CZ308375B6

CZ308375B6 - Způsob konverze uhlíkatého materiálu na syntézní plyn s nízkým obsahem dehtu

Info

Publication number: CZ308375B6
Application number: CZ2017-802A
Authority: CZ
Inventors: Steve Kresnyak; Pavel Záhořík
Original assignee: Air Technic S.R.O.
Priority date: 2016-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2020-07-08
Also published as: HRP20220785T1; MX2019003588A; US20180086994A1; SI3519537T1; AU2017333732B2; EP3519537B1; RU2714816C1; PH12019500607A1; BR112019006163A2; CA2989862A1; CN109906264A; AU2017333732A1; CL2019000833A1; CA2989862C; BR112019006163B1; WO2018058252A1; DK3519537T3; EP3519537A4; EP3519537A1; CZ2017802A3

Abstract

Při kontinuálním vícestupňovém vertikálním způsobu konverze pevného uhlíkatého materiálu na syntézní plyn s nízkým obsahem dehtu se uhlíkatý materiál vede směrem dolů pyrolýzní zónou, kde se provádí pyrolýza uhlíkatého paliva na pyrolýzní páry (26), které směřují do parciálně oxidační zóny, oddělené od pyrolýzní zóny pomocí separačního členu (32). Separační člen (32) dále směřuje pyrolýzní zbytek (24) z pyrolýzní zóny do redukční zóny, kde se na šikmém děrovaném dně (42) o sklonu (θ) tvoří pyrolýzní zbytkové lože (28) s jednotnou hloubkou (d) a jednotnou šířkou (h) surového pyrolýzního zbytku. Úhel sklonu děrovaného dna (42) je v rozmezí ±30° od přirozeného úhlu sklonu pyrolýzního zbytku. Děrované dno (42) je umístěno ve vzdálenosti (D) od separačního členu (32). Uprostřed redukční zóny je umístěný deflektor (48). Při průchodu syntézního plynu pyrolýzním zbytkovým ložem (28) se provádí endotermní reakce a reguluje se pokles tlaku redukční zóny, doba zdržení a prostorová rychlost toku syntézního plynu. Tímto způsobem vzniká syntézní plyn (49) v podstatě bez dehtu, který se vede v protiproudém toku směrem nahoru za účelem nepřímého ohřevu pyrolýzní zóny. Dekarbonizovaný pyrolýzní zbytek (52) se odvádí z dolního lože (54) výstupním portem (56). Řešení obsahuje také zařízení k provádění tohoto způsobu.

Description

Způsob konverze uhlíkatého materiálu na syntézní plyn s nízkým obsahem dehtu

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká oblasti zplyňování uhlíkaté suroviny/paliva a obzvláště způsobu a systému konverze uhlíkatých palivových materiálů na čistý vysoce kvalitní syntézní plyn v podstatě bez dehtů a pro výrobu čistého popílku v podstatě bez obsahu uhlíku.

Dosavadní stav techniky

Zplyňování může konvertovat materiály s obsahem uhlíku na použitelné chemické produkty. Tyto chemické produkty obvykle zahrnují syntézní plyn (syngas), který může být dále spalován za účelem výroby elektřiny nebo chemicky reagovat za účelem výroby oxygenátů nebo uhlovodíků v katalytických systémech.

Některé typy metod zplyňování a pyrolýzy a zařízení byly vyvinuty za účelem dosažení účinné konverze biomasy na čisté plynné produkty. Mnoho zplyňovacích procesů známých v dosavadním stavu techniky selhalo kvůli nedostatečné pozornosti k nízké produkci dehtu, efektivním destrukcím a úplné dekarbonizaci uhlu a popele.

Existující protiproudé zplynovače vyžadují velmi vysoce kvalitní dřevní paliva nebo biomasu, jako jsou dřevěné bloky bez popelu nebo vysoce kvalitní dřevěné štěpky, a nemohou se rozšířit na ekonomicky atraktivní měřítka bez výrazně zvýšené produkce dehtu. Vícestupňové protiproude zplynovače, které zahrnují oddělené zóny pro pyrolýzu paliva, parciální oxidaci a redukci plynového lože, byly také vyvinuty, avšak tyto zplynovače známé v oboru mají také za následek podstatné množství produkce dehtu, významné hladiny dehtu zadržované v syntézním plynu a popel s obsahem velmi vysokých hladin nekonvertovaného obsahu uhlíku.

Patent CZ 295171 B6 zveřejňuje zplynovač biomasy s třemi zónami, který zahrnuje vertikálně orientované, vzájemně vnořené válcové kontejnery definující sušicí komoru, destilační komoru anebo kombinovanou komoru redukce & spalování. Zplynovač je konfigurován tak, že plynná směs, která je generována v komorové sušárně a destilačních komorách, může být vyčerpána a přivedena přes bypass do kombinované redukční/spalovací komory pro další spalování a redukci na požadované složky plynu. Tento zplynovač je konstrukčně komplikovaný a je známý pro jeho špatnou ovladatelnost a flexibilitu výkonu.

PCT publikace WO 2015/090251 AI zveřejňuje zařízení pro vícestupňové zplyňování uhlíkatých paliv, které zahrnuje hermeticky uzavřený vertikální kontejner, který je vybaven izolací. Uvnitř vertikálního kontejneru je komora pyrolýzy, která je uzpůsobena pro plnění uhlíkatým palivem zvýše uvedeného kontejneru. Pod komorou pyrolýzy je poskytnuta komora pro parciální oxidaci produktu pyrolýzy, která je ohraničena žáruvzdorným pláštěm a za komorou parciální oxidace následuje redukční zóna pro chemickou redukci oxidovaného plynného produktu.

Zařízení/systémy, jak jsou zveřejněny v CZ 295171 B6 a WO 2015090251 AI, mají za následek značné množství dehtu v plynných produktech, který zase ucpává čisticí zařízení používaná pro čištění plynných produktů. Dále tyto systémy nemají žádné prostředky pro efektivní řízení redukční reakce a selhaly při výrobě konzistentního toku a kvalitního syntézního plynu.

Například v systému popsaném v přihlášce WO 2015090251 AI zbytky získané po krocích pyrolýzy a/nebo oxidace proudí dolů a shromažďují se na dně zplynovače za vzniku redukčního lože. Jak je dobře známo v oboru, že pyrolýza/oxidace vytváří nerovné/nerovnoměmé lože v důsledku úhlu sklonu padajícího materiálu. Výškový rozdíl mezi středovou částí a obvodovou částí těchto loží je tak velký, že tlaková ztráta plynů procházejících ložem má negativní dopad a

- 1 CZ 308375 B6 efektivní endotermická reakce se nemůže dosáhnout za účelem zvýšení kalorické hodnoty vyrobeného plynu.

CZ 28354 U1 zveřejňuje protiproudy zplynovač, zahrnující vertikálně skládanou pyrolýzní komoru, oxidační komoru a redukční komoru, kde byl proveden pokus, jak zlepšit kvalitu vyrobeného syntézního plynu tím, že se poskytne homogenizátor na dně redukční komory. Avšak toto uspořádání také selhává při poskytování uhelného lože o stejnoměrné hloubce a podporuje vznik kanálků syntézního plynu a má za následek nežádoucí výsledky.

WO 2016075362 AI popisuje metodu a zařízení pro zplyňování surového materiálu při pokusu vytvořit plynné produkty s nízkým obsahem dehtu, kde surový materiál je podroben pyrolýze za přítomnosti pyrolýzního vzduchu za vzniku pyrolýzního produktu, přičemž pyrolýzní produkt se potom přivádí do nižší části zplynovače, kde primární vzduch je přiváděn protiproudně k nižší části, s následným provedením finálního zplyňování v nižší části zplynovače za účelem vytvoření zplyněného plynu. Zplyněný plyn je potom přiveden do části katalytické oxidace a před katalytickou vrstvu části katalytické oxidace a reformování zplyněného plynu pomocí katalytické oxidace za přítomnosti reformujícího vzduchu v části katalytické oxidace, za účelem vytvoření plynného produktu. Tato reference neuvádí žádné prostředky pro efektivní řízení redukčních reakcí a selhala by při výrobě konzistentního toku a kvalitě vyrobeného plynu.

