CZ293239B6 - Způsob zkapalňování tuhých organických hmot - Google Patents

Abstract

Zkapalňování tuhé organické hmoty, jako je například dřevo, sláma, pěstované rostliny a další rostlinný odpad v zařízení, ve kterém se vlastní vyprodukovaný pyrolyzní plyn, mechanicky vyčištěný a kondenzujících par zbavený, cirkuluje jednak jako teplonosné médium, jednak vytváří antioxidační atmosféru nutnou pro pyrolyzní proces a jednak jeho přebytek po spálení dodává teplo pro ohřev sama sebe. Protože některé druhy organických hmot neprodukují dostatečně velký přebytek plynu, potřebný pro ohřev, získává se chybějící tepelná energie spalováním CO-plynu získaného zplyněním vyprodukovaného karbonu.ŕ

Description

Způsob zkapalňování tuhých organických hmot

Oblast techniky

Fyzikálně-chemická podstata zkapalňování tuhé organické hmoty, jako je například dřevo, sláma, pěstované rostliny a další rostlinný odpad, byla postupně objevena a experimentálně ověřena řadou světových laboratoří. Podstatou procesu je velmi rychlý rozklad organické hmoty působením tepla za nepřístupu okysličovadla. Vzniklý plyn pak obsahuje uhlovodíkové páiy, které po vykondenzování tvoří kapalinu zvanou souhrnně pyro-olej, nebo též bio-olej. Čím rychleji rozklad proběhne a čím rychleji se plyn ochladí, tím větší podíl průmyslově využitelných chemických sloučenin pyro-olej obsahuje. Pyro-olej je hlavním produktem zkapalňovacího procesu a má význam jako kapalné palivo nebo jako surovina pro zpracování v chemickém průmyslu. Vedlejšími produkty jsou pyrolyzní plyn a karbon.

Dosavadní stav techniky

Experimentálně bylo prokázáno, že k termickému rozkladu tuhé organické hmoty dochází v rozpětí 250 až 600 °C. Bylo také prokázáno, že pokud termický rozklad probíhá s gradientem větším než 100 °C/sec, mění se výrazným způsobem vzájemný váhový podíl pevných, plynných a kapalných složek ve výstupních produktech ajejich fyzikálně-chemické vlastnosti ve srovnání stermickým rozkladem, který probíhá pomaleji. Jev je označován jako rychlá pyrolýza, a při gradientu na 1000 °C/sec jako explozivní pyrolýza. A protože teprve rychlá pyrolýza tuhých organických hmot poskytla dostatečné množství průmyslově využitelných kapalných produktů, stala se základním předpokladem aplikace při zkapalňování.

V současnosti existuje ve světě řada zařízení produkujících pyro-olej pro komerční využití. Jednotlivá zařízení se od sebe odlišují způsobem přenosu tepla na organickou hmotu, ziskem pyro-oleje z váhové jednotky vsázky a konstrukčními úpravami hlavní jednotky - pyrolyzního reaktoru - podle charakteru zkapalňované organické hmoty.

Podle způsobu, kterým v reaktoru probíhá proces pyrolýzy a podle způsobu, jímž je v reaktoru dosahováno žádaného teplotního gradientu pro rychlou pyrolýzu jsou v současnosti známé způsoby rozlišovány takto:

- způsoby využívající reaktor s pevným, nákladným ložem;

- způsoby využívající reaktor s pohyblivým ložem;

- způsoby využívající reaktor s ablativním rotorem;

- způsoby využívající reaktor s fluidním (čeřeným) ložem;

- způsoby využívající reaktor s fluidním cirkulačním ložem;

- způsoby využívající reaktor se zplyňováním ve vznosu;

- způsoby využívající reaktor s kónickým rotorem;

- způsoby využívající gravitační reaktor.

Jedním z příkladů provedení je zařízení využívající reaktor s pohyblivým ložem, kde reaktor tvoří uzavřená komora, v níž je kontinuálně dodávaná organická hmota horizontálně posouvaná šnekovým dopravním zařízením. Teplo pro pyrolýzu je předáváno nepřímo sáláním přes stěnu komory,

-1 CZ 293239 B6 (< 'k oddělující spalovací prostor od prostoru, v němž se nachází dopravní šnek. Ve spalovacím prostoru je obvykle spalováno cizí plynné nebo tuhé palivo a případně i vlastní vedlejší produkty.

Tento způsob je též modifikován tak, že v prostoru s organickou hmotou je udržován podtlak.

Jinou obdobou zařízení s reaktorem s pohyblivým ložem je zařízení, kde organická hmota je uvnitř reaktoru horizontálně posouvána v korytě s topným pláštěm. Teplonosným médiem jsou tekuté soli ohřáté v odděleném ohřívači a cirkulující mezi tímto ohřívačem a topným pláštěm. Teplo je napřed nepřímo ze spalin předáváno tekuté soli, aby pak následně bylo opět nepřímo předáno organické hmotě posouvané v korytě. Aby bylo zabráněno možnému ochlazování pyro10 lyzního plynu ještě uvnitř reaktoru, je vyvinutý pyro-plyn z reaktoru vysáván vývěvou.

