EA024594B1 - Термическая и химическая утилизация углеродсодержащих материалов, в частности для генерации энергии без вредных выбросов - Google Patents

Abstract

В способе в соответствии с изобретением для генерации энергии и/или углеводородов и других продуктов путем утилизации углеродсодержащих материалов на первой стадии (Р1) способа углеродсодержащие материалы подаются и подвергаются пиролизу, где образуются пиролизный кокс (М21) и пиролизный газ (М22). На второй стадии (Р2) способа пиролизный кокс (М21) из первой стадии (Р1) способа газифицируется, где формируется синтез-газ (М24), а шлак и другие отходы (М91, М92, М93, М94) удаляются. На третьей стадии (Р3) способа синтез-газ (М24) из второй стадии (Р2) преобразуется в углеводороды и/или другие твердые, жидкие и/или газообразные продукты (М60), которые отводятся. Три стадии способа (P1, P2, Р3) образуют замкнутый цикл. Излишек газа (М25) из третьей стадии (Р3) передается в качестве рециркулирующего газа на первую стадию (P1) способа и/или вторую стадию (Р2) способа, и пиролизный газ (М22) из первой стадии (P1) способа передается во вторую стадию (Р2) способа и/или третью стадию (Р3) способа.

Description

Данное изобретение имеет отношение к способам и комплексам генерации энергии путём термохимической обработки и утилизации твёрдых, жидких и газообразных углеродсодержащих материалов и смесей, в частности, отходов, биомассы, угля и других гетерогенных материалов.

Кроме того изобретение относится к комплексам для генерации электрической и механической энергии, и соответствующим способам, а также к производству синтетических углеводородов и их использованию в таких комплексах.

Уровень техники

В течение некоторого времени было известно, что выбросы, в частности выбросы диоксида углерода, имеют очень вредные эффекты на климатическое равновесие земли, и вносят значительный вклад в антропогенный нагрев атмосферы. По этой причине избежание выбросов диоксида углерода является крайне желательным, в частности при генерации энергии из углеродсодержащих материалов, таких как отходы, биомасса, и ископаемое топливо.

Когда углеродсодержащие материалы используются в качестве топлива для обычных установок электростанций, диоксид углерода является неизбежным побочным продуктом генерации энергии. Выделение диоксида углерода из получающихся выхлопных газов сгорания, как правило, не представляется возможным с разумными энергетическими и/или экономическими затратами.

В промышленных масштабах, системы проходят испытания, в которых диоксид углерода задерживается, например, растворителями на основе аминов, и хранится в сжатом виде. Однако такие системы дороги и сложны.

Источники энергии без выбросов диоксида углерода, такие как, например, солнечная энергия, энергия ветра, гидроэнергия и атомная энергия имеют другие проблемы. Последние установки для использования альтернативных источников энергии, таких как энергия ветра, солнечная энергия и биомасса имеют недостаточные возможности для покрытия постоянно растущего спроса на энергию. Кроме того, погодозависимые источники энергии часто не могут обеспечить безусловно необходимую производительность. Установки для генерации энергии без вредных выбросов, эффективной, гибкой и легко наращиваемой, в частности электроэнергии, по этой причине являются предметом интенсивных научных исследований.

Из уровня техники известны различные виды способов и установок, с помощью которых газовые смеси могут быть получены из твердых, жидких и газообразных углеродсодержащих материалов, которые затем используются в качестве так называемого синтез-газа для химического синтеза. Синтез-газы, содержащие монооксид углерода и водород, используются, например, для промышленного жидкофазного синтеза метанола или синтеза Фишера-Тропша для производства углеводородов и других органических материалов. Кроме того, такие синтез-газы используются также для получения энергии, например, в качестве топлива для работы двигателей внутреннего сгорания.

Для производства монооксид углерода-водород синтез-газов из твердого углерода, твердый углерод газифицируют, используя кислород, диоксид углерода или воду, чтобы образовать синтез-газ:

С(в) + СО₂ 2 СО (ΔΗ +131.3 кДж/моль) (I)

С(я) + Н₂О СО + Н₂ (ΔΗ +172.5 кДж/моль) (П)

С(в) + О₂ 2 СО (ΔΗ -110.5 кДж/моль) (111)

Соотношение между монооксидом углерода и водородом дается как так называемая реакция сдвига IV:

СО + Н₂О СО₂ + Н₂ (ΔΗ -41.2 кДж/моль) (IV)

Тепловая энергия, необходимая для протекания эндотермических реакций I и II, может происходить, например, от частичного сгорания твердого углерода в реакции III, или может быть подана извне.

В известном виде способа производства синтез-газа или соответствующего газообразного топлива твердый углерод для реакции газификации присутствует в виде кокса. Это, в свою очередь, генерируется на предыдущей стадии способа посредством пиролиза угля или других углеродсодержащих материалов. Пиролизные газы, образующиеся в процессе пиролиза, сжигают, где горячие диоксид углеродсодержащие газообразные продукты сгорания служат, во-первых, как агент газификации кокса, а также в качестве внешнего поставщика тепловой энергии.

В другом виде способа кокс газифицируют с добавлением воздуха/кислорода, где тепловая энергия в основном образуется в результате частичного сгорания углерода в коксе. Пиролизный газ из предыдущей стадии пиролиза затем смешивается в горячий синтез-газ, где он подвергается крекингу, и так формируется горючая газовая смесь без смол.

Известные способы производства синтез-газа направлены и оптимизированы для производства синтез-газа для химической промышленности из недорогого ископаемого угля, например, для производства жидкого горючего и других ценных конечных продуктов. В этих способах что-то из исходного материала сжигается для генерации энергии, и поэтому в производстве ценных конечных продуктов производит- 1 024594 ся большое количество не утилизируемого диоксида углерода. По причине антропогенного потепления климата, такие неэффективные способы в настоящее время становятся все менее и менее приемлемыми.

Другие способы преимущественно направлены на производство более легко поддающегося использованию газообразного топлива из твердых углеродсодержащих материалов, таких как, например, ископаемый уголь, биомасса или гетерогенные смеси, такие как, например, горючие отходы. С помощью этого топлива, например, могут быть запущены газовые турбины. Такие способы раскрыты, например, в ΌΕ 102007041624 А1 и ΌΕ 2325204 А1. Однако и в этих способах некоторая химическая энергия, запасенная в твердом исходном материале, расходуется в процессе преобразования, в производстве или кокса, или газа, и диоксид углерода, соответственно, выделяется.

Недостатком известных способов является создание выбросов, низкая эффективность, а также сложная структура и функционирование, в частности, в установках, в которых кокс газифицируют в псевдоожиженном слое или в вовлеченном потоке.

Кроме того, известны различные способы, с помощью которых жидкое топливо можно производить из биомассы. В статье О. НиЬег е1 а1., 8уййе818 ой Тгапкройайоп Рие1к йгот Вютакк: СНспиЫгу. Са1а1ук1к, апб Еп§1пеег1п§, Сйет. Кеу. 106 (2006), р. 4044, дается обзор различных подходов. В некоторых основных видах этих способов биомасса газифицируется, и из полученной газовой смеси потом синтезируются газообразные и/или жидкие углеводороды и/или другие углеродистые соединения, которые служат в качестве горючего или топлива.

Такой способ получения синтетического горючего из биомассы описан в Ргосекк йог Ргобисшд 1йе 8уййебс Вюйие1 8ипЭ1е5еГ [перевод на английский язык немецкого названия УегГайгеп /иг Нег81ейип§ бек куййейксЬеп Вюкгайкйоййк 8ипП1еке1], В. Ноййтапп, АцйЬегейипдйесЬшк, 49(1-2) (2008), стр. 6 В этом способе, который называется СагЬо-У, кусковую биомассу (измельченный растительный материал) подвергают пиролизу с воздухом на первом этапе при низком давлении (4 бар) при 400-500°С, где этот этап рассматривается как тепловая стадия предварительной обработки. Это приводит к образованию пиролизного газа и пиролизного кокса. Соответствующая установка раскрывается, например, в ΌΕ 19807988 А1. Пиролизный газ затем постокисляется нагретым воздухом или кислородом при высокой температуре (1400-1500°С) для того, чтобы разрушить длинноцепочечные углеводороды. Отдельно от них пиролизный кокс измельчается и подается в форме пыли в газовый поток на втором этапе, где коксовая пыль эндотермически газифицируется в синтез-газ в потоке. Соответствующий способ раскрыт в ЕР 1749872 А2. После обработки, горючие аналоги дизельного топлива производятся из полученного синтез-газа в результате многоступенчатого синтеза Фишера-Тропша. Результирующие выхлопные газы, включая диоксид углерода, полученные на стадии пиролиза и газификации выбрасываются в атмосферу.

Для того чтобы повысить эффективность реакции Фишера-Тропша, остаточные газы и газообразные продукты синтеза Фишера-Тропша, которые содержат непрореагировавший водород и монооксид углерода, а также С1-С4 углеводородные соединения, могут быть вновь пропущены через стадию Фишера-Тропша путем их рециркуляции на стадии газификации (сй Н. Воетдйег, К. 2\уагЕ Шдй еййаепсу соргобисйоп ой Р1ксйег-ТгорксЬ (РТ) йапкройайоп йие1к апб киЬкй1и1е па!ига1 дак (8ΝΟ) йгот Ьютакк, Епегду гекеагсй сейте ой 1йе №1йег1апбк ΕСN Керой, ЕС^С-04-001, РеЬ. 2004). Так, например, И8 2005/0250862 А1 показывает способ для производства жидкого горючего из биомассы, в котором газы с низкой молекулярной массой и нежелательные фракции с более высокой молекулярной массой пропускаются обратно на стадии газификации, нисходящим потоком синтеза Фишера-Тропша.

Тем не менее, во всех этих способах, выхлопные газы, состоящие в основном из диоксида углерода, и если применимо - инертных газов, таких как атмосферный азот, выбрасываются в атмосферу.

ΌΕ 2807326 и И8 4092825 описывают установки электростанций, в которых синтез-газ производится из угля и который потом используется в качестве топливного газа для парообразования. С помощью паровых турбин электрическая энергия производится из пара. Некоторые из синтез-газов ответвляются и используются для производства метанола и жидких углеводородов. Эти жидкие топлива временно хранятся и используются как необходимые для генерации электрической энергии. Полученные выхлопные газы сгорания выбрасываются в атмосферу.

Раскрытие документов-прототипов, цитируемых в этой заявке, является неотъемлемой частью следующего описания данного изобретения.

Цель изобретения

Целью данного изобретения является обеспечение способов и комплексов для генерации энергии без вредных выбросов путем термохимической обработки и утилизации твердых, жидких и газообразных углеродсодержащих материалов и смесей, в частности отходов, биомассы, угля и других гетерогенных материалов, чьи способы и установки не имеют вышеупомянутых или других недостатков. В частности, способы и комплексы, соответсвующие данному изобретению, должны быть без вредных выбросов насколько это возможно.

Другая цель изобретения состоит в обеспечении способов и комплексов, с помощью которых отходы, биомасса и уголь могут быть преобразованы с минимально возможным энергоснабжением, и без вредных выбросов, в другие энергоемкие продукты, например синтетические углеводородные продукты.

Еще одна цель изобретения состоит в обеспечении способов и комплексов, посредством которых

- 2 024594 материалы, которые трудно утилизировать, как, например, горючие сланцы, нефтеносный песок или нефтяные шламы, могут быть преобразованы без вредных выбросов в более энергоемкие и более полезные продукты, или могут быть использованы для генерации энергии без вредных выбросов соответственно.

Еще одна цель изобретения состоит в обеспечении способов и комплексов, которыми твердые, жидкие или газообразные материалы могут быть эффективно преобразованы в газообразные или жидкие источники энергии.

Другой целью изобретения является создание способов и установок, которыми твердые, жидкие и газообразные топлива и горючее могут быть произведены без вредных выбросов

Еще одна цель изобретения состоит в оптимизации энергетической эффективности этих способов и комплексов, избегая химических и/или энергетических потерь в связи с выбросами, а также преобразовании собранных, не выбрасываемых материалов в дополнительные высококачественные источники энергии, такие как, например, горючее и топливо.

Комплекс для производства энергии, в соответствии с изобретением, должен, в частности, позволять обеспечение электрической энергии и/или механической энергии, и/или тепловой энергии, эффективно и в соответствии с потребностями в широком диапазоне.

Преимущественно такой комплекс в соответствии с изобретением для генерации энергии без вредных выбросов должен иметь возможность хранить часть вырабатываемой энергии, а в случае увеличения потребления должен быть в состоянии выпустить эту накопленную энергию виде химической энергии и/или электрический энергии и/или механической энергии и/или тепловой энергии.

Комплекс для генерации энергии без вредных выбросов должен преимущественно иметь возможность использовать широкий спектр твердых, жидких и/или газообразных углеродсодержащих материалов и смесей для генерации энергии, в частности, отходов, биомассы, угля и других гетерогенных материалов.

Еще одна цель изобретения состоит в создании комплекса для генерации энергии без вредных выбросов, не зависящего от внешних условий, таких как давление, температура, влажность или других внешних параметров. Например, в относительно возвышенных местах, меньшее давление окружающей среды оказывает негативное влияние на выходную мощность обычных энергетических установок.

Эти и другие задачи достигаются за счет способов и комплексов, соответствующих изобретению, как описано в независимых пунктах формулы изобретения. Дальнейшие предпочтительные варианты осуществления приведены в зависимых пунктах.

Описание изобретения

В способе согласно изобретению для генерации энергии без вредных выбросов и/или углеводородов и другой продукции путем утилизации углеродсодержащих материалов, на первой стадии способа углеродсодержащие материалы поставляются и подвергаются пиролизу, где образуются пиролизный кокс и пиролизный газ. На второй стадии способа пиролизный кокс из первой стадии способа газифицируется, где синтез-газ образуется, а шлак и другие остатки удаляются. На третьей стадии способа, синтезгаз со второй стадии способа превращается в углеводороды и/или другие твердые, жидкие и/или газообразные продукты, которые выделяются. Три стадии способа образуют замкнутый цикл. Излишки газа на третьей стадии способа передаются в качестве рециркулирующего газа на первую стадию способа и/или вторую стадию способа, и пиролизный газ первой стадии передаётся на вторую и/или третью стадию способа.

В предпочтительном варианте этого способа, водород поступает преимущественно на третью стадию способа и/или диоксид углерода поступает, преимущественно на первую или вторую стадию способа.

Этот способ может осуществляться под давлением на всех трех стадиях способа. Пиролизный газ из первой стадии способа может быть передан во вторую и/или в третью стадию способа. Синтез-газ из второй стадии способа может, в свою очередь, быть передан на третью и/или первую стадию способа.

