů.. Ph.D. Thesis, Ústav chemických procesů AV ČR, v.v.i., Praha 2010).

Účinné protiproudé vodní chlazení pneumotransportního potrubí s palivovou směsí až ke stěně reaktoru umožňuje dávkovat i paliva s nízkým bodem tání; tvarová zarážka (deflektor) uspořádaná ve výhodném provedení ve spodní části vstupu chladiče do oblasti fluidní vrstvy zamezuje žhavému materiálu pulzující fluidní vrstvy pronikat do trubičky přivádějící palivo. Rozšíření - poměr průměru horní části fluidní vrstvy: průměru spodní části fluidní vrstvy 1,5 až 3 : 1 - a náležitě vysoký nadvrstvový prostor potlačuje nežádoucí úlet jemných částic z vrstvy.

Ve výhodném provedení vynálezu je palivová směs dávkována na vstup palivové směsi pomocí suvného dávkovače, který umožňuje homogenní dávkování směsného paliva v definovaném poměru jednotlivých složek v průběhu celého experimentu s využitím jednoho transportního potrubí. Suvný dávkovač obsahuje zásobníky téhož paliva, nebo dvou různých paliv, jejichž výstupy směřují na suvnou desku. Protisměrné posuny suvně desky jsou zajištěny pneumatickou pohonnou jednotkou a dávkované palivo je unášeno do fluidní vrstvy dávkovači tratí (pneumotransportem). Konstrukce výměnných suvných desek se mění dle zrnitosti a sypných vlastností dávkovaného paliva tak, že suvná deska je opatřena dávkovacími cylindrickými nebo konickými otvory s hladkými stěnami, jejichž průměr je alespoň 5x až lOx větší než střední sítová velikost částic palivové směsi. S výhodou je suvná deska zhotovena z plastového materiálu s hladkým povrchem, jako je například poly(tetrafluorethylen). Suvný dávkovač má vysokou přesnost dávkování a trvale spolehlivý chod. Jeho konstrukce umožňuje uvádět zrnitá paliva i do fluidních vrstev o velmi vysoké teplotě. (Pohořelý M., Svoboda K., Hartman M.: Feeding Smáli Quantities of Particulate Solids. Powder Technol. 142, 1-6 2004, Pohořelý M., Svoboda K., Hartman M.: Komůrkový suvný dávkovač sypkých materiálů. Chem. Listy 98, 361-365 2004). S výhodou je dávkovači trať opatřena transparentním prvkem sloužícím k vizuální kontrole chodu dávkování.

V dalším výhodném provedení vynálezu jsou fluidní vrstva a nadvrstvový prostor opatřeny alespoň v části své délky topnými tělesy o regulovatelném tepelném příkonu, která zajišťují ohřev reakční zóny, s nezávislou regulací teploty jednotlivých otopných těles, která umožňuje variabilitu reakčních podmínek. Díky tomu je možné nastavit zvlášť teplotu ve fluidní vrstvě a v prostoru nad fluidní vrstvou. Vzhledem ke snadné a přesné regulovatelnosti příkonu mohou být otopná tělesa s výhodou též využita jako náhrada tepelné izolace reaktoru.

V ještě dalším výhodném provedení je ve víku reaktoru dále zabudován uzavíratelný manipulační prostor alespoň se dvěma uzávěry pro uvádění nebo doplňování materiálu fluidní vrstvy.

Zařízení podle překládaného vynálezu umožňuje ve čtvrtprovozním měřítku separátně vyšetřovat vliv jednotlivých pracovních parametrů procesu, jako teplota, stechiometrický poměr O₂/palivo, H₂O/palivo, CO₂/palivo, složení a výška i režim vrstvy, na proces zplyňování s ohledem na kvalitu (složení, čistotu, výtěžek a výhřevnost) generátorového plynu, přičemž všechny ostatní operační parametry zůstávají nezměněny.

Předkládaný vynález je dále osvětlen s pomocí obrázku a příkladu provedení, aniž by jimi byl rozsah ochrany omezen.

Přehled obrázků na výkrese

Obr. 1 schematicky znázorňuje zařízení pro fluidní zplyňování tuhých paliv podle předkládaného vynálezu a suvný dávkovač.

Obr. 2 schematicky znázorňuje distributor zplyňovacího media podle předkládaného vynálezu v bokorysu (A) a půdorysu (B).

Obr. 3 schematicky znázorňuje detail roštového otvoru v distributoru (roštu) podle předkládaného vynálezu.

Obr. 4 schematicky znázorňuje detail dávkovači trati na vstupu paliva do reaktoru podle předkládaného vynálezu.