Proto existuje poptávka po způsobu a systému zplyňování uhlíkatého materiálu za vzniku konzistentních čistých plynných produktů, jako je syntézní plyn, zatímco se podstatně sníží obsahy dehtu.

Tyto informace z dosavadního stavu techniky jsou poskytnuty za účelem odhalení informací, které mají pro přihlašovatele možnou relevanci pro předkládaný vynález. Žádné stanovisko není nutně myšleno, ani by nemělo být vykládáno tak, že jakákoliv z předcházejících informací tvoří dosavadní stav techniky vůči předkládanému vynálezu.

Podstata vynálezu

Cílem předkládaného vynálezu je poskytnout způsob konverze uhlíkatého palivového materiálu na syntézní plyn s nízkým obsahem dehtu.

V souladu s aspektem předkládaného vynálezu je k dispozici kontinuální vícestupňový vertikálně uspořádaný zplyňovací způsob konverze pevného palivového materiálu na čistý (s nízkým obsahem dehtu) syntézní plyn ve zplyňovacím zařízení, které zahrnuje:

i) pyrolýzní zónu, ii) parciální oxidační zónu, umístěnou vertikálně za pyrolýzní zónou a oddělenou od pyrolýzní zóny pomocí separačního členu, který zahrnuje velké množství směrem nahoru orientovaných větracích otvorů;

iii) redukční zónu, umístěnou vertikálně za zónou parciální oxidace a zahrnující skloněné děrované dno, jeden nebo více otvorů umístěných centrálně vzhledem k děrovanému dnu a centrálně umístěný deflektor; přičemž dno je skloněno dolů a dovnitř směrem k jednomu nebo více otvorům, kde děrované dno je konfigurováno velikostí děrování v něm tak, že primárně umožňuje průchod syntézního plynu a inhibuje průchod pyrolýzního zbytku získatelného v pyrolýzní zóně;

přičemž způsob zahrnuje následující kroky:

-2CZ 308375 B6

a) přivádění uhlíkatého palivového materiálu horní částí pyrolýzní zóny vertikálně dolů směrem k nižší části pyrolýzní zóny, zatímco se provádí pyrolýza paliva na pyrolýzní páry zahrnující uhlovodíkový materiál a surový pyrolýzní zbytek zahrnující uhel a popel;

b) případně přidání prvního oxidantu do nižší části pyrolýzní zóny za účelem dosažení teploty vyšší než 200 °C;

c) směrování pyrolýzních par do parciální oxidační (POX) zóny a směrování pyrolýzního zbytku směrem dolů do redukční zóny pomocí separačního členu;

d) přidání druhého oxidantu v parciální oxidační zóně za účelem dosažení teploty dostatečné pro reformování pyrolýzních par na surový syntézní plyn s obsahem značně snížených hladin dehtu;

e) vytvoření lože pyrolýzního zbytku s jednotnou hloubkou ze surového pyrolýzního zbytku vytvořeného v kroku c) na dně redukční zóny;

f) průchod surového syntézního plynu z kroku d) směrem dolů přes surové lože pyrolýzního zbytku vytvořené v kroku e) a provedení endotermické reakce mezi CO2 a/nebo H2O v surovém syntézním plynu a uhlíkem uhlu v pyrolýzním zbytkovém loži, zatímco se reguluje pokles tlaku v redukční zóně, doba zdržení a prostorová rychlost toku surového syntézního plynu během endotermické reakce za vzniku lepšího syntézního plynu v podstatě bez obsahu dehtu a dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku;

g) průchod lepšího syntézního plynu v podstatě bez obsahu dehtu z kroku f), v protiproudem toku nahoru, za účelem zahřívání pyrolýzní zóny a následně chlazení lepšího syntézního plynu v podstatě bez obsahu dehtu;

h) jímání lepšího syntézního plynu; a

i) jímání dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku ze dna zplynovače.

V souladu s aspektem předkládaného vynálezu je k dispozici systém kontinuálního vícestupňového vertikálně uspořádaného zplyňovacího způsobu konverze pevného uhlíkatého palivového materiálu na čistý (s nízkým obsahem dehtu) syntézní plyn, přičemž systém zahrnuje:

i) pyrolýzní zónu pro konverzi paliva na pyrolýzní páry zahrnující uhlovodíkový materiál a uhlíkem obohacený surový pyrolýzní zbytek zahrnující uhel a popel;

ii) parciální oxidační zónu umístěnou vertikálně za pyrolýzní zónu pro konverzi uhlovodíkového materiálu v pyrolýzních párách na surový syntézní plyn zahrnující H2, CO a CO2;

iii) endotermickou redukční zónu, umístěnou vertikálně za parciální oxidační zónou pro konverzi surového syntézního plynu na lepší syntézní plyn a pro redukci obsahu uhlíku surového pyrolýzního zbytku za účelem získání dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku;

iv) separační člen, umístěný mezi pyrolýzní zónou a parciální oxidační zónou, přičemž separační člen zahrnuje větší počet směrem nahoru orientovaných větracích otvorů, a tím umožní průchod pyrolýzních par do parciální oxidační zóny a inhibuje průchod surového pyrolýzního zbytku, a separační člen je konfigurován pro směrování pyrolýzního zbytku do redukční zóny;

v) výstupní port pro dekarbonizovaný pyrolýzní zbytek, umístěný za redukční zónou;

ví) výstup pro lepší syntézní plyn, umístěný za redukční zónou;

-3 CZ 308375 B6 vii) redukční zónu zahrnující šikmé děrované dno, jeden nebo více otvorů umístěných centrálně vzhledem k děrovanému dnu a centrálně umístěný deflektor, přičemž dno je šikmo dolů a dovnitř směrem k jednomu nebo více otvorům, a děrování má velikost pro průchod surového syntézního plynu směrem k výstupu pro lepší syntézní plyn a pro zamezení průchodu surového pyrolýzního zbytku, a jeden nebo více otvorů je ve fluidní komunikaci s výstupním portem a konfigurován(o) pro umožnění průchodu dekarbonizováného pyrolýzního zbytku.

Objasnění výkresů

Obrázek 1 je schématické zobrazení znázorňující systém v souladu s provedením podle předkládaného vynálezu.

Obrázek 2 je schematické zobrazení znázorňující oxidační a redukční zóny sytému v souladu s jedním provedením předkládaného vynálezu.

Obrázek 3 je schematické zobrazení znázorňující oxidační a redukční zóny systému v souladu s jedním provedením předkládaného vynálezu.

Obrázek 4 je schematické zobrazení znázorňující oxidační a redukční zóny zplyňovacího zařízení a způsobu z dosavadního stavu techniky;

Obrázek 5 je schematické zobrazení znázorňující oxidační a redukční zóny dalšího zplyňovacího zařízení a způsob z dosavadního stavu techniky;

Příklady uskutečnění vynálezu

Definice

Jak se používá v toto dokumentu, termín „asi“ se týká +/-10% odchylky od nominální hodnoty. Je zřejmé, že tato odchylka je vždy zahrnuta do uvedené hodnoty poskytnuté v tomto dokumentu, aniž to je či není specificky uvedeno.

Termín „uhlovodíkový materiál“ používaný v tomto dokumentu zahrnuje uhlovodíky, jako je methan, a další materiál s obsahem uhlovodíku získaného pyrolýzou paliva, který se obecně uvádí jako dehty nebo organické dehty nebo biologické dehty.