Преимущественно поток газа в цикле протекает в определенном направлении. Газовый поток может, например, течь внутри цикла от первой стадии способа через вторую стадию способа к третьей стадии способа и обратно к первой стадии способа, или от первой стадии через третью ко второй стадии способа и снова обратно к первой стадии способа.

Особенно выгодно, если есть перепад давлений по циклу. Это позволяет потоку газа быть переданным по циклу без дополнительной системы транспорта, за исключением компрессора для создания давления.

Первая стадия способа в способе утилизации может осуществляться в одном или нескольких реакторах под давлением.

Тепловая энергия для реакций пиролиза на первой стадии способа может обеспечиваться частично или полностью возвращением части горячего синтез-газа со второй стадии на первую стадию способа и/или частичным окислением углеродсодержащего исходного материала и полученного пиролизного кокса.

Преимущественно первая стадия способа осуществляется при температуре от 300 до 800°С, пред- 3 024594 почтительно от 450 и 700°С и особенно предпочтительно от 500 до 600°С.

Вторая стадия способа утилизации может также осуществляться в одном или нескольких реакторах вторичного давления. Для реакции газификации на второй стадии кислород и/или пар и/или диоксид углерода могут быть использованы в качестве агента газификации.

Пиролизный кокс может быть газифицирован полностью или только частично. В последнем случае необработанный кокс может быть выделен вместе с полученным шлаком.

Тепловая энергия, необходимая для реакции газификации на второй стадии способа, может быть подана частично или полностью извне, например, с помощью нагревательных устройств и/или теплообменников, и/или может быть полученапутем окисления части пиролизного кокса с помощью окислителей, в частности кислорода.

Преимущественно вторая стадия способа в способе утилизации в соответствии с данным изобретением осуществляется при температуре от 600 до 1600°С, предпочтительно от 700 до 1400°С и особенно предпочтительно от 850 до 1000°С.

В предпочтительном варианте температура на второй стадии способа равна 850°С или выше, где пиролизный кокс и пиролизные газы остаются на второй стадии способа по крайней мере в течение 2 с. Таким образом, удовлетворяются условия, которые применяются во многих странах для обработки загрязнённых материалов и отходов.

Преимущественно, первая стадия способа и/или вторая стадия способа утилизации в соответствии с данным изобретением осуществляется при давлении от 1 до 60 бар, предпочтительно от 5 до 25 бар и особенно предпочтительно от 10 до 15 бар.

В другом преимущественном варианте способа утилизации в соответствии с данным изобретением первая и вторая стадии способа осуществляются в одном реакторе под давлением.

Третья стадия способа утилизации преимущественно осуществляется в одном или нескольких реакторах под давлением. Преобразование на третьей стадии способа предпочтительно протекает с помощью синтеза Фишера-Тропша или жидкофазного синтеза метанола.

В особенно преимущественном варианте способа в соответствии с данным изобретением электрическая и/или механическая энергия образуется за счет окисления углеводородов и других твердых, жидких и/или газообразных продуктов третьей стадии способа до газа, полученного в результате окисления, главным образом состоящего из диоксида углерода и воды. Преимущественно чистый кислород используется как окислитель. От газов, полученных в результате окисления, вода может быть конденсирована и/или отделена.

В преимущественном варианте этого способа в соответствии с изобретением, по крайней мере, часть газов, полученных в результате окисления, управляющего устройства повторно подается обратно на первую стадию способа и/или вторую стадию способа и/или третью стадию способа.

В особенно преимущественном варианте способа в соответствии с изобретением синтез-газ охлаждается в теплообменнике, где перегретый пар и/или другой горячий газ формируются, из которых электрическая и/или механическая энергия генерируется с использованием теплового двигателя, предпочтительно паровой турбины.

Комплекс в соответствии с изобретением для генерации энергии без вредных выбросов и/или углеводородов и других продуктов путем утилизации углеродсодержащих материалов включает в себя утилизационную установку, содержащую утилизационный блок с первым субблоком для проведения пиролиза углеродсодержащих материалов для формирования пиролизного кокса и пиролизного газа; вторым субблоком для проведения газификации пиролизного кокса для формирования синтез-газа и остатков, и третьим субблоком для преобразования синтез-газа в углеводороды и/или другие твердые, жидкие и/или газообразные продукты. Все три субблока утилизационного блока герметично закрыты и образуют главным образом замкнутый цикл. Транспортная труба для пиролизного газа соединяет первый субблок герметично со вторым и/или третьим субблоком. Транспортная труба для синтез-газа соединяет второй субблок герметично с третьим и/или первым субблоком. Транспортная труба для рециркулирующего газа соединяет третий субблок герметично с первым и/или вторым субблоком.

Преимущественно по крайней мере один компрессор располагается вдоль по крайней мере одной из упомянутых транспортных труб.

Могут быть обеспечены средства, которые вызывают течение газового потока вдоль транспортных труб только в одном определенном направлении, предпочтительно от первого субблока через второй субблок к третьему субблоку, и обратно к первому субблоку, или от первого субблока через третий субблок ко второму субблоку, и обратно к первому субблоку.

Субблоки, могут каждый иметь один или более реакторов под давлением. В предпочтительном варианте первый и/или второй субблок включает нагревательные устройства и/или теплообменники.

Может быть обеспечено разветвление транспортной трубы синтез-газа, посредством чего некоторое количество синтез-газа от второго субблока может быть возвращено в первый реактор под давлением.

В другом выгодном варианте комплекса в соответствии с изобретением первый субблок и второй субблок утилизационного блока содержат общий реактор под давлением.

Третий субблок утилизационного блока предпочтительно содержит установку синтеза Фишера- 4 024594

Тропша или установку жидкофазного синтеза метанола или другую подходящую установку для производства жидких продуктов.

Особенно выгодной является утилизационная установка, которую можно запустить таким образом, что будет перепад давления от первой стадии способа через вторую стадию к третьей стадии способа. Таким образом, массопередача вдоль циклического потока газа управляется разностью давлений между различными реакторами. Это существенное преимущество, так как это приводит к установке, требующей настолько малое количество движущихся компонентов, насколько это возможно.

Особым преимуществом изобретения является то, что комплекс не зависит от внешних условий, таких как давление, температура, влажность, и всех других внешних параметров. Так как в комплексе, в соответствии с изобретением, поток вещества идет в закрытом режиме, процесс в основном не зависит от внешнего давления.

Дальнейшим существенным преимуществом комплекса в соответствии с изобретением является то, что замкнутая система не требует обработки газа. Это еще одно преимущество, что формирование и разделение жидких продуктов из синтез-газа на третьей стадии способа неизбежно приводит к выделению частиц.

Особенно выгодный вариант осуществления комплекса в соответствии с изобретением включает энергетическую установку, которая устраивается для генерирования электрической и/или механической энергии и/или тепловой энергии, используя углеводороды и/или другие продукты утилизационной установки в качестве топлива. Преимущественно приводное устройство для генерации электрической и/или механической энергии из топлива осуществляется в энергетической установке, где упомянутое приводное устройство получает энергию, необходимую для эксплуатации, в результате окисления топлива до газа, полученного в результате окисления, состоящего главным образом из диоксида углерода и воды, и включает в себя устройство для сжатия и/или конденсации газа, полученного в результате окисления.

Приводное устройство может быть выполнено как топливный элемент или как тепловой двигатель. В особенно выгодном варианте, приводное устройство может работать с чистым кислородом в качестве окислителя.

В другом варианте осуществления комплекса в соответствии с изобретением, теплообменник предназначен для охлаждения потока газа, полученного в результате окисления, перед и на выходе из устройства для сжатия и/или конденсации газа, полученного в результате окисления.

Еще в одном варианте осуществления комплекса в соответствии с изобретением обеспечивается устройство для конденсации и/или отделения воды от газа, полученного в результате окисления. Это снижает, в частности, количество оставшегося остаточного газа.

Другой вариант такого комплекса в соответствии с изобретением включает хранилище для сбора газа, полученного в результате окисления, или остаточного газа после сжатия и/или конденсации газа, полученного в результате окисления, соответственно.

Может быть обеспечена транспортная труба для рециркуляции газов, полученных в результате окисления, или остаточных газов в одной из трех стадий способа утилизационной установки комплекса, соответствующего изобретению.

В другом предпочтительном варианте осуществления одного из вышеупомянутых комплексов в соответствии с изобретением, приводное устройство энергетической установки разработано как двигатель внутреннего сгорания по крайней мере с одной камерой сгорания для сжигания жидкого или газообразного топлива с кислородом, предназначенной для преобразовании давления результирующего газа или объема в механическую работу, с помощью подающего устройства для введения кислорода в камере сгорания, и с отводящим устройством для удаления газов, полученных в результате окисления, из камеры сгорания.

В особенно выгодном варианте такого комплекса для генерации энергии в соответствии с изобретением, приводное устройство энергетической установки обеспечивается подающим устройством для введения воды и/или водяного пара в камеру сгорания и/или в поток газа, полученного в результате окисления, после выхода из камеры сгорания. Приводное устройство может включать, например, турбинное устройство, которое управляется потоком газа, полученного в результате окисления.

В дальнейшем выгодном варианте комплекса в соответствии с изобретением, утилизационная установка состоит из энергетического блока для генерации электрической и/или механической энергии, с по крайней мере, одним приводным устройством для генерации электрической и/или механической энергии из пара и/или других горячих газов, которые были получены или перегреты в утилизационном блоке утилизационной установки.

В особенно выгодном варианте энергетический блок утилизационной установки включает в себя приводное устройства для генерации электрической и/или механической энергии из пара или других горячих газов, которые были получены или перегреты в утилизационном блоке. В цикле утилизационного блока по крайней мере один теплообменник обеспечен для нагрева пара и/или других газов и/или для получения пара.

Дальнейший особенно выгодный комплекс включает в себя установку для производства водорода, и средства для подачи водорода в утилизационный блок.

- 5 024594

Углеводороды и другие твердые, жидкие и/или газообразные продукты, которые были произведены с использованием способа, соответствующего изобретению, или с использованием комплекса, соответствующего изобретению, соответственно, могут быть дифференцированы от аналогичных нефтепродуктов, например, по отсутствию типичных серных и фосфорных примесей. В случае производства с долей исходного материала, являющегося биомассой, такие продукты имеют повышенную долю С14-изотопа, по сравнению с нефтепродуктами.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем комплекс, соответствующий изобретению будет описан со ссылкой на чертежи. Они показывают лишь примерные варианты осуществления предмета изобретения.

Фиг. 1 схематически изображает комплекс, соответствующий изобретению, для генерации энергии без вредных выбросов и/или углеводороды и другие продукты утилизации углеродосодержащих материалов.

Фиг. 2 схематически изображает вариант осуществления комплекса, соответствующего изобретению, с энергетической установкой удаленной от утилизационной установки.

Фиг. 3 схематически изображает общий типовой вариант осуществления утилизационной установки средства соответствующего изобретению с энергетическим блоком базовой нагрузки.

Фиг. ЗА схематически изображает возможный вариант энергетического блока базовой нагрузки как показано на фиг. 3.

Фиг. 4 схематически изображает общий типовой вариант осуществления комплекса, соответствующего изобретению, с утилизационной установкой, и энергетической установкой для генерации пиковой энергетической нагрузки из топливных соединений, произведенных в утилизационной установке.

Фиг. 4А схематически изображает возможный вариант осуществления энергетической установки пиковой нагрузки, как показано на фиг. 4.

Фиг. 5 схематически изображает возможный вариант осуществления комплекса, соответствующего изобретению, с утилизационной установкой, имеющей энергетический блок базовой нагрузки и энергетическую установку пиковой нагрузки.

Фиг. 6 схематически изображает комплекс, соответствующий изобретению, имеющий подачу химической энергии в виде водорода.

Фиг. 7 схематически изображает силовой контур (а) обычной тепловой электростанции (Ь), (с) комплекс, соответствующий изобретению, и (6) контуры пиковой и базовой нагрузок комплекса, соответствующего изобретению.

Фиг. 8-12 схематически изображают разные возможные примерные варианты осуществления утилизационных установок комплекса, соответствующего изобретению.

Фиг. 13 и 14 схематически изображает два варианта осуществления приводного устройства энергетической установки пиковой нагрузки, чье приводное устройство реализовано в виде двигателя внутреннего сгорания.

Фиг. 15 схематически изображает приводное устройство энергетической установки пиковой нагрузки, чье приводное устройство реализовано в виде комбинированной газ/пар турбины.

Формы осуществления изобретения

Примеры, рассмотренные в дальнейшем, даны для лучшей иллюстрации данного изобретения, но не подходят для ограничения изобретения по признакам, описанным здесь.

Установка и способ генерации электрической и механической энергии

Фиг. 1 схематически изображает возможный вариант осуществления комплекса Ζ, соответствующего изобретению для генерации энергии без вредных выбросов и/или углеводородов и других продуктов утилизации углеродсодержащих материалов, имея утилизационную установку А для термохимической утилизации углеродсодержащих материалов М10, чтобы получить углеводороды и другие продукты М60 и/или газообразные топлива М61 (химическая энергия), также генерацию электрической и/или механической энергии Е1.

Утилизационная установка А содержит блок питания АН, в котором необработанный исходный углеродсодержащий материал М10, который должен быть утилизирован, перерабатывается в углеродсодержащий исходный материал М11. В зависимости от вида исходного материала М10, могут появляться остатки М17, которые могут впоследствии быть использованы, например металлы.

В дополнение к обработанному углеродсодержащему исходному материалу М11, другие источники химической энергии могут быть использованы, например, метан или другие побочные продукты химической промышленности или нефтяной промышленности, которые не могут быть разумно использованы иначе.

Основой утилизационной установки А является утилизационный блок АВ, в котором в первом субблоке АС первой стадии Р1 способа обработанные углеродсодержащие материалы М11 поставляются и подвергаются процессу пиролиза, где образуются пиролизный кокс М21 и М22 пиролизный газ. Во втором субблоке АО второй стадии Р2 способа пиролизный кокс М21 из первой стадии способа газифицируется, где образуется синтез-газ М24, а шлак и другие остатки М90 остаются. В третьем субблоке АЕ третьей стадии Р3 способа синтез-газ М24 со второй стадии способа преобразуется в углеводородные

- 6 024594 твердые, жидкие и/или газообразные продукты М60, М61. Все три стадии способа герметично закрыты, и формируют в значительной степени замкнутый цикл.

Тепловая энергия, появляющаяся в способе утилизации, соответствующем изобретению, может быть собрана из первого утилизационного блока АВ виде пара М52, и может быть использована в энергетическом блоке АР для генерации электрической и/или механической энергии Е1, посредством подходящего приводного устройства, например паровой турбины (не показано). Также возможен и целесообразен нагрев сжимаемой среды, такой как, например, азот, для работы приводного устройства. Во время постоянной работы утилизационного блока АВ, таким образом может генерироваться определенная базовая выходная мощность. Энергетический блок АР является дополнительным компонентом комплекса, соответствующего изобретению.