Příklady provedení

Příklad 1

Obr. 1 znázorňuje zařízení pro fluidní zplyňování tuhých paliv. Zařízení obsahuje účinný, komerčně dostupný mísič a předehřívač plynných zplyňovacích médií (nezobrazen, např. od firmy Bronkhorst High-Tech B.V., The Netherlands), od nějž je předehřátá směs zplyňovacích médií vedena vstupem 7 směsi zplyňovacích médií k distributoru 9, nad nímž je umístěn vstup 4 palivové směsi, oddělený od oblasti nad distributorem 9 chladičem 6. Pod distributorem 9 je výstup 8 pro ložový popel. Nad vstupem 4 palivové směsi je uspořádán reaktor obsahující tryskající fluidní vrstvu 11 a nad ní nadvrstvový prostor 12, přičemž ve víku reaktoru je uspořádán vstup 13 měřiče pro měření teploty a odvod 15 pro analýzu plynu a obsahu dehtu. Ve víku reaktoru je dále zabudován uzavíratelný manipulační prostor 14 pro uvádění nebo doplňování materiálu fluidní vrstvy.

Za nadvrstvovým prostorem 12 je uspořádán cyklonový odlučovač 16, v jehož horní části je odvod 19 pro analýzu plynu a obsahu ulétavého popílku a stopových prvků, komín 17 pro odvod ulétavého popílku, a ve spodní části cyklonového odlučovače 16 je odvod cyklonového popílku do popelníku 20.

Do držáku distributoru 9 lze podle potřeby vkládat různé typy distributorů, což umožňuje měnit hydrodynamické režimy pomocí snadné výměny distributoru, kterým do fluidní vrstvy vstupuje zplyňovací médium. Díky tomu je možno modelovat procesy probíhající v různě konstruovaných průmyslových fluidních zplyňovacích reaktorech.

Reaktor obsahující fluidní vrstvu 11 a nadvrstvový prostor 12 je opatřen otopnými tělesy elektrickým ohřevem JO, která zajišťují ohřev reakční zóny, s výhodou s nezávislou regulací teploty jednotlivých otopných těles 10, která umožňuje variabilitu reakčních podmínek. Díky tomu je možné nastavit zvlášť teplotu ve fluidní vrstvě 11 a v prostoru nad fluidní vrstvou 12. Palivová směs je dávkována ze dvou zásobníků 1 na vstup 4 palivové směsi pomocí suvného dávkovače. Chod suvného dávkovače, tedy střídavý posun suvné desky 3 je zajišťován pneumatickou pohonnou jednotkou 2, palivo je unášeno pneumotransportem 5 k vstupu palivové směsi 4. V jednom zásobníku 1 je uhlí, v druhém zásobníku 1 biomasa.

Obr. 2 znázorňuje schematicky distributor 9 plynu, který má v části své délky tvar komolého kužele s větší podstavou na straně fluidní vrstvy 11 a menší podstavou na straně vstupu 7 zplyňovacích médií a s úhlem zkosení při větší podstavě v rozmezí 45° až 60°. Obr. 3 znázorňuje schematicky roštový otvor distributoru 9, který má ve své části na straně vstupu 7 zplyňovacích médií kónický tvar zužující se směrem k fluidní vrstvě 11 a ve své části na straně fluidní vrstvy 11 má tvar válcový.

Obr. 4 schematicky znázorňuje oblast vstupu paliva do reaktoru na konci dávkovači trati 5. Ve spodní části vstupu chladiče 6 do oblasti fluidní vrstvy 11 je uspořádána tvarová zarážka 23 (deflektor), která zamezuje žhavému materiálu pulzující fluidní vrstvy 11 pronikat do trubičky přivádějící palivo.

V popsaném zařízení byla provedena série měření, během níž bylo postupně měněno složení zplyňovacího média a materiálu fluidní vrstvy. Měření byla také prováděna za různých teplot fluidní vrstvy a prostoru nad fluidní vrstvou. Z vyhodnocených výsledků složení produkovaného plynu byly identifikovány optimální podmínky zplyňování dané palivové směsi.

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle předkládaného vynálezu je vhodné zejména pro zkoumání chemizmu termochemické transformace zrnitého uhlíkatého materiálu na výhřevný generátorový plyn obsahující jako hlavní palivové složky CO, H2, CH4 a C_xH_y působením zplyňovacích médií a vysoké teploty, ve čtvrtprovozním měřítku.

Zařízení podle vynálezu lze využít zejména v případech, kdy je plánována stavba fluidní zplyňovací jednotky v průmyslovém měřítku a je potřeba předem otestovat různé operační podmínky, na jejichž základě je možno navrhnout konstrukci daného zařízení.