Termín „uhel“ používaný v tomto dokumentu zahrnuje pevný materiál, který zůstává poté, co lehké plyny a dehet byly odvedeny nebo uvolněný z uhlíkatého materiálu během počátečního stádia rozkladu biomasy, což je známo jako karbonizace, uhelnatění, devolatilizace nebo pyrolýza.

Pokud není definováno jinak, všechny technické a vědecké termíny používané v tomto dokumentu mají stejný význam, jak je obvykle chápán odborníkem v oboru, do kterého tento vynález patří.

V jednom aspektu předkládaného vynálezu je k dispozici kontinuální vícestupňový vertikálně sekvencovaný zplyňovací způsob konverze pevného uhlíkatého palivového materiálu na čistý (s nízkým obsahem dehtu) syntézního plynu ve zplynovači, který zahrnuje pyrolýzní zónu, parciální oxidační zónu, umístěnou vertikálně za pyrolýzní zónou, a redukční zónu, umístěnou vertikálně za parciální oxidační zónou, a který zahrnuje šikmé děrované dno/bázi, jeden nebo více otvorů, umístěných radiálně dovnitř děrovaného dna, a centrálně umístěný deflektor. Dno je šikmo dolů a

-4CZ 308375 B6 dovnitř směrem k jednomu nebo více otvorům, kde děrované dno je konfigurováno velikostí děrování v něm, takže primárně umožňuje průchod syntézního plynu a inhibuje průchod pyrolýzního zbytku získatelného v pyrolýzní zóně.

Způsob podle předkládaného vynálezu je proveden přiváděním uhlíkatého palivového materiálu horní částí pyrolýzní zóny vertikálně dolů směrem k dolní části pyrolýzní zóny, zatímco se provádí pyrolýza paliva na pyrolýzní páry zahrnující uhlovodíky, jako je methan a dehet, a surový pyrolýzní zbytek zahrnující uhel, popel a uhlík. První oxidant je případně přidán do dolní části pyrolýzní zóny za účelem dosažení teploty větší než 200 °C.

Pyrolýzní páry jsou směrovány do parciální oxidační (POX) zóny a pyrolýzní surový zbytek vytvořený v pyrolýzní zóně je směrován směrem dolů do redukční zóny pomocí separačního členu umístěného mezi pyrolýzní zónou a parciální oxidační zónou. Separační člen zahrnuje větší počet směrem nahoru orientovaných větracích otvorů a tím umožňuje průchod pyrolýzních par pouze do parciální oxidační zóny. Druhý oxidant je potom přidán v parciální oxidační zóně za účelem dosažení teploty větší než 900 °C pro reformování pyrolýzních par na surový syntézní plyn s obsahem významně snížených hladin dehtu.

Lože pyrolýzního zbytku s jednotnou hloubkou je vytvořeno na dně/bázi redukční zóny a surový syntézní plyn primárně vytvořený v parciální oxidační zóně a případně v pyrolýzní zóně prochází směrem dolů přes lože pyrolýzního zbytku za účelem provedení endotermické reakce mezi CO2 a H2O v syntézním plynu a uhlíkem uhlu v pyrolýzním zbytkovém loži, zatímco se reguluje pokles tlaku redukční zóny, doba zdržení a prostorová rychlost toku syntézního plynu během endotermické reakce za vzniku surového syntézního plynu v podstatě bez dehtu, za účelem snížení obsahu uhlíku v pyrolýzním zbytku, přičemž se vytvoří dekarbonizovaný pyrolýzní zbytek. Tento krok může také snížit teplotu surového syntézního plynu ve srovnání s teplotou parciální oxidační zóny. Lepší syntézní plyn v podstatě bez dehtu je potom veden nahoru v protiproudem toku v nepřímém tepelném kontaktu s pyrolýzní zónou, za účelem zahřívání pyrolýzní zóny a následně ochlazování syntézního plynu v podstatě bez dehtu před jeho jímáním.

V některých provedeních předkládaného vynálezu je způsob proveden pod tlakem, výhodně až do úplného vakua, částečného vakua a méně než 4,14 MPa, výhodněji mezi částečným vakuem a 689 kPa.

V některých provedeních první a druhý oxidant nezávisle zahrnují vzduch, obohacený vzduch, kyslík s čistotou větší než 85 % hmota., kyslík s čistotou větší než 95 % hmota, nebo jejich kombinaci. V některých provedeních první oxidant a/nebo druhý oxidant dále zahrnuje H2O (páru) a/nebo CO2.

V některých provedeních jsou první oxidant a druhý oxidant stejné. V některých provedeních první oxidant a druhý oxidant jsou různé směsi.

V některých provedeních první oxidant zahrnuje vzduch, obohacený vzduch, kyslík o čistotě větší než 85 % hmota., kyslík o čistotě větší než 95 % hmota, nebo jejich kombinaci a druhý oxidant zahrnuje alespoň jeden ze vzduchu, obohaceného vzduchu, kyslíku o čistotě větší než 85 % hmota., kyslíku o čistotě větší než 95 % hmota., předem smíchaný s H2O a/nebo CO2.

V některých provedeních popsaného způsobu má vytvořený syntézní plyn poměr íT CO v rozmezí asi 0,5:1 až asi 1,5:1, výhodně asi 0,8:1 až asi 1:1.

V některých provedeních způsobu podle předkládaného vynálezu uhlíkatý palivový materiál zahrnuje biomasové palivo zvolené z dřevných štěpků, štěpků železničních pražců, odpadového dřeva, lesního odpadu, splaškového kalu, ropného koksu, uhlíku, městského pevného odpadu (MSW), paliva odvozeného z odpadu (RDF) nebo libovolné kombinace.

-5 CZ 308375 B6

V některých provedeních způsobu podle předkládaného vynálezu je biomasové palivo vytvořeno způsobem štěpení, sekání, extruze, mechanického zpracování, kompaktování, peletizace, granulace nebo drcení. V některých provedeních je použito biopalivo postříkané, potažené nebo impregnované kapalnými nebo pevnými uhlíkatými materiály.

V některých provedeních způsobu podle předkládaného vynálezu je teplota POX stupně větší než 1250 °C nebo větší než fuzní teplota popela pro vytvoření tekuté strusky.

V některých provedeních předkládaného vynálezu způsob dále zahrnuje přidání další komory pro separaci strusky za účelem odstranění a zchlazení kapalné strusky za vzniku nevyluhovatelného vedlejšího produktu pro bezpečnou likvidaci.

V některých provedeních popisu způsob dále zahrnuje zpracování a chlazení syntézního plynu bez dehtu použitelného pro výrobu elektrické energie a chemickou výrobu, jako je methanol, DME benzínu a Fischer-Tropsch kapalin, jako je syntézní diesel, syntetické tryskové palivo a syntetický vosk.

Způsob podle předkládaného vynálezu může být proveden pouze v jedné komoře nebo v oddělených komorách nebo kombinaci komor ve vertikálním uspořádání.

V dalším aspektu předkládaného vynálezu je k dispozici systém kontinuálního vícestupňového vertikálně sekvencovaného zplyňovacího způsobu konverze pevného uhlíkatého palivového materiálu na čistý (s nízkým obsahem dehtu) syntézní plyn. Systém podle předkládaného vynálezu zahrnuje pyrolýzní zónu pro konverzi paliva na pyrolýzní páry zahrnující uhlovodíky a uhlíkem obohacený surový pyrolýzní zbytek zahrnující uhel a popel, parciální oxidační zónu, umístěnou vertikálně po proudu pyrolýzní zóny pro konverzi uhlovodíků v pyrolýzních párách na surový syntézní plyn zahrnující H2, CO a CO2, a endotermickou redukční zónu, umístěnou vertikálně po proudu parciální oxidační zóny pro konverzi surového syntézního plynu na lepší syntézní plyn pro snížení obsahu uhlíku surového pyrolýzního zbytku za účelem získání dekarbonizováného pyrolýzního zbytku.