Отводящий блок АО используется для отведения и обработки накапливающейся золы и других твердых отходов М90.

Комплекс, соответствующий изобретению, может в дальнейшем включать в себя энергетическую установку С для генерации электрической и/или механической энергии Е2 без вредных выбросов, или тепловой энергии Е4, путем утилизации углеродсодержащих продуктов М61 из утилизационной установки А в виде топлив. Получающиеся газы М27, полученные в результате окисления, направляются обратно в утилизационную установку, и так не происходят выбросы.

Энергетическая установка С может быть разработана как тепловая установка для генерации тепловой энергии Е4 для отопления строений. Альтернативно энергетическая установка может быть разработана как электростанция для генерации электрической энергии Е2.

Между утилизационной установкой А и энергетической установкой С, преимущественно вводится установка В для транспорта и временного хранения топлив и газов, полученных в результате окисления. Такая установка В также может включать в себя средства для обработки топлив М61, которые будут использованы в энергетической установке С.

Углеводородсодержащие топлива М61, образованные на стадии синтеза способа Р3, временно хранятся в резервуарах или в хранилищах под давлением установки В (не показана). Из этих хранилищ топлива собираются при надобности и преобразуются в энергетической установке С в электрическую и/или механическую энергию Е2, с использованием подходящего приводного устройства. Это может происходить, например, с помощью тепловой машины или устройства на топливных элементах. Остаточный газ М 26, содержащий диоксид углерода, из энергетической установки С рециркулируется обратно в утилизационный блок АВ. При необходимости может быть предоставлено временное хранение.

Энергетическая установка С выгодна тем, что выделенная энергия, произведенная комплексом Ζ, соответствующим изобретению, может быть приспособлена в краткие сроки к настоящим необходимым требованиям.

Химические топлива М61 в этом случае играют роль временного хранилища энергии. Во время пикового энергопотребления, например, подходящее приводное устройство, к примеру, газовая турбина и/или паровая турбина, работающие на топливах М61, могут быть быстро запущены в работу и производить электрическую и/или механическую энергию. Пиковый выход комплекса Ζ может превышать тепловой базовый выход устройства Ζ на короткое время, благодаря энергетической емкости химических топлив М61.

Возможно использовать в дальнейшем в энергетической установке С дополнительные топлива М14, в дополнение к топливам, поставляемым утилизационной установкой А. Энергетическая установка С может быть установлена вместе с утилизационной установкой А в том же месте. Кроме того, также возможно, как показано на фиг. 2, что в комплексе Ζ, соответствующем изобретению, энергетическая установка С располагается пространственно удаленно от утилизационной установки А. Топлива М61 и газы М27, полученные в результате окисления, могут быть транспортированы, например, по рельсам, судном или по трубопроводу, где в таком случае транспортное средство (цистерна, резервуар на судне, трубопровод) действует в то же время как временное хранилище ВА, ВВ. Общая система транспорта материала между установками А и С в этом случае выглядит как часть установки В для транспорта и временного хранения топлив и газов, полученных в результате окисления.

В то время как транспорт химической энергии в виде топлив М61 на большие расстояния существенно более эффективен, чем передача электрической энергии, расположение энергетической установки С пиковой нагрузки комплекса Ζ, соответствующего изобретению, может быть избирательно расположено там, где возникает соответствующая необходимость, тогда как утилизационная установка А преимущественно сооружается там, где производятся исходные углеродсодержащие материалы М10.

Комплекс, соответствующий, изобретению может в дальнейшем включать в себя установку Ό для генерации и подачи внешней химической энергии. К примеру, водород М32 может быть произведен и подан как источник внешней химической энергии. Такой возможный вариант осуществления комплекса Ζ, соответствующего изобретению, будет более детально разобран в обсуждении фиг. 6.

Возможный вариант осуществления утилизационной установки А комплекса Ζ соответствующего изобретению, схематически изображен на фиг. 3. Изображенная установка А включает в себя утилизационный блок АВ для утилизации углеродсодержащего исходного материала М11, и энергетический блок

- 7 024594

АР для генерации, главным образом, постоянного базового количества Е1 электрической и/или механической энергии.

Структура утилизационного блока АВ соответствует, главным образом, примерному утилизационному блоку который будет обсужден позже со ссылкой на фиг. 9. Энергетический блок АР базовой нагрузки описывается только как блок. Возможный вариант осуществления будет обсужден в фиг. 3А.

В теплообменнике/перегревателе А44, в котором в то же время горячий синтез-газ М24 со второй стадии способа Р2 охлаждается до температуры третьей стадии способа Р3, производится перегретый пар М52 (приблизительно 550-600°С/50 бар) из более холодного пара М51. При необходимости, следующий далее теплообменник может охлаждать дальше поток синтез-газа. Перегретый пар М52 подается в энергетический блок АР, где он утилизируется для генерации электрической и/или механической энергии Е1. Остаточный конденсат пара М41 направляется обратно в утилизационный блок АВ, где преобразуется на третьей стадии способа Р3 в пар М51, и этот пар М51 впоследствии снова преобразуется в теплообменнике/перегревателе А44 в перегретый пар М52.

Примерный вариант осуществления энергетического блока АР на фиг. 3А включает в себя приводное устройство А61 в виде паровой турбины А62, или иного теплового двигателя для генерации механической энергии, которая может приводиться в действие перегретым паром М52, и в данном примере генераторное устройство А64, которое генерирует электрическую энергию Е1.

После расширения в паровой турбине А62 отработанный пар М53 конденсируется в холодильнике/подогревателе А63, где отработанное тепло отводится через удобно спроектированный цикл охлаждения А65.

Полученный пар М41 преимущественно имеет температуру 60-70°С, поэтому вода в следующей стадии нагрева А32 утилизационной установки АВ не нуждается в сильном подогреве. В то же время, вода не должна быть слишком горячей, чтобы предотвратить кавитацию в насосе А66. Конденсат М41 транспортируется насосом А66 из временного хранилища (не показано) в теплообменник/бойлер А32 стадии способа Р3, где он в свою очередь испаряется в пар М51 (приблизительно 250-300°С/20 бар), с одновременным охлаждением фазы синтеза Р3. Пар М51 хранится в паровом куполе (который не показан), чтобы, во-первых, отделить оставшуюся воду перед попаданием в перегреватель А44, и во-вторых, чтобы образовать хранилище, из которого технологический пар М50 может быть получен для разных целей в утилизационном блоке АВ. Потери в цикле и потребление технологического пара М50 компенсируются новой подачей воды в хранилище конденсата (не показано).

В альтернативном варианте в паровой турбине А 62, на выходе из стадии высокого давления, некоторый пар может быть экстрагирован как технологический пар М50, что изображено на фиг. 3А пунктирной линией. Таким образом, большее количество пара М 52 может быть утилизировано для генерации энергии, и только после этого подается необходимый технологический пар.

Отработанный пар от потребителей технологического пара, таких как, например, теплообменники А34 и А17 может также быть конденсирован М41 и рециркулирован в питательную воду М40, что дает в результате энергетический цикл замкнутый, насколько это возможно.

Вместо приведения в действие энергетического блока АР горячим паром также можно нагревать в сжимаемой среде в теплообменниках А32, А44 утилизационного блока, такой как, например, азот, для последующего использования этого горячего газа для приведения в действие теплового двигателя энергетического блока АР. Использование инертного газа вместо более агрессивного горячего пара имеет среди прочего то преимущество, что снижаются коррозионные повреждения компонентов установки.

Соответственно, в утилизационной установке А циклы пара могут также проводиться по-разному, с помощью различных теплообменников, в целях достижения как можно более высокой эффективности установки А.

В комплексе, соответствующем изобретению, только при наличии энергетического блока АР базовой нагрузки, что например раскрыто в фиг. 3, продукты, образованные в Р3 стадии синтеза, могут быть использованы в качестве топлива М61 для обычной энергетической установки С, которая может приводится в действие с использованием ископаемых топлив, например дизель-генераторы или газотурбинные генераторы, которые могут быть использованы для покрытия пиковых нагрузок. Химические топлива М61 в таком случае служат для достижения в течение короткого времени очень высоких объемов производства, независимо от базовой системы АВ, АР, которая работает в равновесном состоянии. Таким образом, в течение очень короткого периода времени общая мощность комплекса Ζ, соответствующего изобретению, к примеру 100% постоянная базовая нагрузка производства Р_с2 может быть увеличена до, например, 600% пиковой нагрузки производства Р_е2.

Кроме того, продукты М60 также могут быть использованы другими способами, например, для производства топлив, или в качестве реагентов для химической промышленности.

Такой комплекс, соответствующий изобретению, имеет по сравнению с обычными установками, среди прочего, то преимущество, что в связи с замкнутым потоком материала на трех этапах способа, можно обойтись без фильтров дымовых газов и каталитических устройств для очистки отработанных газов сгорания в утилизационном блоке АВ установки. Это приводит к сокращению числа компонентов такой установки и тем самым снижает инвестиционные расходы и эксплуатационные расходы.

- 8 024594

Кроме того, такой утилизационный блок также требует меньше пространства, так как не нужны системы фильтров, трубы и т.д. не требуются, и объемы потоков материала ниже, в связи с высоким давлением.

В особенно выгодном варианте осуществления комплекса Ζ, соответствующего изобретению, как схематически раскрыто на фиг. 4, энергетическая установка С для покрытия пиковых нагрузок Е2 предусмотрена так, что может приводится в действие топливами М61 из утилизационной установки А. Энергетическая установка С разработана таким образом, что диоксид углерода, накапливающийся в течение генерации энергии, направляется обратно в цикл утилизационной установки, и поэтому не образуются выбросы.

Топлива М61 преимущественно получаются из временного хранилища ВА установки транспорта/хранения В, например, из системы резервуаров или хранилища под давлением, для того, чтобы преодолеть пиковое потребление. Появляющийся диоксид углерода, содержащий остаточные газы М26 от энергетической установки В, может быть собран и хранится во временном хранилище ВВ.

Возможный вариант энергетической установки С показан на фиг. 4а. Приводное устройство С11 генерирует электрическую и/или механическую энергию Е2 с помощью химических источников энергии М61 из Р3 стадии синтеза утилизационного блока АВ. Упомянутое приводное устройство С11 может быть, например, тепловым двигателем, в котором тепло, возникающее при окислении топлив М61 до диоксида углерода, преобразуется в механическую работу, например, для приведения в действие генераторной установки (не показано), или установки топливного элемента, в которых реакция окисления используется непосредственно для генерации электрической энергии Е2.

Такое приводное устройство С11 включает в себя замкнутый цикл, то есть оно не вызывает никаких выбросов в атмосферу. Газы М27, полученные в результате окисления, произведенные во время выполнения механической работы, которые содержат в основном только диоксид углерода и, если применимо, также воду, являются постобработанными С12, сжатыми С13, и оставшийся остаточный газ М26 подается обратно в цикл утилизационной установки АВ.

Если утилизационная установка А и энергетическая установка пиковой нагрузки расположены рядом, остаточный газ М26 может быть подан непосредственно обратно. В предпочтительном варианте обеспечивается временное хранилище ВВ, как показано на фиг. 4. Как уже было описано выше, энергетическая установка С комплекса Ζ, соответствующего изобретению, может быть организована отдельно от утилизационной установки А.

Реакция окисления, генерирующая тепловую или электрическую энергию, происходит в приводном устройстве С11 с использованием чистого кислорода М31 вместо воздуха. Использование кислорода М31 вместо воздуха позволяет, во-первых, избежать, из-за отсутствия атмосферного азота в термохимической реакции при высоких температурах, образования оксидов азота, особенно, однако, главным образом, только диоксид углерода и пары воды остаются в получающихся газах М27, полученных в результате окисления. В зависимости от стехиометрии реакции появляющиеся газы также могут содержать определенные доли окиси углерода и непрореагировавшего топлива. Они могут также подаваться без проблем в цикл утилизационной установки А.

Продукты реакции М27 энергогенерирующей реакции окисления преимущественно газообразные. Соответствующая смесь газов, полученных в результате окисления, затем сжимается С13, чтобы уменьшить объем. С помощью теплообменника С12 смесь газов М27, полученных в результате окисления, может быть охлаждена до и/или после сжатия. Вода М41 конденсируется и отделяется, посредством чего только диоксид углерода остается в остаточном газе М26, если применимо наличие фракций окиси углерода и непрореагировавшего топлива. Остаточный газ М26 затем подается на первую стадию Р1 способа в утилизационный блок АВ установки А, что дает в результате замкнутый цикл материала. Кроме того, остаточный газ М26 также может быть подан во вторую стадию Р2 или третью стадию Р3 способа, что указано на фиг. 4 пунктирными стрелками.

Таким образом, возможно, что в комплексе Ζ, соответствующем изобретению, жидкие или газообразные углеводороды и углеводородные производные производятся из углеродсодержащих материалов М11, и полученная смесь полноценного топлива М61 впоследствии преобразуется в электрическую энергию Е2. Диоксид углерода подается обратно и частично или полностью преобразуется обратно в топливо М61 в утилизационной установке А. Таким образом, эффективное отведение диоксида углерода генераторной установки С пиковой нагрузки может быть очень значительно сокращено или даже полностью исключено.

Приводное устройство также может без проблем приводиться в действие в совместной операции с водородом М32 в качестве дополнительного топлива. В таком случае, водородная фракция приводит к уменьшению количества остаточного газа М26, получающегося на выходе из теплообменника/холодильника и компрессора, так как только вода возникает в результате окисления водорода кислородом.

Дальнейшие возможные варианты осуществления подходящих приводных устройств для энергетической установки будут обсуждаться позже в фиг. 13-15.

Другой выгодный вариант комплекса Ζ в соответствии с изобретением показан на фиг. 5. Это

- 9 024594 включает, в дополнение к утилизационному блоку АВ, как энергетический блок АВ базовой нагрузки, так и энергетическую установку С пиковой нагрузки.

В дальнейшем выгодном варианте способа утилизации, соответствующего изобретению, химическая энергия вводится в процесс в виде молекулярного водорода в относительно больших количествах. Такой вариант осуществления комплекса Ζ, соответствующего изобретению, изображен, например, схематически на фиг. 6(а). Утилизационная установка А получает материал в виде исходных углеродсодержащих материалов М10, как уже было описано выше. Диоксид углерода М33 также подходит в качестве источника углерода. Основным источником энергии, используемой в показанном варианте, является в основном химическая энергия молекулярного водорода М32. С одной стороны, водород служит для сокращения исходного материала, а во-вторых, окисление кислородом приводит к подаче тепловой энергии.