Příkladem provedení zařízení využívajícího reaktor s kónickým rotorem je zařízení, kde organická hmota je v průběhu pyrolýzy vynášena odstředivými silami z kořene rotujícího kužele kjeho okraji. Teplonosným médiem je ohřátý křemičitý písek, který je přimíchán k organické hmotě 15 v kořeni kuželu. Teplo je organické hmotě předáváno uvnitř rotoru, a to přímým stykem ve směsi organické hmoty a předehřátého křemičitého písku. Jedná se o kombinovaný způsob předávání tepla, při kterém písek koluje mezi zplyňovacím prostorem reaktoru a odděleným ohřívačem písku. V ohřívači je písek ohříván přímo, a to spalováním karbonu, který vzniká jako vedlejší produkt při zplyňování organické hmoty, a který je v tomto případě vynášen z reaktoru spolu 20 s pískem jako směs.

Příkladem provedení zařízení využívajícího reaktor s fluidním (čeřeným) ložem je zařízení, kde organická hmota je dávkována do fluidní vrstvy tvořené jemnozmným křemičitým pískem. Fluidní vrstva (fluidní lože) se vytváří uvnitř reaktoru nad pevnou mřížkou, a to díky proudění 25 fluidizačního plynu ve vertikálním směru skrz pevnou mřížku. Teplo je organické hmotě předáváno přímým stykem hmoty s fluidním ložem. Fluidní lože je ohříváno nepřímo spalinami, které proudí trubkovým výměníkem umístěným nad pevnou mřížkou. Rychlost proudění fluidního média a granulovitost písku fluidního lože jsou zvoleny v poměru ke zplyňované organické hmotě tak, aby nedocházelo k vynášení písku z reaktoru spolu s karbonem a vyvíjeným pyro30 lyzním plynem.

Realizovaná zařízení ukazují, že hlavní nevýhodou způsobů využívajících reaktor s pohyblivým ložem je dlouhá doba a malá účinnost ohřevu. To se také projevuje nižší výtěžností pyro-oleje. Hlavní výhodou je možnost zpracování organické hmoty s vyšší granulovitostí a zaručená 35 hermetičnost procesu.

Podobně hlavní nevýhodou způsobu využívajícího kónický reaktor je abraze zařízení způsobená pískem, podíl mechanických částic ve vyrobeném pyro-oleji, nutnost předpřípravy organické hmoty na malou granulovitost a omezené kapacitní možnosti. U tohoto způsobu nevzniká karbon 40 jako produkt, protože je spotřebován uvnitř procesu. Hlavní výhodou tohoto způsobu je však extrémně rychlé, až explozivní zplynění organické hmoty a velmi krátká doba pro možnost vzájemné chemické reakce organických par v pyrolyzním plynu. Tento způsob má také největší výtěžnost pyro-oleje připadající na váhovou jednotku vsazené organické hmoty.

Realizovaná zařízení využívající reaktor s fluidním ložem ukazují, že hlavní nevýhodou tohoto způsobu zkapalňování je podíl mechanických částic ve vyrobeném pyro-oleji a nutnost předpřípravy organické hmoty na malou granulovitost. Nevýhodou jsou také vynucené konstrukční úpravy dané poměiy uvnitř fluidního lože podle druhu zplyňované organické hmoty. Výhodou je, že vyrobený karbon je možno zplyňovat uvnitř reaktoru a že fluidní lože může být chemicky 50 aktivní a tím může přímo ovlivňovat fyzikálně-chemické vlastnosti produkovaného pyro-oleje.

-2CZ 293239 B6

Podstata vynálezu

Základním charakteristickým znakem způsobu podle předmětného vynálezu je, že k rychlému termickému rozkladu dojde přímým stykem mezi organickou hmotou a plynem ohřátým na procesní teplotu, která obvykle bývá vyšší než 600 °C. Organická hmota se přitom nachází ve vznosu.

Přehled obrázků na výkresech

Příklad provedení zařízení, které má takové znaky, je zjednodušeně vyznačeno na přiloženém obrázku.