V některých provedeních systému podle předkládaného vynálezu jsou pyrolýzní zóna, parciální oxidační zóna a redukční zóna obsaženy uvnitř jednoho kontejneru/ komory. V některých provedeních jsou pyrolýzní zóna, parciální oxidační zóna a redukční zóna obsaženy ve zvláštních komorách uspořádaných ve vertikální konfiguraci.

V některých provedeních má dolní část pyrolýzní zóny obvod větší než horní část. V některých provedeních má pyrolýzní zóna postupně rostoucí obvod směrem k dolní části.

V některých provedeních vynálezu jsou některé nebo všechny části stěn komory, které definují pyrolýzní zónu, šikmo mírně a/nebo postupně směrem ven od vrcholu plnicí hladiny biomasy k nejnižšímu bodu, kde je přítomno snížené množství uhlu, kde dno komory je větší v oblasti/obvodu než vrchol komory. To umožní, že biomasový materiál postupuje bez překážek a přemostění, což dále poskytuje kontinuální stabilní tok postupujícího biopaliva a vyráběného syntézního plynu.

Separační člen je umístěn mezi pyrolýzní zónou a parciální oxidační zónou. Separační člen zahrnuje větší množství směrem nahoru, orientovaných větracích otvorů a plurality za účelem umožnění průchodu pyrolýzních par do parciální oxidační zóny a inhibování průchodu surového pyrolýzního zbytku. Separační člen je také konfigurován pro směrování surového pyrolýzního zbytku do redukční zóny. Systém dále zahrnuje výstupní port pro dekarbonizováný pyrolýzní zbytek, umístěný po proudu redukční zóny, a výstup pro lepší syntézní plyn, umístěný za redukční zónou.

-6CZ 308375 B6

V některých provedeních je separační člen invertovaná nebo inklinovaná hemisférická nebo konická keramická vyhřívaná membrána.

Separační člen fyzicky podporuje směrem dolů postupující palivo během pyrolýzy za účelem směrování postupu surového pyrolýzního zbytku, který zahrnuje uhel á popel, směrem k redukční zóně a zahřívání finálních stupňů pyrolýzní zóny.

Redukční zóna je konfigurovaná za účelem vytvoření lože pyrolýzního zbytku s jednotnou výškou/hloubkou a radiální šířkou. Redukční zóna je poskytnuta se šikmou skloněnou děrovanou podlahou, jedním nebo více otvory umístěnými uprostřed děrovaného dna a centrálně umístěným deflektorem. Deflektor muže být libovolné velikosti a tvaru, jako je čtvercový, obdélníkový, kónický nebo válcový.

Dno v redukční zóně je šikmo směrem dolů a dovnitř směrem k jednomu nebo více otvorům a konfigurované velikostí děrování v něm a tím umožňuje primárně průchod surového syntézního plynu směrem k výstupu pro lepší syntézní plyn a inhibuje průchod surového pyrolýzního zbytku. Jeden nebo více otvorů je umístěn(o) ve fluidní komunikaci s výstupním portem a tím se umožňuje průchod dekarbonizováného pyrolýzního zbytku.

Sklon dna je větší než 0° až větší než úhel slonu materiálu surového pyrolýzního zbytku. V některých provedeních je sklon děrovaného dna v rozmezí o 30 % menší než až o 30 % větší než přirozený úhel sklonu pyrolýzního zbytku. V některých provedeních se sklon dna přibližuje přirozenému úhlu sklonu pyrolýzního zbytku.

V některých provedeních je sklon děrovaného dna v rozmezí 0° až asi 60°. V některých provedeních je úhel děrovaného dna asi 30° až asi 40°.

V některých provedeních je redukční zóna dále poskytnuta s prvním mechanizmem, konfigurovaným pro přerušovaný nebo nepřetržitý pohyb pyrolýzního zbytku z děrovaného dna směrem k jednomu nebo více otvorům. V některých provedeních mechanismus zahrnuje jedno nebo více tlačných těles konfigurovaných pro pohyb podél dráhy kolem deflektoru, tlačné těleso umístěné v blízkosti děrované dna a směrem ven od jednoho nebo více otvorů. V některých provedeních tlačné těleso zahrnuje jedno nebo více ramen vyčnívajících radiálně směrem ven z jednoho nebo více otvorů. V některých provedeních mají radiální ramena šikmou stranu konfigurovanou pro kontakt a tlačení části pyrolýzního zbytku směrem k jednomu nebo více otvorům během pohybu tlačného tělesa. V některých provedeních je mechanismus konfigurován pro pohyb uvedené vzdálenosti podél dráhy.

V některých provedeních je mechanismus spojen s kontrolérem konfigurovaným pro provoz mechanismu v závislosti na tlakovém rozdílu měřeném v místě před pyrolýzním zbytkovým ložem a v místě za děrovaným dnem.

V některých provedeních redukční zóna dále zahrnuje druhý mechanismus použitelný pro tlačení dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku z dolní části jeho lože směrem k výstupním portům.

V některých provedeních jsou první a druhý mechanismus použitelné nezávisle na sobě navzájem. V některých provedeních jsou první a druhý mechanismus integrální.

V některých provedeních vynálezu systém dále zahrnuje vnější plášť, který má vstup pláště v komunikaci s výstupem syntézního plynu, a výstup pláště, kde vnější plášť obepíná/obklopuje pyrolýzní zónu, parciální oxidační zónu a redukční zónu za vzniku kanálku pro tok syntézního plynu směrem k výstupu pláště. V některých provedeních je výstup pláště poskytnut na horní části pláště za účelem umožnit pohyb syntézního plynu směrem nahoru v kanálku pro poskytnutí nepřímého tepelného kontaktu mezi syntézním plynem a pyrolýzní zónou.

-7 CZ 308375 B6

V některých provedeních systému podle předkládaného vynálezu jsou pyrolýzní zóna, částečná oxidační zóna a redukční zóna obsaženy uvnitř oddělených kontejnerů/komor.

Další podrobnosti, které se týkají systému a způsobu pode předkládaného vynálezu, jsou diskutovány s odkazy na obrázky.

Příklady uskutečnění vynálezu

Systém a zařízení

Obrázek 1 ilustruje zjednodušený schématický diagram, který zobrazuje obecnou konfiguraci systému pro kontinuální vícestupňový vertikálně sekvencovaný zplyňovací způsob konverze pevného uhlíkatého palivového materiálu na čistý (s nízkým obsahem dehtu) syntézní plyn. Obrázky 2 a 3 ilustrují zjednodušený diagram, který zobrazuje složky systému podle předkládaného vynálezu.

S odkazem na obrázek 1, systém 1 zahrnuje vertikálně sekvencovanou pyrolýzní zónu 20, parciální oxidační (POX) zónu 30 a redukční zónu 40 uvnitř podlouhlé komory 10. Pyrolýzní zóna 20 a POX zóna 30 jsou oddělené pomocí separačního členu 32, jako je invertovaná nebo inklinovaná hemisférická nebo kónická keramická vyhřívaná membrána. Separační člen dále zahrnuje směrem nahoru orientované větrací otvory 34 za účelem poskytnutí separačního prostředku pro pyrolýzní páry, přičemž pyrolýzní páry 26 jsou směrovány do POX zóny, zatímco stoupají nahoru do POX zóny, a inhibování průchodu pyrolýzního zbytku 24 jimi, zatímco jej směrují do redukční zóny. Uhel větracích otvorů může být libovolný úhel mezi v podstatě horizontálním až v podstatě vertikálním.