Молекулярный водород М32 может быть произведен из воды путем электролиза, при этом также накапливается молекулярный кислород М31. Электрическая энергия Е1 может быть преобразована таким образом в химическую энергию. Газообразный молекулярный водород, однако, имеет значительно более низкую плотность энергии по сравнению с жидкими топливами, и по сравнению с газообразными углеводородами, в результате чего до сих пор не удалось установить его для использования в качестве горючего для автомобилей.

В способе утилизации, соответствующем изобретению, химическая энергия водорода может быть преобразована эффективно в химическую энергию в виде высококачественных углеводородов и других продуктов. Преимущественно, кислород М31, появляющийся в процессе электролиза, используется также для того, чтобы ввести всю появляющуюся химическую энергию в процесс, или максимум электрической энергии, вложенной в электролиз соответственно.

В показанном примере установка Ό обеспечивает молекулярный водород М32 и кислород М31. Электрическая энергия Е3 для реакции электролиза происходит преимущественно от регенеративных источников энергии (энергия ветра, солнечная энергия, гидроэнергия и др.). Это имеет большое преимущество в том, что изначальный недостаток ветряных энергетических установок ΌΑ и солнечных энергетических установок ΌΒ может быть преодолен, а именно циклических, и в связи с зависимостью от внешних факторов, не всегда гарантирована генерация энергии. Это приводит к соответственно низким достижимым рыночным ценам на генерируемую электрическую энергию. Превращением в химическую энергию (молекулярный водород М32 и кислород М31), напротив, выход произведенной энергии может быть временно сохранен. Водород и, если возможно, также кислород, затем используется в процессе, соответствующем изобретению, для того, чтобы производить, например, легче управляемые жидкие топлива, которые имеют более высокую плотность энергии, или другие ценные продукты.

Энергия от энергогенерирующих блоков ΌΑ, ΌΒ установки Ό транспортируется в виде электрического тока в блок электролиза ЭС, который находится на месте утилизационной установки, в котором затем локально производятся водород М32 и кислород М31. Часть кислорода не нужна и может быть использована другими способами, например, в энергетической установке С комплекса Ζ, соответствующего изобретению. Временные хранилища ΌΕ, ΌΡ, например, в виде емкостей под давлением, служат в качестве буфера для компенсации нестабильной генерации энергии энергогенерирующих блоков ΌΑ, ΌΒ.

Как уже было объяснено выше, утилизационная установка производит высококачественные углеводороды и другие продукты синтеза М60, и, в зависимости от обстоятельств, энергию Е1. Остатки М90 непрерывно удаляются из системы. Кроме того, вода может быть легко удалена из системы, например, конденсацией М41. В показанном примерном варианте осуществления, вода главным образом служит окислителем и средством газификации, если нет доступного кислорода. Вода М41, удаленная из системы, однако, также служит в качестве поглотителя кислорода. В основном это актуально, когда система поглощает большое количество диоксида углерода М33 как источник углерода.

В комбинации, как изображено на фиг. 6(а), способ утилизации, соответствующий изобретению, может также производить ценные и энергоемкие углеродсодержащие продукты М60 от сравнительно низкоэнергетических источников углерода. В крайнем случае, этот способ может в принципе проводиться исключительно с использованием чистого диоксида углерода в качестве источника углерода. Так как подаваемая электрическая энергия, происходит, прямо или косвенно (энергия ветра, гидроэнергия) от Солнца, то результат - видно из основной позиции - искусственный фотосинтез, а именно создание углеродных соединений из диоксида углерода, воды и солнечного света.

Сочетание утилизационной установки А с энергетической установкой С является факультативным.

В случае если возобновляемые источники энергии находятся слишком далеко, более эффективным может быть транспорт произведенного местно водорода М32 к утилизационной установке, вместо электрического тока. Такой вариант, например, изображен на фиг. 6(б). Энергия Е3 образуется в энергогенерирующих блоках ΌΑ, ΌΒ, которые находятся дальше, из которых затем молекулярный водород М32 производится в блоке электролиза ЭС. Этот молекулярный водород хранится во временном хранилище ΌΕ, и переносится в подходящих транспортных средствах ΌΟ в утилизационную установку А. Водород, произведенный как побочный продукт, в химической промышленности может служить дальнейшим ис- 10 024594 точником молекулярного водорода М3 2.

Разница в спектре мощности комплекса Ζ, соответствующего изобретению, по сравнению с обычной электростанцией, приводимой в действие углеродсодержащими топливами, объясняется более точно на фиг. 7(а)-(6).

Фиг. 7(а) схематически изображает мощностной профиль обычной тепловой электростанции. Вертикальная ось показывает мощность Р, а горизонтальная ось - время ΐ. Электростанция имеет дополнительное теплосодержание Р_а, то есть энергию тепла или энергию, содержащуюся в топливе, как химическая энергия и эффективная тепловая мощность Р_ь, то есть тепловая энергия, эффективно конвертируемая в электрическую или механическую энергию в единицу времени. Потребность в электроэнергии Р_е обычной электросети меняется не только днем, но и в течение недели. Для того, чтобы быть в состоянии покрыть электростанцией также пиковые нагрузки, в дополнение к базовой нагрузке Р_с, вся номинальная мощность такой установки электростанции должна быть направлена на пиковую нагрузку. Это означает, что в связи с необходимой пиковой производительностью задание размеров установки больше, чем было на самом деле, необходимо на основе средней суммарной мощности.

В комплексе, соответствующем изобретению, для генерации энергии, напротив, в этом нет необходимости. Такой комплекс Ζ, как изображено, например, на фиг. 1, преобразует в утилизационной установке постоянную часть химической энергии, поданной в виде углеродсодержащих материалов М10, М11, в тепловую энергию в виде пара, который затем преобразуется например, с помощью паровой турбины энергетического блока АТ базовой нагрузки в электрическую энергию Р_£. Еще одна часть химической энергии, поданной в виде углеродсодержащих материалов М10, М11, преобразуется на стадии синтеза Р3 утилизационного блока АВ с постоянной производственной мощностью Р_д в химическую энергию в виде ценных углеродсодержащих топлив М61, например, дизель-продуктов или газообразных продуктов, таких как пропан. Эти топлива могут быть сохранены ВА в любом желаемом количестве и/или, как показано на фиг. 2, транспортированы на короткие или более длинные расстояния.

Фиг. 7(6) схематически изображает профиль общей мощности Р_е комплекса, соответствующего изобретению, на протяжении недели. Во время пиковой потребности нагрузки в течение рабочего дня энергетическая установка С пиковой нагрузки генерирует электрическую энергию из химического топлива М61, которая затем может быть подана за соответственно высокую цену в энергосеть. Потребность в химических топливах М61 в значительной степени, превышает в этом случае производственную мощность Р_д утилизационной установки А, что отмечено (-). Это превышающее средний уровень потребление берется из хранилища топлива ВА. Ночью и в выходные дни спрос значительно снижается, и производственная мощность Р_д превышает потребность Р_е, что отмечено (+). Как следствие, хранилище топлива ВА пополняется вновь.

В периоды базовой нагрузки, энергетическая установка С может быть снижена до минимального уровня мощности, как показано на фиг. 7(6), или энергетическая установка С полностью закрывается, поэтому базовая нагрузка Р_с полностью покрывается энергетическим блоком АТ базовой нагрузки.

Комплекс, соответствующий изобретению, следовательно, имеет существенное преимущество в том, что только часть Р_£ постоянной эффективной мощности Р₆ появляется в виде тепловой энергии, которая, как в обычной электростанции должна быть преобразована непосредственно в электрическую и/или механическую энергию. Эта часть Р_£ может быть использована для доставки мощности для минимальной базовой нагрузки Р_с. Другая часть Р_д эффективной мощности Р₆, с другой стороны, временно хранится в виде топлива М61 в хранилище ВА. Потребность (Р_е-Р_£), превышающая тепловую мощность энергетического блока АТ базовой нагрузки может быть покрыта энергетической установкой С пиковой нагрузки из топливного хранилища ВА. Это позволяет комплексу, соответствующему изобретению, быть разработанным таким образом, что эффективная мощность Р₆, составленная из тепловой мощности Р_£ энергетического блока АТ базовой нагрузки и производственной мощности стадии Р3 синтеза утилизационного блока АВ, соответствует средней потребности, как показано на фиг. 7(б). В результате, в комплексе, соответствующем изобретению, имеющем ту же эффективную тепловую мощность Р₆, как тепловую мощность Р_ь обычной установки электростанции, достигаются сравнительно более высокая базовая мощность нагрузки Рс1 и более высокая пиковая мощность нагрузки, где в течение короткого времени пиковая мощность может значительно превышать эффективную тепловую мощность Р₆.

Считается, наоборот, что комплекс Ζ, соответствующий изобретению, для того, чтобы быть в состоянии покрыть профиль определенной потребности, может быть разработан со значительно меньшей установленной тепловой мощностью, например, с 75% или 50% от тепловой мощности по сравнению с обычной электростанцией. Это приводит к значительно меньшим капитальным затратам.

Комплекс, соответствующий изобретению, может быть разработан и оптимизирован таким образом, что мощность Р_£, произведенная непосредственно из тепловой энергии, сокращается в пользу мощности Р_д, произведенной из топлив М61. Такой вариант показан на фиг. 7(с). Такой комплекс, соответствующий изобретению, может, при покрытии сниженной минимальной базовой нагрузки Р_с2, хранить значительно большее количество энергии. Соответствующая запасенная энергия может, наконец, быть использована для генерации мощности пиковой нагрузки Р_е2, которая затем может быть продана по более высокой цене.

- 11 024594

В зависимости от обстоятельств можно оптимизировать комплекс, соответствующий изобретению в отношении гибкой генерации пиковой энергетической нагрузки в той степени, чтобы мощность базовой нагрузки энергии АР была минимальной, и при необходимости могла быть только достаточной для покрытия внутренней энергетической потребности комплекса.

Утилизационные способы и утилизационные установки

Первый возможный вариант конфигурации установки А для термохимической утилизации углеродсодержащих твердых веществ, используя способ, соответствующий изобретению, и соответственно комплекс, соответствующий изобретению, схематически изображен на фиг. 8. Утилизационная установка А комплекса Ζ, соответствующего изобретению, включает в себя утилизационный блок АВ с тремя субблоками АС, АО, АЕ для проведения трех стадий Р1 способа, Р2, Р3, соответствующего изобретению, которые связаны так, чтобы образовывать замкнутый цикл таким образом, что они позволяют образовать замкнутый циклический поток газа. Из блока обработки АН изображен только бункер А91 для снабжения углеродсодержащим материалом М11 обрабатываемого для способа. Из блока отведения АС, с другой стороны, только хранилище шлака А92 изображено. Утилизационная установка А может включать в себя энергетический блок (не показано) или нет. Это не относится к функциональности способа утилизации.

Три субблока АС, АО, АЕ утилизационного блока АВ связаны с замкнутым циклом таким образом, что они позволяют замкнутый, циклический поток газа. В первой стадии Р1 способа (стадия пиролиза), и первом субблоке АС соответственно, исходные углеродсодержащие материалы М11 подвергаются пиролизу под давлением, образуя пиролизный кокс М21 и пиролизные газы М22. Во второй стадии Р2 способа (стадии газификации), и втором субблоке АО, соответственно, пиролизный кокс М21 газифицируется для образования синтез-газа М24, который, наконец, реагирует в третьей стадии способа Р3 (стадии синтеза), и в третьем субблоке АЕ, соответственно, для образования углеводородов и/или твердых, жидких или газообразных продуктов М60.

Углеродсодержащие исходные материалы М11, которые должны быть обработаны, подаются в цикл непрерывно от подающего комплекса АН, Р6 через первую стадию Р1. Одновременно продукты М60, М61, произведенные из синтез-газа М24, постоянно выводятся из третьей стадии Р3. Различные остатки М91, М92, М93 постоянно удаляются из цикла.

Многообразие углеродсодержащих материалов может быть использовано в качестве исходного материала М11 для способа утилизации, соответствующего изобретению, в частности, отходов, биомассы, угля и других гетерогенных материалов, таких как, например, загрязненная почва, но также заранее сохраненных отходов, например, со свалок. Это делает возможным экологически чистое и экономически эффективное избавление от открытых свалок. Кроме того, твердо-жидкие нефтесодержащие материалы, которые трудно утилизировать, такие как горючие сланцы, нефтеносный песок или песок нефтешламов, могут быть утилизированы способом, соответствующим изобретению. Газообразные углеродсодержащие побочные продукты химической промышленности или нефтяной промышленности, которые в противном случае не могут быть утилизированы и возможно даже будут сжигаться в факелах, также могут быть использованы в качестве добавок М12.

Теплотворная способность исходных материалов, содержание углерода, содержание воды, содержание несгораемых остатков, таких как металл, стекло и керамика, может очень сильно варьироваться. Для этого исходный материал можно измельчать на части размера, пригодного для использования определенной утилизационной установкой, в которой предпочтительный размер куска зависит от консистенции материала и от конкретной конструкции первого реактора под давлением и системы внутреннего транспорта в реакторе, соответственно. Для обработки с помощью подвижной решетки, например, очень подходит кусок размером примерно 5-10 см.

Первая стадия Р1 способа включает в себя в показанном примере первый реактор А13 под давлением, в котором под давлением происходит пиролиз углеродсодержащих исходных материалов М11. Исходный материал М11 передается в реакторе пиролиза под давлением А13 с помощью подходящего пневматического затвора А11. В показанном варианте осуществления пиролизный реактор А13 состоит из горизонтального корпуса давления А14, в котором горизонтальный транспорт кускового материала проходит по реактору в процессе пиролиза через схематически изображенную подвижную решетку А15, с двигающимися взад и вперед пластинами решетки. Любое другое транспортное устройство подходит для непрерывного продвижения исходного материала, который должен быть обработан, также является полезным, например, роликовые решетки, цепные конвейеры, винтовые конвейеры т.д. Вращающаяся печь также может быть использована.

В пиролизном реакторе А13 материал транспортируется непрерывно через реактор А13 под давлением при температуре около 300-800°С и давлении 1-60 бар и в ходе этого подвергается пиролизу при отсутствии кислорода. Температура выбрана, между прочим, таким образом, что в дополнение к поддержанию реакции пиролиза желаемое рабочее давление поддерживается, во-первых, за счет расширения газов в связи с температурой и, во-вторых, за счет нового производства пиролизных газов. Минимальная температура 450°С обеспечивает непрерывную полную реакцию свободных кислородных соединений при пиролизе. Рабочая температура 500-600°С и рабочее давление от 5 до 25 бар особенно хорошо подходят.