Příklad provedení vynálezu

Reaktor 1 tvoří vertikální kruhový kanál, do něhož je zespodu přiváděno ohřáté teplonosné plynné médium a do kterého se ze zásobníku 9 dávkuje organická hmota vhodné granulovitosti, určená ke zkapalnění. Vzhůru proudící horký plyn sebou unáší dávkovanou organickou hmotu a bezprostředně jí předává svoje teplo. Dojde k extrémně iychlému zplynění, přičemž tepla zbavené teplonosné médium je nyní obohaceno nově vyvinutým pyrolyzním plynem, uhlovodíkovými parami a zuhelnatělým tuhým zbytkem - karbonem. Plynná směs je dále vedena do odlučovače karbonu 2 a dále do kondenzátoru par 3, kde se plyn ochladí. Vykondenzovanou kapalinou je pyro-olej. Aby byla kondenzace par z plynu co nejúčinnější, nastříkává se nad horní patro kondenzátoru vlastní, v chladiči 8 ochlazený již dříve vyprodukovaný pyro-olej, shromažďovaný v nádrži 7 pod kondenzátorem 3. Mechanicky vyčištěný a par zbavený tak zvaný pyrolyzní plyn je odsáván dmychadlem 5 a rozdělen na část cirkulační a část užitnou. Plyn obsahuje hořlavé složky a tím je vhodný jako plynné palivo. Plyn neobsahuje kyslík a pokud mu není přivedeno okysličovadlo, chová se inertně a je schopen vytvářet antioxidační prostředí. Cirkulační část plynu je proto zavedena do ohřívače 4 jako teplonosné médium. Užitná část plynu je naopak vedena k hořáku spalovacího prostoru ohřívače 4 jako palivo. Vlastní vyprodukovaný pyrolyzní plyn tak cirkuluje zařízením jednak jako teplonosné médium současně vytvářející antioxidační atmosféru nutnou pro pyrolyzní proces, jednak jeho přebytek po spálení v hořácích ohřívače 4 dodává teplo pro ohřev sama sebe.

Protože některé druhy organických hmot neprodukují dostatečně velký přebytek plynu potřebný pro ohřev, je chybějící tepelná energie získána spalováním CO-plynu. Ten se získá zplyněním odloučeného karbonu v samostatném zplynovači 6. Aby bylo zplynění co nejúčinnější, a vyrobený CO-plyn obsahoval co nejvíce kysličníku uhelnatého, také vodík a co nejméně dusíku, je do zplynovače 6 dodáváno spolu s okysličovadlem regulované množství vodní páiy. Vodní pára je získána z okruhu vodního chlazení pláště zplyňovače. Tento doplňkový zdroj plynného paliva může též posloužit jako startovací zdroj energie pro ohřívač 4 v počátečních stádiích ohřívacího procesu kdy se vlastní pyrolyzní plyn ještě nevyvíjí.

Aby vyvíjený pyrolyzní plyn uvnitř reaktoru nepřicházel do styku s místy, jejíchž teplota by byla nižší než 380 °C, je vnější plášť reaktoru temperován zbytkovým teplem spalin odváděných z reaktoru.

Průmyslová využitelnost

Pyro-olej, získaný jako produkt ze zařízení, kterým se provádí způsob podle vynálezu, má vlastnosti využitelné v energetice a v chemickém průmyslu. Existující aplikace se nedají vyjmenovat pro jejich značný počet. Příkladem je bio-olej vyrobený ze dřeva dále zpracováván na sacharin, nebo je chemicky upravován a přidáván do benzinu jako aditivum, nebo je po chemické úpravě používán jako palivo do vznětových motorů, dále je používán přímo jako tekuté palivo pro kapalinové hořáky, nebo jako palivo pro spalovací turbíny, neboje využíván jako surovina při výrobě některých plastických hmot.

Zařízení, které bude využívat způsob podle vynálezu by také bylo účinným alternativním zdrojem elektrické a tepelné energie zpracovávající nekontaminovaný dřevní odpad z lesních a dřevozpracujících závodů nebo rostlinné zbytky ze zemědělské výroby. K tomu účelu by muselo být takové zařízení doplněno tříděním, drcením a předsušením dřeva, a dále zařízením na filtraci pyro-oleje a jeho přeměnu na elektrickou energii, například ve spalovací turbínové kogenerační jednotce. Vyrobené teplo by bylo využitelné pro předsušení dřeva, nebo k vytápění prostor průmyslové a občanské výstavby.

Claims (3)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob zkapalňování tuhých organických hmot, při němž se pyro-olej získává kondenzací organických par obsažených v plynu vyvíjejícím se termickým rozkladem organické hmoty ve vznosu uvnitř reaktoru (1), vyznačující se tím, že antioxidační prostředí v reaktoru (1) a teplo potřebné pro rychlý termický rozklad do reaktoru (1) kontinuálně dodávané organické hmoty zajišťuje vlastní v reaktoru (1) vyvinutý, v odlučovači (2) tuhých podílů zbavený, v kondenzátoru (3) od organických par odloučený, jako teplonosné médium za kondenzátorem (3) oddělený, v ohřívači (4) ohřátý a zpět do reaktoru (1) dmychadlem (5) dopravený pyrolyzní plyn.

2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že jako paliva pro ohřev teplonosného média se v ohřívači (4) využívá zbytku vyrobeného pyrolyzního plynu po oddělení teplonosného média.

3. Způsob podle nároku 1,vyznačující se t í m , že jako doplňkového zdroje plynného paliva pro ohřev teplonosného média v ohřívači (4) se využívá CCX-plynu, získaného zplyněním v odlučovači (2) odděleného karbonu směsi okysličovadla a vodní páry v samostatném zplyňovači (6).