Redukční zóna 40 zahrnuje skloněné děrované dno/bázi 42, jeden nebo více otvorů 46, umístěných uprostřed vzhledem k děrovanému dnu, a uprostřed umístěný deflektor/difúzor 48. Dno je skloněné směrem dolů a dovnitř směrem k jednomu nebo více otvorům 46 a konfigurované velkostí děrování 44 v něm, pro umožnění primárně průchodu surového syntézního plynu směrem k výstupu 50 pro lepší syntézní plyn 49 a inhibování průchodu surového pyrolýzního zbytku, a jeden nebo více otvorů 46 je/jsou ve fluidní komunikaci s výstupním portem 56 a konfigurované tak, že umožňují průchod dekarbonizováného pyrolýzního zbytku 52 směrem k výstupnímu portu 56.

Jak zobrazeno na obrázku 2, děrované dno/báze je umístěné ve vzdálenosti D od separačního členu, takže surový pyrolýzní zbytek 24, zahrnující surový popel/uhel padající z pyrolýzní zóny, je směrován gravitačně za účelem efektivní akumulace na šikmé děrované dno za vzniku uhelného lože 28 s požadovanou jednotnou hloubkou d, (kde hodnota d je rovna nebo nižší než D) a požadovanou jednotnou radiální šířkou h.

Sklon dna Θ je větší než 0° až větší než úhel sklonu materiálu surového pyrolýzního zbytku nebo v rozmezí o 30 % méně než až o 30 % více než přirozený úhel sklonu pyrolýzního zbytku. V některých provedeních se úhel dna přibližuje přirozenému úhlu sklonu pyrolýzního zbytku.

V provedení zobrazeném na obrázku 1 je komora definující pyrolýzní zónu, POX zónu a redukční zónu obklopena pláštěm 60 se vstupem 62 pláště v dolní části, ve fluidní komunikaci s výstupem 50 lepšího syntézního plynu poskytnutého po proudu pyrolýzního lože 28, výstup pláště 64 v jeho horní části, kde vstup 62 pláště přijímá lepší syntézní plyn 49 z výstupu 50 syntézního plynu, a plášť tvoří kanálek pro tok syntézního plynu směrem k výstupu 64 pláště.

Obrázek 3 zobrazuje příklad, kde redukční zóna systému zahrnuje první mechanismus 70 zahrnující tlačné těleso 72 zahrnující dvě nebo více ramen 74 vyčnívajících radiálně směrem ven vzhledem k otvoru 46 za účelem přerušovaného nebo kontinuálního pohybu pyrolýzního zbytku z

- 8 CZ 308375 B6 děrovaného dna 42 směrem k otvoru 46. Systém také zahrnuje druhý mechanismus 80 použitelný pro tlačení dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku 52 z dolního lože 54 směrem k výstupním portům 56.

Proces zplyňování

Stupeň 1: Pyrolýzní reakce v zóně 20

S odkazem na obrázek 1, uhlíkatý palivový materiál/biopalivo 12/16 je přiveden/o na horní část 18 pyrolýzní zóny při přibližně 50 °C až 100 °C a proces pyrolýzy začíná postupným zahříváním pyrolýzní zóny na více než 100 °C, výhodně více než 200 °C, výhodněji více než 400 °C, kde jsou vytvořeny pyrolýzní páry 26 (primárně methan (CH4), vodík a dehet) a surový pyrolýzní zbytek 24 zahrnující popel a uhel, zatímco postupují vertikálně gravitací směrem dolů. První oxidant 22. kterým může být čistý nebo smíchaný oxidant, je případně přidán do dolní až střední části pyrolýzní zóny 20 za účelem regulace teploty zóny a postupu redukčního procesu pyrolýzní biomasy. Pyrolýzní reakce je uvedena na schéma níže.

Biopalivo + tepelná energie + případný oxidant H₂ + CH4 + CO2 + uhel + dehet

Pyrolýzní páry obecně obsahují relativně vysoký podíl těkavých dehtů odvozených z pyrolýzního procesu, který obvykle způsobuje značné problémy s ucpáváním a zachytáváním, pokud kondenzují a chladnou po proudu systémů, což má za následek velmi nízkou spolehlivost zplynovače a výkon po dobu provozu.

Jak uhlíkatý palivový materiál/biopalivo postupuje vertikálně směrem k dolní části vertikální pyrolýzní zóny 20, palivo se redukuje o více než 70 % hmotnostních na uhel nebo obvykle známé jako „dřevěné uhlí“ s významně nižší hustotou než přívod biopaliva. Vertikální konfigurace s rostoucím obvodem, zveřejněná v předkládané přihlášce umožňuje gravitaci hnát biopalivo konzistentním a jednotným posunem vertikálně pyrolýzním stupněm. To inherentně poskytuje stabilní s konzistentní výrobu syntézního plynu.

Pyrolýzní zbytek 24 je posouván gravitací směrem dolů a distribuován do vnější oblasti vyhřívané membrány a padá horizontálním otvorem do vnější periferie membrány, vertikálně dolů za vzniku lože 28 pyrolýzního zbytku v endotermické redukční zóně. Keramická membrána je obvykle vhodná pro kontinuální maximální provozní teplotu větší než 2000 °C.

Vhodný rotační mechanický rozprašovač (není zobrazen) může být umístěn na povrchu 18 pyrolýzní zóny 20 pro rovnoměrné rozprašování přívodu biomasy 16 do horní části pyrolýzní zóny. Stejná nebo rovnoměrná výška biomasy umožňuje snížení biomasy, aby tak proudila konzistentně a stabilně pyrolýzním stupněm a produkovala velmi žádoucí stabilní tok syntézního plynu.

Stupeň 2: Částečná oxidace (POX) v zóně 30

Druhý oxidant 36, čistý nebo smíchaný, je přidán pod vyhřívanou membránu 32 do POX zóny 30, za účelem vytvoření teploty parciální oxidace větší než 900 °C, výhodněji větší než 1000 °C, až do 1250 °C za účelem nestruskování a větší než 1250 °C nebo teploty fúze popele za účelem struskování. Pyrolýzní páry 26 procházejí směrem nahoru orientovanými větracími otvory 34 z pyrolýzní zóny a jsou částečně oxidovány druhým čistým oxidantem za účelem reformování pyrolýzních par na surový syntézní plyn 38 sestávající primárně z CO, CO2 a H2, s nižšími koncentracemi CH4, a inertních plynů, jako je N2 a Ar, a významně sníženými koncentracemi dehtu. Složení inertních plynů v surovém syntézním plynu 38 je závislé primárně na složení a kvalitě oxidantu.

-9CZ 308375 B6

Čistý nebo smíchaný oxidant může být vzduch (s obsahem dusíku), obohacený vzduch (s obsahem nižšího podílu dusíku), O2 o relativně vysoké čistotě (> 85 % hmota. O2, výhodně větší než 95 % hmota, a výhodněji větší než 98 % hmota., aby se zabránilo neúčinnému inertnímu čištění), vzduch nebo O2 smíchaný s CO2 anebo párou (H2O). CO2 a H2O mohou být předem smíchány s druhým oxidantem použitým v POX zóně pro regulaci teploty, pokud se použije O2 nebo obohacený vzduch. Externí methan CEL se může také zamíchat do oxidantu za účelem dodání tepelné energie pro regulaci teploty POX zóny v případě potřeby.