- 12 024594

Тепловая энергия, необходимая для реакции пиролиза, происходит, в первую очередь, от горячего газа обратного потока М24Ь из второго реактора А21, который будет рассмотрен далее в этом документе. Кроме того, технологический пар М50 служит для поддержания рабочей температуры в первом реакторе. Внешние источники тепла, такие как, например, теплообменник или внешний нагреватель также могут присутствовать. Последний также является преимуществом при запуске утилизационной установки А из холодного состояния.

Рециркулирующий газ М25 из третьей стадии (стадии синтеза) Р3 подается в первый реактор под давлением А13 через компрессор А42. Рециркулирующий газ М25 содержит в основном диоксид углерода, а также водяной пар, и окиси углерода и водорода, которые не прореагировали на стадии синтеза, а также остаточное содержание углеводородов с низким молекулярным весом. Для того, чтобы иметь возможность контролировать процесс, дополнительный углерод, имеющий высокую теплотворную способность, может быть введен в реактор А13, например, в виде угля или мазута. Эти добавки М12 могут быть добавлены заранее к исходному материалу М11, или введены раздельно в реактор А13. Смешивание вязких добавок М12 с твердыми исходными материалами М11 облегчает транспортировку вязкого материала внутри реактора. Жидкие добавки М12 дополнительно увеличивают количество пиролизного газа, и, следовательно, рабочее давление.

В пиролизе в первой стадии Р1, образуется пиролизный кокс М21, который по существу состоит из твердого углерода и неорганических остатков. Пиролизный кокс М21 отводится в конце реактора А13 под давлением. Пиролизные газы М22, образующиеся при пиролизе, содержат не только газообразные вещества, но также материалы, которые являются твердыми и жидкими при комнатной температуре. Состав пиролизных газов М22 естественно во многом зависит от исходных материалов, а также может содержать загрязняющие вещества.

Пиролизный кокс М21 транспортируется под давлением в реакторе под давлением А21 второй стадии Р2 способа. Замкнутый винтовой конвейер, например, снова подходит. Может быть предоставлен пневматический затвор. Пиролизные газы М22 также транспортируются через отдельную транспортную трубу во второй реактор А21 под давлением. Компрессор А41 расположенный в транспортной трубе передает пиролизные газы во второй реактор под давлением А21, который находится под более высоким рабочим давлением.

Во второй стадии Р2 способа рабочая температура от 600 до 1600°С. В этой второй стадии способа твердый углерод в пиролизном коксе М21 затем газифицируется при использовании диоксида углерода и кислорода в случае необходимости и/или пара, как газифицирующего агента, чтобы образовать монооксид углерода и водород, в соответствии с реакциями I, II и III.

Диоксид углерода происходит в основном из рециркулирующего газа М25. Дополнительный диоксид углерода М33 также может подаваться в цикл.

Водяной пар состоит в основном из остаточной влажности исходного материала М11. Технологический пар М50 также может быть подан.

Тепловая энергия, необходимая для протекания этих эндотермических реакций пиролиза происходит, например, от неполного окисления твердого углерода (реакция III) с кислородом М31, прошедшего во второй реактор А21 под давлением. Экзотермическая реакция сдвига водяного газа IV также может оказывать свое влияние на это.

Для запуска утилизационной установки А, а также для контролирования способа, может быть необходимым подавать дополнительные топлива М13 во второй реактор А21, такие как, например, кокс, нефть и нефтяной газ и/или увеличить поступление кислорода для того, чтобы временно увеличить генерацию тепла.

Соотношение между монооксидом углерода и водородом, что важно для последующего синтеза в третьей стадии Р3, дается экзотермической реакцией сдвига водяного газа IV и может сдвигаться в правую сторону, добавлением технологического пара М50. Тем не менее, целесообразно сохранить общее количество воды в системе как можно более низким, а также ввести дополнительный водород М32 непосредственно в третьей стадии способа, вместо.

В показанном примере утилизационного блока АВ, вторая стадия также включает в себя корпус давления А22, в котором пиролизный кокс транспортируется внутри реактора А21 подвижной решеткой А23. Опять же, другие транспортные системы также возможны, так как они уже обсуждались для первого реактора А13 под давлением. Это имеет то преимущество, что пиролизный кокс может быть обработан без дополнительной подготовки на второй стадии способа.

В принципе, второй реактор может альтернативно быть разработан по-разному. Например, пиролизный кокс может быть измельчен или перемолот заранее, что затем позволяет газифицировать кокс в жидкостном потоке или увлеченном потоке. Тем не менее, этот вариант имеет тот недостаток, что частицы имеют более короткое время удержания в реакторе, что требует более однородного исходного материала и подготовки. Кроме того, такие установки требуют более точного и быстрого контроля скорости потока газа и других технологических параметров.

Реакционная поверхность кускового пиролизного кокса сравнительно невелика по сравнению с аналогичной возможной реакцией в жидкостном потоке, что, однако, компенсируется сравнительно дол- 13 024594 гим временем пребывания в реакторе А21 в связи с высокой массовой вместимостью реактора под давлением. Еще одним преимуществом является более простая высококачественность. С помощью простого удлинения реактора или увеличения сечения емкость и, следовательно, коэффициент эффективности может быть увеличен без изменения соответствующих параметров способа, таких как давление или температура. Реакторы с увлеченным потоком или жидкостным потоком, напротив, не могут быть увеличены таким простым и беспроблемным образом.

Кислород М31 необходим для частичного окисления и, если необходимо, технологический пар М50 вдувается в горящий слой, образованный пиролизным коксом, в котором необходимая тепловая энергия вырабатывается, и реактор А21 поддерживается при рабочей температуре. Вместо чистого кислорода также может быть использован воздух, в котором, однако, инертный атмосферный азот расширяет поток газового материала, циркулирующего в утилизационной установке, и его трудно удалить снова. Это значительно снижает эффективность установки и так чистый кислород является предпочтительным в любом случае. Кроме того, отсутствие азота в системе также препятствует образованию оксидов азота.

В примерном варианте осуществления утилизационной установки, изображенном на фиг. 8, пиролизные газы М22 взрываются в газовой фазе над горящим слоем в реакторе А21 под давлением, где в преобладающих высоких температурах многоатомные молекулы, содержащиеся в пиролизных газах М22 очень быстро разрываются и разлагаются. Синтез-газ М24, образованный на второй стадии способа, таким образом в сущности не содержит органических молекул, и может быть использован для синтеза Фишера-Тропша в третьей стадии способа. Кроме того, такие загрязнители, как диоксин, например, разлагаются.

Подача кислорода М31 в горящий слой и точка входа пиролизных газов М22 в реактор под давлением выгодно выбраны таким образом, что диоксины не могут образовываться, что может быть достигнуто с помощью соответствующего пространственного разделения. Кроме того, в выходящем синтезгазе, не должен присутствовать кислород.

Для беспроблемных исходных материалов, таких как, например, щепа или солома или другой незагрязненной биомассы, также возможно сжигать пиролизные газы М22 заранее с кислородом в отдельной горелке и передавать горячие выхлопные газы также в горящий слой, для подачи тепловой энергии, или, чтобы вдуть несгоревшие непосредственно в горящий слой, где они также окисляются.

В конце реактора А21 под давлением, остатки остаются в виде золы и инертных отходов, и в зависимости от обстоятельств может быть необработанный углерод. Если зашлакованность желательна, добавки можно добавить, что снижает точку плавления золы. Для этого, например, порошковый мел может быть добавлен к исходному материалу М11. Шлак отводится из второго реактора А21 под давлением через соответствующий пневматический затвор А28 из области утилизационной установки АВ.

Вторая стадия способа может альтернативно быть спроектирована таким образом, что непрореагировавший пиролизный кокс в конце реактора под давлением вновь транспортируется в начало и, следовательно, может пройти через реактор во второй раз. Это делает возможной более короткую конструкцию реактора.

Поток синтез-газа М24 отводится из второго реактора А21 под давлением и основная часть М24а проходит через подходящий теплообменник А44, где газовый поток охлаждается до температуры, пригодной для синтеза Фишера-Тропша в третьей стадии способа Р3, в то же время, например, генерируя технологический пар М50 для внутренних целей и/или пар М52 для генерации энергии в энергетическом блоке АЕ (не показано). Благодаря низкой температуре, давление падает и равновесие реакций I, II и IV смещается, в результате чего доля диоксида углерода в синтез-газе снова возрастает. Кроме того, твердый углерод М94 можно отделить от газового потока в виде графита. Углерод М94 может быть передан в качестве исходного материала М11, М12 обратно в цикл, использован в качестве ценного материала другими способами, или быть удален из системы, как остаточный материал.

Затем поток синтез-газа М24а передается в циклонный сепаратор А47, где пыль М92, в основном состоящая из остаточного кокса и золы, отделяется. Остаточная пыль М92 может быть передана обратно в первый реактор А13 под давлением или второй реактор А21 под давлением, или она обрабатывается и/или отводится. Вместо циклонного сепаратора могут быть использованы также другие подходящие устройства для очистки потока газов.

Если углерод М94 не отделяется, он прибывает вместе с потоком синтез-газа в реакторе А31 Фишера-Тропша, где он может быть отделен или отфильтрован вместе с углеродом, образованным в качестве побочного продукта в реакции Фишера-Тропша.

В зависимости от исходного материала, в дальнейшем обработка газового потока может быть обеспечена для устранения мешающих материалов в синтез-газе. В частности, остатки преимущественно удаляются, что невыгодно для последующей стадии синтеза. Например, соединения серы могут выступать в качестве каталитического яда в синтезе Фишера-Тропша.

Синтез-газ М24, затем подается через регулятор давления А48 в третий реактор А31 под давлением третьей стадии способа Р3, в котором осуществляется синтез Фишера-Тропша. Регулятор давления А48 уменьшает давление до величины необходимой для третьей стадии. Для установки желаемого соотношения монооксида углерода/водорода, дополнительный водород М32 может быть передан в реактор А31

- 14 024594

Фишера-Тропша. Кроме того, поставляются необходимые твердые катализаторы М37.

В синтезе Фишера-Тропша третьей стадии способа, монооксид углерода и водород реагируют очень экзотермически (около 158 кДж/моль в на звено углеводородной цепи при 250°С) в присутствии гетерогенных катализаторов (например, железо, кобальт, рутений, никелевые катализаторы), чтобы сформировать алканы, олефины, спирты, альдегиды и другие углеводородные соединения и производные. Побочными продуктами являются метан и твердый углерод, которые также образуются в очень экзотермических реакциях. Точные параметры синтеза Фишера-Тропша, в частности давление и температура, в первую очередь зависят от продуктов, которые будут произведены, и не имеют непосредственного отношения к основному принципу работы комплекса, соответствующего изобретению, или способа, соответствующего изобретению. Более высокая температура процесса имеет тенденцию приводить к коротким длинам цепей и увеличению отложений углерода, в то время как более высокие давления приводят к большей длине цепи. Кроме того, особенно текущее парциальное давление окиси углерода, водорода и воды оказывает большое влияние на синтезированные продукты.

Подходящими для стадии синтеза способа являются, например, низкотемпературные процессы Фишера-Тропша, которые действуют, например, от 210 до 250°С, и в основном дают дизель-продукты и длинноцепочечные фракции в виде парафинов. Последний может быть утилизирован в дальнейшем, например, путем гидрокрекинга. Высокотемпературные процессы, имеющие температуру от 320 до 350°С, в свою очередь дают значительные доли метана, короткоцепочечные алканы и алкены, а также относительно высокие фракции легкого бензина. Для низкотемпературных процессов, например, подходят кожухотрубные реакторы, в которых синтез-газ течет сверху вниз через заполненные катализатором, охлажденные трубы. Рециркулирующий газ и продукты покидают трубу внизу.

Особенно подходящими реакторами являются современные суспензионные реакторы (схематически показано на фиг. 8), в которых плавает твердый катализатор, равномерно распределённый в жидком продукте (так называемый процесс 8а8о1-81иггу-Фишера-Тропша). Продукты реакции отделяются от жидкой фазы, а газообразные продукты покидают реактор в качестве части рециркулирующего газа М25. Тепло отводится через подвешенные трубы А32 охлаждения, генерируя таким образом пар М51, М50.

Суспензионные реакторы имеют более простую форму конструкции, чем кожухотрубные реакторы, и, следовательно, они дешевле. Катализатор может быть использован более эффективно и подлежит смене во время работы, что выгодно в циклическом способе в соответствии с изобретением. Кроме того, такой способ имеет то преимущество, что гетерогенный катализатор можно непрерывно восстанавливаться механическим воздействием новых неиспользованных поверхностей частиц катализатора во время циркуляции. В таком способе серное отравление катализатора может постоянно компенсироваться. Как следствие этого, при необходимости, без удаления серы из потока синтез-газа можно обойтись.

Пар М51, М50, полученный охлаждающим устройством А32, содержит значительную тепловую энергию, но еще не достаточно горячий для эффективного использования, например, в паровой турбине энергетического блока АР. Поэтому он выгодно используется для производства горячего пара М52, например, в теплообменнике А44, чтобы повысить общую эффективность установки. Взаимодействие между утилизационным блоком АВ и дальнейшим энергогенерирующим блоком АР утилизационной установки А уже рассматривался на фиг. 3-5.

Поток газа М25, который покидает реактор А31 Фишера-Тропша, в дополнение к непрореагировавшему оксиду углерода и водорода, кроме того, содержит водяной пар, диоксид углерода и газообразные продукты реакции М60. Доля легколетучих углеводородов М60 может быть конденсирована оттуда, например, с помощью охлаждающей колонны (не показано). Кроме того, вода М41 может конденсироваться, и так удаляться из рециркулирующего газа и, таким образом из потока материала. От потока оставшегося рециркулирующего газа часть М25Ь может быть отделена в качестве продукта способа. Поток оставшегося газа рециркуляции М25а сжимается в компрессоре А42 и рециркулирует в первый реактор А13.

Циклическая передача потока газа внутри утилизационной установки А продолжается в основном за счет преобладающих перепадов давления по циклу. Они в первую очередь производятся двумя компрессорами А41, А42. В зависимости от разработки установки без одного из двух компрессоров можно обойтись, что снижает общую стоимость установки. Если установка содержит только один компрессор (такая как, например, во втором примере варианта осуществления утилизационной установки на фиг. 9, описанном ниже), расположение на входе в первый реактор А13 имеет то преимущество, что соответствующему компрессору А42 необходимо сжимать меньший объём газа, чем компрессору А41 между первой и второй стадиями способа, где в дополнение накапливаются пиролизные газы, а общий объем выше из-за более высокой температуры, или даже между второй и третьей стадиями способа.