Dále je možné zařízení využít při uvažované změně paliva v již existujících jednotkách pro testování konkrétní palivové směsi za daných operačních podmínek.

Seznam vztahových značek:

- zásobníky paliva

- pneumatická pohonná jednotka

- suvná deska

- vstup palivové směsi

- dávkovači trať (pneumotransport)

- chladič

- vstup předehřátého zplyňovacího média

- výstup ložového popela

- distributor — topná tělesa (elektrický ohřev) — tryskající fluidní vrstva — nadvrstvový prostor — vstup měření teploty — prostor pro dosyp materiálu fluidní vrstvy — odvod pro analýzu plynu a obsah dehtu — cyklonový odlučovač — komín — odvod pro analýzu plynu a obsah ulétavého popílku a stopových prvků — popelník — deflektor

Šipky na obrázcích znázorňují směr toku paliva, zplyňovacích médií, případně plynů.

Claims (11)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro fluidní zplyňování tuhých paliv, mající vstup (7) zplyňovacích médií, perforovaný distributor (9), podavač paliva a cylindrický reaktor, vyznačující se tím, že obsahuje mísič plynných zplyňovacích médií, za nímž je zařazen nebo v němž je integrován předehřívač zplyňovacích médií, z něhož je předehřátá směs zplyňovacích médií vedena vstupem (7) směsi zplyňovacích médií k distributoru (9), nad nímž je umístěn vstup (4) zplyňované palivové směsi, oddělený od oblasti nad distributorem (9) chladičem (6), přičemž nad vstupem (4) palivové směsi je uspořádán cylindrický reaktor obsahující tryskající fluidní vrstvu (11) a nad ní nadvrstvový prostor (12), přičemž ve víku reaktoru je vstup (13) měřiče teploty procházejícího celou konstrukci až k distributoru a popřípadě i alespoň jeden výstup (15) pro analýzy složení a množství produktů, za nadvrstvovým prostorem (12) je uspořádán cyklonový odlučovač (16), z nějž je veden alespoň jeden výstup (19) pro analýzy složení a množství produktů.
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že distributor (9) má alespoň v části své délky tvar komolého kužele s větší podstavou na straně fluidní vrstvy (11) a menší podstavou na straně vstupu (7) zplyňovacích médií a s úhlem zkosení při větší podstavě v rozmezí 45° až 60°, a je opatřen roštovými otvory, které mají ve své části na straně vstupu (7) zplyňovacích médií kónický tvar zužující se směrem k fluidní vrstvě (11) a ve své části na straně fluidní vrstvy (11) mají tvar válcový.
3. 3. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že distributor (9) je uspořádán vyměnitelně.
4. 4. Zařízení podle kteréhokoliv z přecházejících nároků, vyznačující se tím, že ve spodní části vstupu chladiče (6) do oblasti fluidní vrstvy (11) je uspořádána tvarová zarážka (22).
5. 5. Zařízení podle kteréhokoliv z přecházejících nároků, vyznačující se tím, že poměr průměru horní části fluidní vrstvy : průměru spodní části fluidní vrstvy je 1,5 až 3 : 1.

   5. Zařízení podle kteréhokoliv z přecházejících nároků, vyznačující se tím, že poměr výšky nadvrstvového prostoru : průměru horní části fluidní vrstvy je 20 až 30 : 1.

   • 9
6. 7. Zařízení podle kteréhokoliv z přecházejících nároků, vyznačující se tím, že před vstupem (4) palivové směsi je předřazen suvný dávkovač obsahující dva zásobníky (1) paliva, jejichž výstupy směřují na suvnou desku (3), dále obsahující pneumatickou pohonnou jednotku (2) zajišťující protisměrné posuny suvné desky (3) a pneumotransport (5) zajišťující unášení paliva dávkovači tratí.
7. 8. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že suvná deska (3) je opatřena dávkovacími cylindrickými nebo konickými otvory s hladkými stěnami, jejichž průměr je alespoň 5x až lOx větší než střední sítová velikost částic palivové směsi.
8. 9. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že suvná deska (3) je z plastového materiálu s hladkým povrchem, s výhodou z poly(tetrafluorethylen)u.
9. 10. Zařízení podle nároku 7, vyznačující se tím, že dávkovači trať (5) je opatřena transparentním prvkem.
10. 11. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že reaktor je opatřen několika samostatnými polocylindrickými topnými tělesy (10), s výhodou s nezávislou regulací teploty jednotlivých topných těles (10).
11. 12. Zařízení podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že ve víku reaktoru je dále zabudován uzavíratelný manipulační prostor alespoň se dvěma uzávěry (14) pro uvádění nebo doplňování materiálu fluidní vrstvy.