Stupeň 3: Endotermická redukce v zóně 40:

S jednotným pyrolýzním zbytkovým ložem 28, které má jednotnou hloubku d a šířku h, je prostorová rychlost toku surového syntézního plynu konzistentní a pokles tlaku je nízký a konzistentní, za účelem maximalizace výhod a účinku endotermické reakce v redukční zóně. Páry surového syntézního plynu 38. bohaté na CO2 a/nebo páru (H2O) a obsahující sníženou koncentraci dehtů, pocházejí do kontaktu s jednotným horkým ložem 28 popele/uhle bohatého na uhlík, přičemž dochází k následujícím reakcím za vzniku lepšího syntézního plynu 49:

C +CO2^2CO (1)ΔΗ = +13 369kJ/kg

C + H₂O —> CO + H₂ (2) ΔΗ = +9 846 kJ/kg

Vysoké teploty POX surového syntézního plynu mají dostatečnou fyzikální entalpii, CO2 a/nebo H2O pro provedení endotermických karbonizačních reakcí. Vyšší přívodní koncentrace a různá množství CO2 a páry (H2O) se mohou přidat do druhého oxidantu ve stupni 2 za účelem optimalizace reakcí (1) a (2) ve stupni 3 a maximalizace uhlíkové konverze z uhle. Přívodní hladiny CO2 a H2O větší, než jsou stechiometrické hladiny, mohou být také přidány do oxidantu za účelem ochlazení teploty POX zóny na méně než 1250 °C, pokud je použitý oxidant koncentrovaný O2, s nízkými nebo žádnými hladinami N2.

Surový syntézní plyn 38, obsahující sníženou hladinu dehtů při teplotě větší než 900 °C, je směrován vertikálně směrem dolů přes rovnoměrně distribuované uhelné lože 28 v redukční zóně. To má za následek následující velmi žádoucí výhody;

1. Surový syntézní plyn je ochlazen pomocí endotermických reakcí (1) a (2) na teplotu nižší než teplota POX zóny. V některých provedeních je teplota lepšího syntézního plynu, který opouští redukční zónu, asi 600 °C nebo nižší.

2. Surový syntézní plyn je vyčištěn v podstatě dočista od všech zbývajících dehtů za vzniku lepšího syntézního plynu bez obsahu dehtu, přičemž se eliminují všechny obavy zanášení nebo zachytávání po proudu zařízení.

3. Vyšší množství lepšího syntézního plynu je vyrobeno, čímž se zlepší celková účinnost konverze uhlíku a účinnost procesu studeného plynu.

4. Čistý lepší syntézní plyn je vytvořen s lepší kalorickou hodnotou.

5. Surový popel nebo uhel je významně snížen na obsah uhlíku, který tvoří dekarbonizovaný zbytek a umožňuje jeho bezpečné použít jako hnojivá nebo bezpečnou likvidaci.

6. Obsah uhlíku v popelu může být dále regulován snížením doby zdržení ve stupni 3, za účelem úmyslné produkce popele s uhlíkem, dobře známý jako uhlíkový popel používaný pro komerční výrobu briket nebo bio-uhelných hnojiv.

Jak je zobrazen na obrázku 1, čistý lepší syntézní plyn 49, při asi 600 °C a v podstatě bez obsahu všech dehtů a pevných částic prochází koncentricky z redukčního/endotermického stupně a

- 10 CZ 308375 B6 stoupá vertikálně do kanálku vytvořeného pláštěm 60, kde tepelná energie ze syntézního plynuje nepřímo protiproudně převedena v reverzní vertikální sekvenci do pyrolýzního stupně, přičemž se dále chladí surový syntézní plyn a poskytuje tepelná energie do pyrolýzního stupně. Lepší syntézní plyn vystupuje ze zplynovače pod 600 °C, výhodněji v rozmezí 500 °C až 600 °C. Libovolná forma lepší konfigurace tepelného přenosu nebo prostředky, známé odborníkovi v oboru, se mohou použít pro provedení procesu maximálního tepelného přenosu. Ochlazený lepší syntézní plyn 66 je jímán v horní části zplynovače a je převeden pro další čištění a zpracování. Čistý syntézní plyn, v podstatě bez obsahu všech dehtů, se může použít pro motory na výrobu elektrické energie a/nebo chemickou výrobu, jako je DME, methanol, nebo Fischer-Tropsch produkty, jako je syntézní nafta.

Vynálezci předkládaného vynálezu s překvapením zjistili, že konfigurace separačního členu pro směrování surového pyrolýzního zbytku/uhle do redukční zóny, společně s přítomností skloněného děrovaného dna, jednoho nebo více otvorů, umístěných dovnitř/centrálně vzhledem k děrovanému dnu, a centrálně umístěný deflektor v redukční zóně, jako je popsáno v předkládané přihlášce, má za následek vytvoření redukčního lože pyrolýzního zbytku, které má v podstatě jednotnou hloubku d a šířku h, jako je zobrazeno na obr. 2.

Stejnoměrné lože poskytuje kritický jednotný pokles tlaku a distribuci toku surového syntézního plynu z pyrolýzní zóny po celém zbytkovém nebo uhlovém loži, což usnadní konzistentní tok a konzistentní kvalitu surového syntézního plynu a čistého popele.

Stejnoměrné lože pyrolýzního zbytku podporuje účinnou endotermickou reakci mezi CO2 a H2O v syntézním plynu a obsahem uhlíku v pyrolýzním zbytku a regulace doby zdržení v redukční zóně a prostorové rychlosti toku syntézního plynu během endotermické rekce se sníženým rizikem tvorby kanálů má za následek tvorbu surového syntézního plynu v podstatě bez obsahu dehtu, snížení obsahu uhlíku v pyrolýzním zbytku a snížení teploty surového syntézního plynu ve srovnání s teplotou parciální oxidační zóny.

V některých provedeních syntézní plyn v podstatě bez obsahu dehtu zahrnuje méně než 0,02 % dehtu. V některých provedeních je dehet méně než 0,01 % dále v některých provedeních je dehet méně než 0,005 %. V některých provedeních syntézní plyn v podstatě bez dehtu zahrnuje méně než 0,001 % dehtu.

V provedení, když teplota stupně 2 je provozována výše než teplota fúze popele, obvykle nad 1200 °C, potom se vytvoří kapalná struska, která se může oddělit, prudce ochladit a konvertovat na vitrifikovanou pevnou látku, která je nevyluhovatelná a bezpečná pro likvidaci běžnými prostředky. Popel, v jakékoliv formě, je odstraněn ze zplynovače a ochlazen pro skladování a likvidaci.

Jak je zobrazeno na obrázku 4, v původních zplynovačích podle dosavadního stavu techniky, které nemají deflektor v centru dna 142 redukční zóny, docházelo k tvorbě nerovného uhelného lože 128. V důsledku velmi velkého úhlu sklonu padajícího pyrolýzního zbytku/uhlu 124 výškový rozdíl mezi centrální částí redukčního lože a periferními částmi je tak velký, že surový syntézní plyn prosté prochází dráhou nejnižšího poklesu tlaku a eliminuje jakýkoliv redukční účinek. Jak je vidět z obrázku 4, pro kritické množství surového syntézního plynu 138, které prochází centrální oblastí redukčního lože, které reprezentuje většinu nebo veškerý plyn, tlaková ztráta plynu je významně nižší než v okrajové oblasti a plyn procházející touto oblastí by se neměl podrobit endotermní reakci za účelem dosažení požadovaných výsledků tvorby lepšího syntézního plynu a dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku.

Obrázek 5 znázorňuje další zplynovač z dosavadního stavu techniky, který zahrnuje homogenizační válec 148 v centru dna redukční zóny. Avšak toto uspořádání také selhává z hlediska poskytnutí uhelného lože o stejnoměrné hloubce a podporuje vytváření kanálů s průchodem syntézního plynu s nežádoucími důsledky. Jak je vidět na tomto obrázku, surový

- 11 CZ 308375 B6 pyrolýzní zbytek 124 padá se značným úhlem sklonu za vzniku nerovného lože 128. což má také za následek neefektivní redukční reakci s následkem špatné kvality syntézního plynu 149 a pyrolýzního zbytku 152.