Если компрессор А41 не требуется, есть только небольшой перепад давления между двумя реакторами А13, А21, так что первая и вторая стадии способа действуют главным образом при одинаковом давлении. Газовый поток потом бежит от компрессора А42 через первый реактор А13, второй реактор А21 и третий реактор А31 обратно к компрессору А42. Если, напротив, компрессор А42 не требуется, давление главным образом идентично в рамках третьего реактора А31 и первого реактора А13. Компрессор также может быть расположен между второй и третьей стадией способа. По причинам энтропии по

- 15 024594 крайней мере один компрессор или другое транспортное средство должно присутствовать для того, чтобы передать поток газа и держать процесс запущенным.

Для компенсации временных колебаний в производстве газа благодаря гетерогенному исходному материалу хранилища давления (не показано) могут быть обеспечены вдоль по газовому циклу М22, М24, М25. Кроме того, можно также обеспечить временное хранение для пиролизного кокса М21.

Если утилизационный блок А на фиг. 8 имеет сравнительно небольшой размер и, соответственно, скорость объемного потока М22 между первым реактором А13 под давлением и вторым реактором А21 под давлением сравнительно невелика, компрессор А41 может создать разность давлений в несколько бар с достаточным расходом энергии. Первая стадия способа может быть запущена при существенно более низком давлении, чем вторая стадия способа. Первая стадия способа может даже осуществляться при атмосферном давлении или даже пониженном давлении.

Начало работы утилизационной установки

В дальнейшем будет описан возможный способ для начала работы утилизационной установки А, как показано на фиг. 8. Для запуска утилизационной установки А цикл и три стадии способа промываются и наполняются свободным от кислорода газом, предпочтительно с диоксидом углерода и/или оксидом углерода и/или водородом или их смесью, то есть синтез-газ. Впоследствии второй реактор А21, заполненный заранее коксом, затем нагревается, например, с помощью газовых горелок. Для этого второй реактор отделяют от цикла, закрыв соответствующие соединения. Во время нагрева до требуемой рабочей температуры транспортировка А23 кокса в реакторе А21 под давлением еще не активирована. При необходимости, временный обходной путь (не показано) может быть предоставлен в цикле между теплообменником А44 и реактором А21 под давлением, для того, чтобы иметь возможность циркулировать нагретый газа в системе и равномерно нагревать всю секцию установки. Давление также увеличивается до запланированного значения.

Параллельно с этим первый реактор А13 под давлением, который также был наполнен коксом заранее, отделяют от цикла и нагревают до намеченной рабочей температуры первой стадии способа. Давление также доводят до требуемого значения для первой стадии способа. Транспорт материала А15 в первом реакторе все ещё остается выключен. Тем не менее, нагревание желательно проводить без исходного материала, так как пиролиз исходного материала ниже минимальной безопасной рабочей температуры 450°С может привести к образованию взрывоопасной смеси. Кокс, напротив, уже пиролизован и служит только для подачи кокса на второй стадии способа, когда позже запускается цикл.

Реактор А31 Фишера-Тропша также достигает рабочих условий, будучи отделен от цикла. После того, как рабочие условия были достигнуты на различных стадиях способа утилизационной установки, различные транспортные системы, А15, А23 запускаются медленно, цикл открытия и компрессоры А41, А42 активируются, так что в конечном итоге состояние равновесия утилизационной установки АВ приводит к нужным рабочим параметрам.

Еще один вариант осуществления утилизационного блока АВ комплекса Ζ в соответствии с изобретением изображен на фиг. 9. Для ясности, граница утилизационного блока АВ не показана.

В отличие от утилизационной установки АВ на фиг. 8 нет компрессора, расположенного между первым реактором А13 под давлением и вторым реактором А21 под давлением, есть только обратный клапан А53, который, однако, также может быть исключен. Газовый поток подается через установку с помощью перепада давления полученного посредством компрессора А42. Так как это выгодный вариант требует только одного компрессора А42, который, кроме того, может иметь более низкую производительность, общая стоимость установки АВ снижается.

В показанном варианте ответвленный поток М24Ь синтез-газа не передается непосредственно обратно в первый реактор А13, но вместо этого проводится через нагревательное устройство А16 реактора А13 под давлением и затем снова комбинируется с синтез-газом М24а. В качестве альтернативы или в дополнение, может быть обеспечено дальнейшее нагревательное устройство А17, которое приводится в действие технологическим паром М50.

Теплообменник А45 расположен в потоке М25а рециркулирующего газа, и служит для нагрева потока М25а рециркулирующего газа с помощью технологического пара М50. Поток рециркулирующего газа таким образом, в этом варианте осуществления, также выступает в качестве поставщика тепла к первому реактору А13 под давлением.

В показанном примере снижение давления не обеспечивается на входе третьего реактора А31 под давлением. Давление на третьей стадии способа находится под контролем в данном случае непосредственно контроля давления второй стадии способа, а также последующего перепада давления из-за охлаждения потока М24 синтез-газа в теплообменнике А44 и компрессора А42.

В дальнейшем возможном варианте способа, соответствующего изобретению, низкотемпературный реактор Фишера-Тропша третьей стадии заменен высокотемпературным реактором Фишера-Тропша, в котором присутствует катализатор в виде закрученного котельного уноса. Газообразные короткоцепочечные углеводороды, которые образуются преимущественно при высокотемпературном синтезе Фишера-Тропша, и которые после первой стадии конденсации остаются в рециркулирующем газе, отделяются с помощью фильтров, проницаемых для газа, от мелких молекул рециркулирующего газа, таких как ди- 16 024594 оксид углерода, монооксид углерода, водород. Такие системы известны, например, из нефтехимической промышленности для очистки нефтяного газа. В данном случае они служат для генерации первой богатой углеводородами газовой фазы и второй газовой фазы с низким содержанием углеводородов. Богатая углеводородами газовая фаза в дальнейшем используется в качестве топлива для второй генераторной стадии для производства электроэнергии или перерабатывается в сжиженный газ и нефтяной газ. Вторая газовая фаза с низким содержанием углеводородов и диоксида углерода заправляется обратно в цикл как рециркулирующий газ.

В еще одном варианте утилизационной установки комплекса в соответствии с изобретением третья стадия Р3 способа, вместо реактора Фишера-Тропша, содержит реактор жидкофазного синтеза метанола. Жидкофазный синтез метанола, как известно из уровня техники, особенно подходит для производства метанола с высоким выходом из синтез-газа, имеющего относительно высокую долю диоксида углерода. Синтез происходит в суспензионном барботажном реакторе колонного типа, в который синтез-газ нагнетается в суспензию порошкообразных катализаторов в инертной нефти. Реакция очень экзотермическая и поэтому необходимо устройство охлаждения. Полученный газообразный метанол покидает реактор под давлением вместе с непрореагировавшим синтез-газом. После того, как захваченные нефтепродукты и катализатор отделяются, метанол конденсируется.

Метанол является основным ценным продуктом для химической промышленности, а также может быть использован в качестве горючего. Метанол может, кроме того, выступать в качестве добавки к бензину, причем, например, в Германии доля метанола до 3% бензине для автомобилей находится в переделах допустимого. Метанол может, в частности, также быть использован в качестве топлива М60 для второй генераторной стадии.

Контроль и оптимизация рабочих параметров утилизационной установки

Способ в соответствии с изобретением, изображенный на фиг. 8 и 9, основывается на циклическом потоке вещества через три стадии Р1, Р2, Р3 способа утилизационного блока АВ, где углеродсодержащий исходный материал М11 поступает в цикл в качестве источника углерода и источника энергии, а продукты стадии синтеза ответвляются как высококачественные продукты М60 или как топливо М61 для энергетической установки С комплекса Ζ в соответствии с изобретением. Шлак М91 и другие остаточные материалы М92, М93, М94 также как и водяные пары в рециркулирующем газе М25Ь, непрерывно удаляются из цикла. Пар, произведенный в теплообменниках, используется, с одной стороны, как технологический пар М50 для приведения в действие установки, тем самым повышая эффективность установки. С другой стороны, перегретый пар М51, М52 может быть использован для генерации энергии в энергетическом блоке АР.

Главным образом, в способе утилизации в соответствии с изобретением, из высокоэнергетического, но гетерогенного твёрдого исходного материала М11, который трудно утилизировать, производят опять высокоэнергетический продукт М60, М61, а именно различные фракции стадии Фишера-Тропша. Впоследствии они могут быть далее использованы, например, в качестве жидкого горючего или в качестве реагентов для химической промышленности. Энергия, необходимая для приведения в действие утилизационной установки АВ происходит от реакции частичного окисления на второй стадии способа, где избыток полученной химической энергии (в виде синтез-газа) позже преобразуется снова в экзотермической реакции Фишера-Тропша на третьей стадии способа в тепловую энергию в виде пара М50, М51.

В особенно выгодном варианте способа генерации энергии в соответствии с изобретением, или комплекса Ζ в соответствии с изобретением, соответственно, перегретый пар М52 генерируется из исходного материала М11, для длительного действия энергетического блока АР базовой нагрузки, а также топливо М61 для гибкого действия энергетического блока С пиковой нагрузки.

Благодаря закрытому циркулирующему потоку вещества в процессе присутствует динамическое равновесие во время действия утилизационной установки А. Необходимые значения различных параметров (давление, температуры, химический состав, транспортная скорость и т.д.) в отдельных частях установки определяются, в частности, по характеру используемого исходного материала. Для того, чтобы сохранить постоянное действующее состояние, несмотря на гетерогенный исходный материал, можно контролировать различные рабочие параметры.

Для производства углеводородов и других продуктов на третьей стадии Р3 Фишера-Тропша, давление и температура в третьем реакторе А31 являются решающими параметрами. Давление можно регулировать в короткий срок, используя компрессор А42, путем увеличения или уменьшения производительности. Температура может, в свою очередь, контролироваться через охлаждение в теплообменнике А32. В долгосрочный период давление может контролироваться с помощью давления в потоке М24 синтезгаза, с одной стороны, путем изменения рабочего давления и температуры на второй стадии способа, а с другой стороны, путём контроля эффективности охлаждения в теплообменнике А44 и, следовательно, температуры и перепада давления в потоке М24 синтез-газа.

Контроль утилизационной установки А сравнительно простой, поскольку установка работает в равновесии с обратной связью, и для управления несколькими важными параметрами из множества параметров, отдельные рабочие параметры различных компонентов установки, могут быть изменены, что может повлиять на равновесие медленно или быстро.

- 17 024594

Способ утилизации в соответствии с изобретением предпочтительно проводится с повышенной долей диоксида углерода. Это, в частности, сдвигает равновесие реакции IV в левую сторону (больше моноксида углерода). Повышенное рабочее давление утилизационной установки от 10 до 60 бар допускает такое повышенное содержание диоксида углерода, одновременно, тем не менее, как можно более высокое абсолютное количество моноксида углерода, и, следовательно, производственного выхода. Более высокие или более низкие давления также возможны, но менее эффективны.

Утилизационная установка может быть оптимизирована в отношении различных аспектов. Например, если главным образом ценные материалы, такие как, например, дизель и бензинподобные углеводороды и парафины, и т.д., должны быть произведены на третьей стадии способа из нейтральной по диоксиду углерода биомассы, такой как, например, древесная стружка, способ направлен на максимально благоприятное соотношение между расходами на биомассу и осуществлением работы и стоимостью ценных образующихся материалов. Напротив, меньшее количество средств должно быть потрачено на выбросы диоксида углерода, поскольку это в любом случае нейтральная по диоксиду углерода биомасса. В целях улучшения экологического баланса в дальнейшем, внешняя подача энергии (электроэнергии и т.д.) может быть уменьшена, с одновременным повышением потребления биомассы.

Если, напротив, акцент ставится на экологически благоприятную очистку загрязненных материалов с минимальным производством диоксида углерода, установка работает таким образом, что настолько мало диоксида углерода, насколько возможно, должно быть удалено из цикла и высвобождено в окружающую среду. Это то, что в зависимости от обстоятельств, может привести к повышенному спросу на внешнюю энергию.

Кроме того, утилизационная установка может быть оптимизирована для максимальной пропускной способности исходного материала и таким образом в зависимости от обстоятельств необработанный пиролизный кокс может покинуть третью стадию способа вместе со шлаком. Пиролизный кокс, который экологически менее проблемный, может потом быть захоронен вместе со шлаком. Такой вариант выгоден, например, когда большое количество загрязненных материалов должно быть сделано безвредным нейтральным по двоокиси углерода образом.

Рабочая температура второй стадии способа Р2 также может быть оптимизирована. Так, например, рабочая температура второй стадии Р1 способа утилизационного блока АВ может быть снижена, чтобы повысить количественную пропускную способность второго реактора А21. Это то, что возможно, приводит к тому, что определенные летучие веществ в пиролизном газе М22 больше не подвергаются крекингу и проходят вместе с синтез-газом М24 в реактор А31 Фишера-Тропша. Так, например, бензол может переходить от исходного материала, например, тяжелой нефти, в относительно небольших количествах в продукты синтеза Фишера-Тропша. Там эти материалы остаются в составе жидкого топлива М61, но, при необходимости, также могут быть отделены.

На фиг. 10 схематически изображен еще один выгодный вариант осуществления утилизационного блока АВ. Между первой стадией Р1 способа и второй стадией Р2 способа расположен теплообменник А46, который служит для нагрева пиролизных газов М22 с технологическим паром до рабочей температуры второй стадии, прежде чем войти во второй реактор А21. Также возможно подать горячий синтезгаз М24 в теплообменник А46.

Компрессор А43 расположен в транспортной трубе синтез-газа М24 ниже теплообменника А44. Хотя поток массы в этом месте установки самый большой, благодаря очень пониженной температуре на выходе из теплообменника А44, объем газа, который должен быть обработан компрессором А43 меньше, а рабочая температура является подходящей для компрессора, так как она меньше.

В изображенном утилизационном блоке АВ, не предусмотрен циклонный сепаратор для отделения твердых компонентов М92 в потоке синтез-газа. Остаточная пыль М92, М94 поступает беспрепятственно на третью стадию Р3 способа, где она связывается в жидкой фазе в реакторе А31 синтеза. Поскольку остаточная пыль не растворяется в углеводородах, она может быть отфильтрована без больших усилий. Распределение с помощью циклонного сепаратора снижает затраты на утилизационную установку АВ.

Дальнейший выгодный вариант осуществления утилизационного блока АВ комплекса Ζ в соответствии с изобретением изображен на фиг. 11, который особенно подходит для производства жидкого топлива М61 из незагрязненной биомассы, такой как, например, древесная стружка. В этом варианте пиролизный газ М22 не передаётся на вторую стадию Р2 способа, а передаётся на третью стадию Р3 способа, а синтез-газ М24 не передаётся на третью стадию Р3 способа, но передаётся на первую стадию Р1 способа, и рециркулирующий газ М25 не передаётся на первую стадию Р1 способа, но передаётся на вторую стадию Р2 способа.

На первой стадии Р1 способа горячий поток синтез-газа М24 нагревает пиролизный материал и поддерживает рабочую температуру. Поток пиролизного газа М22, выходящий из первой стадии способа, в дополнение к фактическим пиролизным газам, потом также содержит часть синтез-газа на второй стадии способа, который здесь, таким образом, делает петлю через первую стадию способа.

На третьей стадии Р3 способа фракция синтез-газа в пиролизных газах М22 взаимодействует, где фракции пиролизного газа, которые еще не конденсированы М23 в теплообменнике А45 растворяются в жидкой фазе реактора А31 синтеза. Так как в случае прямого использования продуктов М60 на третьей

- 18 024594 стадии способа, в качестве горючего или в качестве топлива для второго приводного устройства С11, требования чистоты не очень высоки, можно обойтись без крекинга пиролизных газов. Горючее или топливо М61 впоследствии посточищают, чтобы удалить непригодные остатки, такие как, например, органические кислоты и т.д. Конденсированные фракции М23 пиролизного газа, которые имеют низкую температуру плавления и кипения и содержат значительную долю смолы, предпочтительно могут быть поданы на вторую стадию способа как твердая или жидкая добавка М23.

Поток рециркулирующего газа М25 впоследствии сжимается А42, нагревается А46, и передаётся на вторую стадию Р2 способа, и таким образом снова формируется цикл. Так как крекинг газов, которые вводятся в реактор А21 под давлением, не является необходимым, вторая стадия способа может быть запущена при более низкой рабочей температуре.

На фиг. 12 изображен вариант осуществления утилизационного блока В, в котором первая стадия Р1 способа и вторая Р2 стадии способа, осуществляются в общем реакторе А24 под давлением. Пиролиз происходит в первой камере А25 реактора А24, а газификация во второй камере А26. Две камеры А25, А26 формируются посредством разделительной стенки А27 расположенной в реакторе А24 под давлением, имеющей сквозное отверстие, через которое общая транспортная система передает пиролизный кокс М21, и через которое течет пиролизный газ М22. Разделительная стенка А27 служит главным образом для термической изоляции двух камер А27, А26, так, что различные рабочие температуры могут работать в двух стадиях способа. Также есть возможность оборудовать такой общий реактор под давлением более чем одной камерой.

Энергетическая установка для генерации энергии пиковой нагрузки

Если приводное устройство С11 в энергетической установке С комплекса в соответствии с изобретением сконфигурировано как двигатель внутреннего сгорания, в выгодном варианте для такого приводного устройства вода М40 может быть использована в качестве дополнительного средства расширения. Для этого, после воспламенения процесса сгорания, например, после самовозгорания сжатой топливновоздушной смеси в дизельном двигателе, некоторое количество воды подается в цилиндр. Это вода, которая преимущественно высокодисперсная, впоследствии испаряется с помощью тепловой энергии экзотермической реакции окисления. Таким образом, полученное повышение давления газа и объема газа за счет водяного пара добавляется к генерации кинетической энергии, где, однако, в то же время температура в общей смеси горючих газов и пара воды уменьшается. Это, однако, не является проблемой, и даже желательно, так как благодаря более высокой плотности энергии реакции с чистым кислородом получаются значительно более высокие температуры реакции, которые увеличивают термодинамическую эффективность, но также действуют на компоненты приводного устройства С11.

Кроме того, вода также может быть предоставлена как водяной пар М50. Определенное количество жидкой воды может быть также смешанным с жидким топливом. При высоких температурах реакции, перегретый пар в дальнейшем действует как дополнительный окислитель, в дополнение к кислороду.

Ниже, на фиг. 13, режим работы такого приводного устройства С11 для энергии пиковой нагрузки установки С комплекса Ζ в соответствии с изобретением будет описан и объяснен более подробно со ссылкой на пример двигателя внутреннего сгорания в виде поршневого двигателя с цилиндром. Аналогично, приводные устройства С11, которые разработаны как двигатели внутреннего сгорания, также может быть разработаны как турбины или двигатели Ванкеля и т.д. Горячие газообразные продукты сгорания используются в соответствии с принципом действия соответствующего типа двигателя внутреннего сгорания для выполнения механической работы, например, для приведения в действие генераторной установки, и в ходе этого частично расширяются. Впоследствии газ М27, полученный в результате окисления, покидает камеру сгорания. Так, например, в двигателе внутреннего сгорания, разработанном как четырехтактный поршневой двигатель, в третьем такте смесь газообразных продуктов сгорания М27 выбрасывается из цилиндра, и затем сжимается и охлаждается. Кроме того, можно выполнять приводное устройство С11 как тепловой двигатель внешнего сгорания, например, как паровой двигатель или паровую турбину.

Двигатель С11 внутреннего сгорания, изображённый на фиг. 13 содержит цилиндр С22 и поршень С23, подвижно расположенный в нем, которые в совокупности образуют замкнутую камеру С21 сгорания. С подающим устройством С27, которое изображено только схематически, в первом такте кислород М31 вводится в расширяющуюся камеру С21 сгорания. Впоследствии, во втором такте, кислород М31 сжимается и в конце второго такта топливо М61 вводится в камеру С21 сгорания с помощью подающего устройства С29 и сжигается. В последующем третьем такте, расширяющиеся газообразные продукты сгорания М27 выполняют механическую работу, а во время четвертого такта частично расширенные газообразные продукты М27 сгорания отводятся из камеры С21 сгорания с помощью отводящего устройства С24, которое не показано более подробно.

Горячие газы М27, полученные в результате окисления, которые главным образом состоят из диоксида углерода и паров воды, затем охлаждаются в находящемся ниже теплообменнике С12. Объем этих газов М27, полученных в результате окисления, таким образом снижается. В результате охлаждения большая часть воды М41 конденсируется и отделяется. Оставшийся остаточный газ М26, который главным образом состоит только из диоксида углерода и, возможно, остаточных фракций монооксида угле- 19 024594 рода и непереработанного топлива, сжимается в компрессоре С13, расположенном по порядку и собирается в хранилище ВВ под давлением. Стадия конденсации С12 перед сжатием уменьшает в этом способе нежелательное образование капель конденсированной воды в компрессоре С13.

Изображенный двигатель С11 внутреннего сгорания не содержит каких-либо выбросов. Так как устройство не приводится в действие с помощью воздуха или аналогичных газовых смесей в качестве окислителя, никакие специфические загрязняющие воздух вещества как, например, оксиды азота, не образовываются. Вода, образующаяся при сжигании, не является проблемой и может быть отделена. Диоксид углерода проводится как остаточный газ М26 в цикл утилизационной установки АВ. Несгоревшие фракции топлива либо конденсируют вместе с водой и отделяют, либо сжимают вместе с диоксидом углерода. Газы М27, полученные в результате окисления, из приводного устройства С11 также могут быть переданы без охлаждения непосредственно на первую или вторую стадию способа.

Если энергетическая установка С пиковой нагрузки пространственно отделена от утилизационной установки А, а также прямой обмен остаточных газов М26 практически невозможен, они могут быть очень сильно сжаты и транспортированы обратно при высоком давлении в хранилища ВВ под давлением от энергетической установки С к утилизационной установке А.

Дальнейший возможный вариант осуществления приводного устройства С11, разработанного как двигатель внутреннего сгорания, схематично изображен на фиг. 14. В этом варианте вода М40 вводится в камеру С21 сгорания посредством только схематически показанного подающего устройства С28. Это происходит предпочтительно таким образом, что во время или после реакции горения определенное количество воды вводится в жидком или газообразном состоянии в камеру С21 сгорания и тонко распределяется. Эта вода нагревается за счет теплоты сгорания, в результате чего весь объем газа увеличивается в камере С21 сгорания, и посредством этого также давление газа или объём газа доступны для выполнения механической работы. Соответственно, количество топлива может быть тогда уменьшено, с неизменной мощностью.

В качестве альтернативы или в дополнение, вода М40 может быть также введена в поток М27 газа, полученного в результате окисления, когда она выходит из камеры С21 сгорания. Такой вариант имеет то преимущество, что реакция горения в камере сгорания может происходить эффективно при температуре как можно выше, одновременно полученная температура потока газа, полученного в результате окисления, настолько низка, что последующие устройства С12, С13 менее нагружены.

Количество воды и время впрыска согласовано с подачей топлива М61 и кислорода М31 таким образом, что реакция горения может происходить эффективнее. Преимущественно полученная в процессе реакции окисления температура главным образом такая, что достигаемая термодинамическая эффективность теплового двигателя является настолько высокой, насколько это возможно. Чем больше количество используемой воды, тем ниже, вдобавок, относительная доля диоксида углерода в реактивных газах, что снижает количество остаточного газа М26, оставшегося после конденсации воды М41.

В варианте осуществления, изображенном на фиг. 14, газы М27, полученные в результате окисления, сначала сжимаются в компрессоре С13 перед тем, как они впоследствии охлаждаются в теплообменнике С12. Этот вариант также совместим с двигателем С11 внутреннего сгорания без впрыска воды с фиг. 13, и наоборот, и может быть использован в целом для приводного устройства С11.

Энергия, необходимая для приведения в действие компрессора приводного устройства С11, преимущественно генерируется самим приводным устройством. Как следствие этого, достижимая эффективность приводного устройства уменьшается, но в то же время достигается отсутствие вредных выбросов упомянутым приводным устройством. Кроме того, достижимая мощность для двигателя такого же размера больше, что опять компенсирует потери мощности. Компрессор может, например, быть приведен в действие с помощью подходящей передачи непосредственно коленчатого вала поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Если приводное устройство С11 включает в себя турбину, компрессор может сидеть прямо на одном валу. Непосредственно после способа расширения газы, полученные в результате окисления, могут быть конденсированы, а оставшийся остаточный поток может быть сжат.

В другом варианте приводного устройства, разработанного как поршневой двигатель, после сгорания газы, полученные в результате окисления, уже предварительно сжаты в камере сгорания в третьем такте, и только потом отводятся отводящим устройством С24. Если необходимо, расположенный далее компрессор С13 может быть исключен.

Такой вариант осуществления также возможен в двухтактных вариантах, так как в приводном устройстве новая загрузка в камеру сгорания реакционной смеси (топливо М61, кислород М31, вода М40) может протекать очень быстро. Во втором восходящем такте газообразные продукты сгорания предварительно сжаты и в конце хода выпускаются из камеры сгорания. Газообразный кислород может быть вдут в камеру сгорания под высоким давлением в конце восходящего хода, так как для полной реакции горения требуется сравнительно мало кислорода, и вода присутствует в качестве дополнительного средства расширения. Жидкое топливо М61 и вода М40 как средство расширения может в любом случае вводится в камеру С21 сгорания очень быстро и при высоком давлении.

Потребление энергии компрессором С13 может быть оптимизировано с помощью соответствующей

- 20 024594 комбинации с одним или более теплообменником и охлаждающими элементами, в которых объем газа может быть уменьшен путём отвода тепловой энергии реактивных газов на внутренний или внешний радиатор.

С помощью теплообменника/холодильника С12, может быть произведен пар, который может либо служить для повышения эффективности энергетического блока АР утилизационной установки, или для получения технологического пара М50 для приведения в действие утилизационного блока АВ утилизационной установки.

Фиг. 15 изображает особенно выгодный вариант энергетической установки С пиковой нагрузки, имеющей приводное устройство С11, которое сконструировано как комбинированная газово/паровая турбина. Во входной камере С21 сгорания, топливо М61 сжигается с кислородом М31 в топке С25, образуя очень горячие продукты горения. Вода подается в камеру С21 сгорания, предпочтительно в виде перегретой жидкой воды, имеющей температуру, например, 250°С и под давлением 50 бар. Полученный пар смешивается с выхлопными газами сгорания таким образом, что формируется горячий (например, 600°С) газ М27а, полученный в результате окисления, с высокой долей перегретого пара, который выходит из камеры С21 сгорания и превращается в последующем устройстве-турбине С30 в механическую работу, посредством которой, в свою очередь, генераторное устройство С31 приводится в движение. В зависимости от разработки газовая смесь в камере сгорания ведет себя изохорически таким образом, что давление газа увеличивается, или изобарически таким образом, что объем газа увеличивается, соответственно, или и объем и давление повышаются. Таким образом, следующее устройство-турбина С30 должны быть разработаны соответственно. Подходящие турбины С30 известны из прототипа, и, как правило, имеют несколько стадий способа. В альтернативном варианте частично расширенный технологический пар М50 может быть извлечен на выходе стадии высокого давления турбины С30 и может быть использован в других направлениях.

Расширенный газ М27Ь, полученный в результате окисления, проходит в холодильник/подогреватель С12, где вода М41 конденсируется и отделяется. Оставшийся остаточный газ М26, который содержит главным образом диоксид углерода, сжимается в компрессоре С13 и транспортируется на первую стадию Р1 способа утилизационной установки АВ. Компрессор С13 преимущественно приводится в движение непосредственно через турбину С30.

Вместо камеры С21 сгорания вода М40 может также быть смешана с потоком газа М27а, полученного в результате окисления, на выходе камеры С21 сгорания, например, с помощью сопла Вентури.

В приводном устройстве С11 количество воды М40 и количество горючей смеси М61, М31, и дальнейшие выборочные параметры преимущественно соответствуют друг другу таким образом, что нижестоящая турбина получает энергию утилизации настолько высокую, насколько возможно. В то же время доля воды в смеси газа М27Ь, полученного в результате окисления, должна быть как можно выше. С одной стороны, этот путь через конденсатор С12 даёт падение давления в газовой смеси настолько высокое, насколько возможно, что увеличивает общий перепад давления за турбиной С30 и тем самым её эффективность. С другой стороны, остаётся меньше остаточного газа М26, который должен быть сжат.

Еще одним преимуществом введения пара в камеру сгорания является эффект охлаждения пара М50. Экзотермическое окисление горючей смеси М60, М31 может привести к очень высоким температурам до 1000°С или даже до 2000° С. Такие температуры будут сильно воздействовать на структуры камеры С21 сгорания и нижестоящего устройства-турбины С30. Сравнительно холодный водяной пар предпочтительно вводят в камеру таким образом, что он защищает стенки камеры С21 сгорания от очень жаркого пламени С26. Пар, наконец, охлаждает всю газовую смесь до 600-800°С, что снижает тепловую нагрузку на лопасти турбины, и, соответственно, увеличивает срок её службы.