Obvyklé přívodní proudy 12 mohou zahrnovat štěpkové, peletizované, drcené nebo mechanicky zpracované dřevo, stavební dřevěný odpad, uhlí, ropný koks, lesní odpadové dřevo s nebo bez zeleného a kůrového materiálu, pevný splaškový odpad, tříděný městský pevný odpad (MSW), palivo odvozené zřízeného odpadu (RDF) s obsahem specifických směsí plastu a biomasy, zemědělský odpad nebo libovolné směsi a kombinace výše uvedených materiálů. Topná hodnota těchto materiálů je v rozmezí 6990 až 13980 kJ/kg pro MSW, až 16 310kJ/kg pro RDF až 16 330 kJ/kg pro dřevné štěpky, až 23 300 kJ/kg pro uhlí, až 30 290 kJ/kg pro ropný koks. V dalším provedení může být biomasové palivo rozprašováno, potahováno anebo impregnováno s kapalnými nebo pevnými uhlíkatými materiály za účelem zvýšení zplyňovacího procesu. Všechny biomasové přívodní materiály 12 mohou obsahovat hladiny vlhkosti v rozmezí 0 až 50 % hmota., přičemž odpadní teplo ze zplynovače se používá na sušení materiálů v rozmezí 5 až 15 % hmota., výhodně 10 až 12 % hmota., předtím, než je přiveden do zplynovače. Integrované sušicí prostředky 14 za použití nadměrně nízkého množství tepelné energie z procesu zplyňování biomasy zvyšují celkovou tepelnou účinnost jednotky. Obsah vlhkosti biomasy se může měnit podle letní a zimní sezóny. Biomasový materiál je obvykle o velikosti v rozmezí +1 mm až -100 mm, dobře známý odborníkovi v oboru s tím, že usnadňuje snadnou manipulaci a takové vlastnosti.

Fyzická velikost nebo tvar každého stupně a zóny procesu zplyňování se může měnit a být upravena odborníkem v oboru a může nebo nemusí být fýzicky stejná pro každý stupeň. Klíčem je, že stupně a zóny jsou konfigurovány v přesné sekvenci nebo výhodněji přesné vertikální sekvenci za účelem dosažení požadovaných výsledků, jak je zveřejněno.

Proces zplyňování biomasy se může provádět v oddělených nádobách nebo seskupení nádob nebo výhodněji v jediné nádobě, pokud je procesní sekvence a vertikální taková sekvence provedena tak, jak je zveřejněno pro vytvoření nového požadovaného provedení.

Způsob může být provozován při libovolném tlaku za účelem ekonomické integrace s následnými procesy nebo proces zplyňování biomasy musí být vhodně vybaven prostředky pro konverzi syntézního plynu. Například může být proces provozován v mírných vakuových podmínkách v blízkosti atmosférického tlaku pro aplikace výroby elektrické energie, kde se používá booster odstředivý ventilátor čistého syntézního plynu za účelem vytvoření 6,89 až 68,9 kPa tlaku pro přívod do motorů syntézního plynu pro pohon elektrických generátorů. V dalším příkladu se může proces zplyňování biomasy provozovat při 68,9 až 689 kPa psig, přičemž se syntézní plyn přivádí do vhodného plynového kompresoru, dobře známého odborníkovi v oboru, za účelem zvýšení tlaku na 2067 až 3445 kPa za účelem zpracování ve Fischer-Tropsch jednotce pro výrobu syntetických produktů, jako je syntézní nafta.

Další znaky, jako jsou různé provozní jednotky čištění syntézního plynu, včetně provozních jednotek, jako je vysoce účinný, vysokoteplotní částicový separátor nebo keramický filtr, jsou přidány za účelem odstranění jemných částic ze surového syntézního plynu. Tyto znaky mohou být integrovány přímo do zplynovací jednotky nebo instalovány přímo za zplynovač za účelem provedení procesu.

Je zřejmé, že výše uvedená provedení vynálezu jsou příklady a mohou se měnit různými způsoby. Tyto předkládané nebo budoucí variace nejsou pokládány za odklon od ducha rozsahu vynálezu a všechny tyto modifikace, jak budou zřejmé odborníkovi v oboru, mají být zahrnuty do rozsahu následujících nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Kontinuální vícestupňový vertikálně sekvencovaný zplyňovací způsob konverze pevného uhlíkatého palivového materiálu na syntézní plyn s nízkým obsahem dehtu ve zplynovači, který zahrnuje:

i) pyrolýzní zónu (20), ii ) parciální oxidační zónu (30), umístěnou vertikálně za pyrolýzní zónou (20) a oddělenou od pyrolýzní zóny (20) pomocí separačního členu (32), který zahrnuje větší množství směrem nahoru orientovaných větracích otvorů (34);

ii i) redukční zónu (40), umístěnou vertikálně za parciální oxidační zónou (30) a zahrnující šikmé děrované dno (42), jeden nebo více otvorů (46), umístěných centrálně vzhledem k děrovanému dnu (42), a centrálně umístěný deflektor (48); dno (42) je skloněno dolů a dovnitř směrem k jednomu nebo více otvorům (46), kde děrované dno (42) je konfigurováno velikostí děrování v něm tak, že primárně umožňuje průchod syntézního plynu a inhibuje průchod pyrolýzního zbytku získatelného v pyrolýzní zóně (20), přičemž úhel sklonu děrovaného dna (42) jev rozmezí o 30 % menší až o 30 % větší než přirozený úhel sklonu pyrolýzního zbytku;

kde uvedený způsob zahrnuje kroky:

a) přivádění uhlíkatého palivového materiálu (12) horní částí (18) pyrolýzní zóny (20) vertikálně dolů směrem k dolní části pyrolýzní zóny (20), zatímco se provádí pyrolýza paliva na pyrolýzní páry (26) zahrnující uhlovodíkový materiál a surový pyrolýzní zbytek (24) zahrnující uhel a popel;

b) případně přidání prvního oxidantu (22) do dolní části pyrolýzní zóny (20) za účelem dosažení teploty větší než 200 °C;

c) směrování pyrolýzních par (26) do parciální oxidační, POX, zóny (30) a směrování pyrolýzního zbytku dolů směrem k redukční zóně (40) pomocí separačního členu (32);

d) přidání druhého oxidantu (36) do parciální oxidační zóny (30) za účelem dosažení teploty dostatečné pro reformování pyrolýzních par na surový syntézní plyn (38) s obsahem významně snížených hladin dehtu;

vyznačující se tím, že

e) se vytvoří lože pyrolýzního zbytku s jednotnou hloubkou surového pyrolýzního zbytku (24) vytvořeného v kroku c) na dně (42) redukční zóny (40) v důsledku úhlu sklonu děrovaného dna (42) v rozmezí o 30 % menší až o 30 % větší než přirozený úhel sklonu pyrolýzního zbytku;

f) surový syntézní plyn z kroku d) prochází dolů přes lože surového pyrolýzního zbytku vytvořené v kroku e) a provede se endotermní reakce mezi CO2 a/nebo H2O v surovém syntézním plynu (38) a uhlíkem uhlu v loži pyrolýzního zbytku, zatímco se reguluje pokles tlaku redukční zóny (40), doba zdržení a prostorová rychlost toku surového syntézního plynu (38) během endotermické reakce za vzniku syntézního plynu (66) v podstatě bez dehtu a dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku (52);

- 13 CZ 308375 B6

g) syntézní plyn (66) v podstatě bez dehtu z kroku f) se vede v protiproudem toku směrem nahoru, za účelem zahřívání pyrolýzní zóny (20) a následně se syntézní plyn (66) v podstatě bez dehtu chladí;

h) jímá se syntézní plyn (66) v podstatě bez dehtu; a

i) jímá se dekarbonizovaný pyrolýzní zbytek (52) ze dna zplynovače.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že způsob se provádí pod tlakem nižším než 4,14 MPa, výhodně v rozmezí atmosférický tlak až 689 kPa.
3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že uhlíkatý palivový materiál (12) zahrnuje biomasové palivo (16) zvolené z dřevných štěpků, štěpků ze železničních pražců, odpadního dřeva, lesního odpadu, splaškového kalu, ropného koksu, uhlí, městského pevného odpadu (MSW), paliva odvozeného z odpadu (RDF) nebo libovolné kombinace.
4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že biomasové palivo (16) je vytvořeno způsobem štěpkování, drcení, extruze, mechanického zpracování, kompaktování, peletizace, granulace nebo rozrušování.
5. Způsob podle nároku 3 nebo 4, vyznačující se tím, že biomasové palivo (16) bylo rozprášeno, potaženo nebo impregnováno kapalnými nebo pevnými uhlíkatými materiály.
6. Způsob podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že teplota POX stupně je větší než 1250 °C nebo větší než teplota fúze popela za účelem vytvoření kapalné strusky.
7. Způsob podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že první oxidant (22) a druhý oxidant (36) zahrnuje vzduch, obohacený vzduch, kyslík s čistotou větší než 85 % hmota., kyslík s čistotou větší než 95 % hmota, nebo jejich kombinaci.
8. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že první oxidant (22) a druhý oxidant (36) jsou stejné.
9. Způsob podle nároku 7, vyznačující se tím, že první oxidant (22) a druhý oxidant (36) jsou různé.
10. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že první oxidant (22) a/nebo druhý oxidant (36) dále zahrnuje H2O a/nebo CO2.
11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že první oxidant (22) zahrnuje vzduch, obohacený vzduch, kyslík s čistotou větší než 85 % hmota., kyslík s čistotou větší než 95 % hmota, nebo jejich kombinace a druhý oxidant (36) zahrnuje vzduch, obohacený vzduch, kyslík s čistotou větší než 85 % hmota., kyslík s čistotou větší než 95 % hmota., předem smíchaný s H2O a/nebo CO2.
12. Způsob podle některého z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že dále zahrnuje míchání a/nebo otáčení lože pyrolýzního zbytku obsahujícího surový pyrolýzní zbytek (24) a/nebo dekarbonizovaný pyrolýzní zbytek (52).
13. Zařízení pro kontinuální vícestupňový vertikálně sekvencovaný zplyňovací způsob konverze pevného uhlíkatého palivového materiálu na syntézní plyn s nízkým obsahem dehtu, přičemž zařízení zahrnuje:

i) pyrolýzní zónu (20) pro konverzi paliva na pyrolýzní páry (26) zahrnující uhlovodíkový materiál a uhlíkem obohacený surový pyrolýzní zbytek (24) zahrnující uhel a popel;

- 14 CZ 308375 B6 ii) parciální oxidační zónu (30), umístěnou vertikálně za pyrolýzní zónou (20) pro konverzi uhlovodíkového materiálu v pyrolýzních parách (26) na surový syntézní plyn (38) zahrnující H₂, CO a CO₂;

iii) endotermickou redukční zónu (40), umístěnou vertikálně za parciální oxidační zónou (30) pro konverzi surového syntézního plynu (38) na syntézní plyn (49) v podstatě bez dehtu a pro snížení obsahu uhlíku surového pyrolýzního zbytku (24) za účelem získání dekarbonizováného pyrolýzního zbytku (52);

iv) separační člen (32), umístěný mezi pyrolýzní zónou (20) a parciální oxidační zónou (30), přičemž separační člen (32) zahrnuje větší množství směrem nahoru orientovaných větracích otvorů (34), a separační člen (32) je konfigurován pro směrování pyrolýzního zbytku (24) do redukční zóny (40);

v) výstupní port (56) pro dekarbonizovaný pyrolýzní zbytek (52), umístěný za redukční zónou (40);

ví) výstup (50) pro syntézní plyn (49) v podstatě bez dehtu, umístěný za redukční zónou (40);

vii) redukční zónu (40) zahrnující šikmé děrované dno (42), v němž děrování (44) má velikost pro průchod surového syntézního plynu (38) a pro zamezení průchodu surového pyrolýzního zbytku (24) a centrálně umístěný deflektor (48), vyznačující se tím, že děrované dno (42) je skloněno dolů a dovnitř směrem k jednomu nebo více otvorům (46), umístěným centrálně vzhledem k děrovanému dnu, a jeden nebo více otvorů (46) jsou ve fluidní komunikaci s výstupním portem (56) a konfigurovány pro průchod dekarbonizováného pyrolýzního zbytku (52), přičemž úhel sklonu děrovaného dna (42) jev rozmezí o 30 % menší až o 30 % větší než přirozený úhel sklonu pyrolýzního zbytku.
14. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že dále zahrnuje první mechanismus (70) v komunikaci s redukční zónou (40), konfigurovaný pro přerušovaný nebo kontinuální pohyb surového pyrolýzního zbytku (24) a/nebo dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku (52) z děrovaného dna (42) směrem k jednomu nebo více otvorům (46).
15. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že mechanismus (70) zahrnuje tlačné těleso (72) konfigurované pro pohyb podél dráhy kolem deflektoru (48), kde tlačné těleso (72) je umístěné v blízkosti děrovaného dna (42) a vně od jednoho nebo více otvorů (46).
16. Zařízení podle nároku 15, vyznačující se tím, že tlačné těleso (72) zahrnuje jedno nebo více ramen (74) vyčnívajících radiálně směrem ven vzhledem k jednomu nebo více otvorům (46).
17. Zařízení podle nároku 16, vyznačující se tím, že ramena (74) mají šikmou stranu konfigurovanou pro kontakt a tlačení části surového pyrolýzního zbytku (24) a/nebo dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku (52) směrem k jednomu nebo více otvorům (46) během pohybu tlačného tělesa (72).
18. Zařízení podle některého z nároků 15 až 17, vyznačující se tím, že dále zahrnuje kontrolér konfigurovaný pro provoz mechanismu (70) v závislosti na tlakovém rozdílu měřeném na místě před ložem pyrolýzního zbytku obsahujícím surový pyrolýzní zbytek (24) a/nebo dekarbonizovaný pyrolýzní zbytek (52), a místě za děrovaným dnem (42).

- 15 CZ 308375 B6
19. Zařízení podle některého z nároků 13 až 18, vyznačující se tím, že děrované dno (42) je skloněno pod úhlem, který se blíží hodnotě více než nula stupňů a méně než 60 stupňů.
20. Zařízení podle některého z nároků 13 až 19, vyznačující se tím, že dále zahrnuje druhý mechanismus (80) pro tlačení dekarbonizovaného pyrolýzního zbytku (52) z dolního lože směrem k výstupním portům (56).
21. Zařízení podle nároku 20, vyznačující se tím, že první mechanismus (70) a druhý mechanismus (80) jsou na sobě nezávislé.
22. Zařízení podle některého z nároků 13 až 21, vyznačující se tím, že pyrolýzní zóna (20), parciální oxidační zóna (30) a redukční zóna (40) jsou umístěny uvnitř jednoho kontejneru/komory (10).
23. Zařízení podle některého z nároků 13 až 22, vyznačující se tím, že dále zahrnuje vnější plášť (60), který má vstup (62) pláště v komunikaci s výstupem (50) syntézního plynu, a výstup (64) pláště, kde vnější plášť (60) obepíná/obklopuje pyrolýzní zónu (20), parciální oxidační zónu (30) a redukční zónu (40) za vzniku kanálku pro tok syntézního plynu (49) směrem k výstupu (64) pláště.
24. Zařízení podle některého z nároků 13 až 23, vyznačující se tím, že výstup (64) pláště je poskytnut na horní části pláště (60).
25. Zařízení podle některého z nároků 13 až 24, vyznačující se tím, že pyrolýzní zóna (20), parciální oxidační zóna (30) a redukční zóna (40) jsou umístěny v oddělených kontej nerech/komorách.
26. Zařízení podle některého z nároků 13 až 25, vyznačující se tím, že obvod dolní části pyrolýzní zóny (20) je větší než obvod horní části.