В дополнение к вышеуказанным аспектам, изображенное приводное устройство отличается, например, от обычной газовой турбины также в том, что нет компрессора присоединённого перед камерой сгорания. Это позволяет сделать конструкцию камеры С21 сгорания значительно проще, чем в газовой турбине. Поскольку топливо М61 сгорает с чистым кислородом М31, достижимая плотность энергии выше, чем при использовании воздуха с его уменьшенной долей кислорода. Для того, чтобы увеличить количество кислорода, которое может быть введено за единицу времени в камеру С21 сгорания, кислород может заранее находиться под давлением. Турбина С30 может быть разработана как паровая турбина, так как диапазоны температуры и давления газа М27а, полученного в результате окисления, по сути такие же.

В нормальном режиме работы приводное устройство С11 энергетической установки С остается без нагрузки. Небольшое количество пара держит турбину С30 в движении, в то время как генераторное устройство не производит электроэнергию. Если в настоящее время потребность в электроэнергии растёт в течение короткого периода времени, топливная смесь М31, М60 вводится в камеру С21 сгорания и воспламеняется устройством зажигания (не показано). В то же время, количество закачиваемой воды М40, М50 увеличивается. Турбина С30 сейчас вращается и генератор С31 начинает действовать.

Приводное устройство С11 может также быть постоянно в действии, например, на 10-50% мощности генератора базовой нагрузки установки АР. Когда потребность в электрической энергии увеличивается, установка С может быть доведена до максимальной мощности в очень короткое время, например,

- 21 024594

500% мощности генератора базовой нагрузки установки АР. Комплекс Ζ в соответствии с изобретением может, таким образом, адаптировать общую мощность очень динамично в широком диапазоне. Энергетическая установка С пиковой нагрузки может иметь множество камер С21 сгорания и/или турбинных устройств С30.

Модульная конструкция установки

В особенно выгодном варианте осуществления комплекса в соответствии с изобретением, отдельные компоненты установки рассчитаны и сконструированы таким образом, что они могут быть демонтированы эффективно в отдельные модули, которые можно перевозить на грузовиках, и могут впоследствии быть снова собраны. Особенно выгодным является максимальное задание размеров модулей, что позволяет транспортировать без специальных транспортных средств.

Такая модульная установка в соответствии с изобретением имеет то преимущество, что она также может быть установлена только временно, например, для рабочего времени только в течение нескольких лет или даже нескольких месяцев. Как только потребности в ней больше не существует, её можно разобрать и реконструировать на новом месте. Такой комплекс особенно полезен, например, в горнодобывающей промышленности, когда в отдаленных районах добычи полезных ископаемых в течение короткого времени должна быть сконструирована относительно большая энергетическая инфраструктура, которая больше не потребуется в конце горных работ. Например, утилизационная установка комплекса в соответствии с изобретением может быть использована, например, для производства дизельного топлива из местной биомассы и углеродсодержащих отходных материалов, для автомобилей и электрических генераторов на удаленных шахтах для открытых работ, и/или электрической энергии для приведения инфраструктуры в действие.

Комплексы в соответствии с изобретением являются особенно подходящими для модульной архитектуры. В частности, реакторы первой и второй стадии способа могут быть построены как горизонтальные реакторы, имеющие сравнительно небольшие сечения без снижения пропускной способности. Реактор просто соответственно удлинен в продольном направлении. Реактор может быть собран в продольном направлении из нескольких модулей, фланцованных вместе. Реактор синтеза может быть расширен с помощью множества параллельных реакторов.

Различные варианты осуществления были показаны и описаны выше. Тем не менее, очевидным для специалиста в данной области является то, что различные изменения и модификации могут быть выполнены без отклонения от принципа изобретения.

Список упоминаемых условных обозначений

Ζ - комплекс для генерации энергии без вредных выбросов и углеводородов и других продуктов путём утилизации углеродсодержащих материалов

А - утилизационная установка

АВ - утилизационный блок

АС, АО, АЕ - субблок первой, второй и третьей стадии циклического блока

А11 - пневматический затвор

А13 - пиролизный реактор, первый реактор под давлением

А14 - корпус под давлением

А15 - подвижная решётка

А16, А17 - нагревательное устройство

А21 - реактор газификации, второй реактор под давлением

А22 - корпус под давлением

А23 - подвижная решётка

А24 - общий реактор под давлением первой и второй стадии способа

А25 - первая камера

А26 - вторая камера

А27 - разделительная стенка

А28 - пневматический затвор

А31 - реактор Фишера-Тропша, реактор синтеза

А32 - охлаждение стадии синтеза, бойлер в паровом цикле энергетического блока АР

А41, А42, А43 - компрессор

А44, А45, А46 - теплообменник, пароперегреватель в паровом цикле энергетического блока АР

А47 - циклонный сепаратор

А48 - понижение давления

А49, А50, А51, А52 - отсечной клапан

А53 - обратный клапан

АР - энергетический блок утилизационной установки, компонент установки для генерации энергии базовой нагрузки без вредных выбросов

А61 - приводное устройство

А62 - паровая турбина

А63 - холодильник, подогреватель

- 22 024594

А64 - генераторное устройство А65 - цикл внешнего охлаждения А66 - насос

АС - блок отведения, компонент установки для разгрузки и обработки золы и остаточных материалов

А91 - бункер, контейнер для хранения

АН - обрабатывающий блок, компонент установки для обработки и подачи углеродсодержащих материалов

А92 - хранилище шлака

В - установка для транспорта и временного хранения топлива и газов, полученных в результате окисления, между утилизационной установкой и энергетической установкой

ВА - блок хранения топлива

ВВ - блок хранения газов, полученных в результате окисления ВС - судно, поезд, трубопровод, транспортные средства

С - энергетическая установка, компонент установки для генерации энергии пиковой нагрузки без вредных выбросов путём утилизации углеродсодержащего топлива из утилизационной установки

С11 - приводное устройство С12 - холодильник/подогреватель С13 - компрессор

С14 - внешний цикл охлаждения

С21 - камера сгорания

С22 - цилиндр

С23 - поршень

С24 - отводящее устройство

С25 - топка

С26 - пламя

С27 - подающее устройство для кислорода С28 - подающее устройство для воды С29 - подающее устройство для топлива С30 - турбина

С31 - генераторное устройство

Ό - установка для генерации и подачи внешней химической энергии, компонент установки для производства водорода

ЭА - блок энергии ветра

ΌΒ - блок солнечной энергии

ОС - блок электролиза

ΌΌ - водородпроизводящая индустрия

ΌΕ - блок временного хранения

ΌΡ - блок временного хранения

ОС - судно, поезд, трубопровод, транспортные средства Е1 - элекрическая/механическая энергия (базовая нагрузка)

Е2 - элекрическая/механическая энергия (пиковая нагрузка)

Е3 - подаваемая элекрическая энергия

Е4 - тепловая энергия Р1 - первая стадия способа Р2 - вторая стадия способа Р3 - третья стадия способа

Р6 - поступление углеродсодержащих материалов Р7 - отведение отходов

М10 - необработанный углеродсодержащий исходный материал М11, М12 - углеродсодержащий исходный материал М13 - дополнительные горючие вещества М14 - дополнительное топливо

М17 - отсортированные остаточные материалы, рециркулирующий материал

М21 - пиролизный кокс

М22 - пиролизный газ

М23 - тяжелые фракции пиролизного газа

М24, М24а, М24Ь - синтез-газ

М25, М25а, М25Ь - рециркулирующий газ

М26 - остаточный газ

М27, М27а, М27Ь - газы, полученные в результате окисления,

М31 - кислород, окислитель

- 23 024594

М32 - водород (газ)

М33 - диоксид углерода

М37 - катализатор

М40 - вода, технологическая вода, питательная вода

М41 - конденсат, конденсированная вода

М50 - технологический пар

М51, М52, М53 - пар в турбинном цикле

М60 - продукты стадии синтеза

М61 - продукты стадии синтеза, топливо

М90 - остатки

М91 - шлак, пепел (зола), остатки

М92 - остаточная пыль

М93 - остатки

М94 - графит, активированный уголь, углеродсодержащие остатки ΐ- время Р - мощность Р_а - теплосодержание

Р_Ь - тепловая мощность обычной электростанции

Р_с, Р_с1, Р_с2 - мощность базовой нагрузки

Р_б - эффективная тепловая мощность комплекса в соответствии с изобретением

Р_е, Р_с1, Р_с2 - полная мощность

Р_й - мощность базовой нагрузки энергетического блока базовой нагрузки

Р_д - мощность производства топлива утилизационной установки

Claims (31)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ утилизации углеродсодержащих материалов, в котором на первой стадии подают и подвергают пиролизу углеродсодержащие материалы, при этом образуются пиролизный кокс и пиролизный газ; на второй стадии пиролизный кокс из первой стадии газифицируют при температуре выше 850°С, при этом получается синтез-газ, а шлак и другие отходы удаляют; на третьей стадии синтез-газ из второй стадии превращают в твердые, жидкие и/или газообразные продукты, которые отводят, при этом указанные три стадии - пиролиз, газификация и синтез продуктов - образуют замкнутый цикл, избыток газа из третьей стадии направляют в качестве рециркулирующего газа на первую стадию, пиролизный газ из первой стадии направляют на вторую стадию, на второй стадии способа кислород и/или технологический пар вдувают в горящий слой, образованный пиролизным коксом, в то время как пиролизный газ вдувают в газовую фазу над указанным горящим слоем, пространственно удаленно от точки входа кислорода, при этом обеспечивают контакт пиролизного кокса и пиролизного газа на второй стадии по крайней мере в течение 2 с, и синтез-газ из второй стадии передают на третью стадию способа.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подают водород на третьей стадии (Р3) способа.
3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что подают диоксид углерода на первой стадии способа или второй стадии способа.
4. 4. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что поддерживают перепад давлений по циклу.
5. 5. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что тепловую энергию для реакций пиролиза на первой стадии обеспечивают частично или полностью возвращением части горячего синтез-газа со второй стадии на первую стадию и/или частичным окислением углеродсодержащего исходного материала и полученного пиролизного кокса.
6. 6. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первую стадию осуществляют при температуре от 300 до 800°С, предпочтительно от 450 до 700°С и особенно предпочтительно от 500 до 600°С.
7. 7. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что на второй стадии тепловую энергию, необходимую для реакции газификации, подают частично или полностью извне с помощью нагревательных устройств и/или теплообменников и/или генерируют путём окисления части пиролизного кокса с помощью окислителя, в частности кислорода.
8. 8. Способ по одному их предыдущих пунктов, отличающийся тем, что вторую стадию осуществляют при температуре от 600 до 1600°С, предпочтительно от 700 до 1400°С и особенно предпочтительно от 850 до 1000°С.
9. 9. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первую стадию и/или вторую стадию осуществляют при давлении от 1 до 60 бар, предпочтительно от 5 до 25 бар и особенно предпочтительно от 10 до 15 бар.
10. 10. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первую стадию и вторую стадию осуществляют в общем реакторе под давлением.

    - 24 024594
11. 11. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что преобразования на третьей стадии осуществляют, используя синтез Фишера-Тропша или жидкофазный синтез метанола.
12. 12. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что электрическую и/или механическую энергию генерируют путём окисления углеводородов и других твёрдых, жидких и/или газообразных продуктов третьей стадии до газа, полученного в результате окисления, главным образом, состоящего из диоксида углерода и воды.
13. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что от газов, полученных в результате окисления, конденсируют и/или отделяют воду.
14. 14. Способ по одному из пп.12 или 13, отличающийся тем, что часть газов, полученных в результате окисления, возвращают на первую стадию, и/или вторую стадию, и/или третью стадию способа утилизации.
15. 15. Способ по одному из пп.1-14, отличающийся тем, что электрическую и/или механическую энергию генерируют путём охлаждения синтез-газа в теплообменнике, при этом формируется перегретый пар и/или другой горячий газ, из которых генерируют электрическую и/или механическую энергию, используя тепловой двигатель, предпочтительно паровую турбину.
16. 16. Реакторная система в соответствии со способом по пп.1-15 для утилизации углеродсодержащих материалов, содержащая утилизационный блок с первым субблоком для осуществления пиролиза углеродсодержащих материалов, чтобы образовать пиролизный кокс и пиролизный газ; вторым субблоком для осуществления газификации пиролизного кокса в горящем слое при температуре выше 850°С, чтобы образовать синтез-газ и остатки; и третьим субблоком для осуществления преобразования синтез-газа в твёрдые, жидкие и/или газообразные продукты; отличающийся тем, что все три субблока утилизационного блока герметично закрыты и формируют закрытый цикл; транспортная труба для пиролизного газа соединяет первый субблок герметично со вторым субблоком, так что точка входа пиролизного газа во второй субблок находится выше горящего слоя пиролизного кокса; имеются средства для вдувания кислорода в горящий слой, пространственно удаленные от точки входа пиролизного газа; транспортная труба для синтез-газа соединяет второй субблок герметично с третьим субблоком; и транспортная труба для рециркулирующего газа соединяет третий субблок герметично с первым субблоком.
17. 17. Реакторная система по п.16, отличающаяся тем, что по крайней мере один компрессор расположен на одной из упомянутых транспортных труб утилизационного блока.
18. 18. Реакторная система по п.16 или 17, отличающаяся тем, что субблоки утилизационного блока, каждый, содержат один или более реакторов под давлением.
19. 19. Реакторная система по одному из пп.16-18, отличающаяся тем, что первый субблок и второй субблок утилизационного блока содержат общий реактор под давлением.
20. 20. Реакторная система по одному из пп.16-19, отличающаяся тем, что третий субблок утилизационного блока содержит реактор синтеза Фишера-Тропша и/или реактор жидкофазного синтеза метанола.
21. 21. Реакторная система по одному из пп.16-20, отличающаяся тем, что имеется энергетическая установка, которая предназначена для генерации электрической энергии, и/или механической энергии, и/или тепловой энергии с использованием углеводородов и/или других продуктов из утилизационной установки в качестве топлива.
22. 22. Реакторная система по п.21, отличающаяся тем, что энергетическая установка обеспечена приводным устройством для генерации электрической и/или механической энергии из топлив, где упомянутое приводное устройство предназначено для получения энергии, необходимой для приведения в действие, в результате окисления топлива до газа, полученного в результате окисления, главным образом, состоящего из диоксида углерода и воды, и содержит устройство для сжатия и/или конденсации газа, полученного в результате окисления.
23. 23. Реакторная система по п.22, отличающаяся тем, что приводное устройство энергетической установки может работать с кислородом в качестве окислителя.
24. 24. Реакторная система по п.22 или 23, отличающаяся тем, что приводное устройство энергетической установки содержит теплообменник для охлаждения потока газа, полученного в результате окисления, перед и на выходе из устройства для сжатия и/или конденсации газа, полученного в результате окисления.
25. 25. Реакторная система по одному из пп.22-24, отличающаяся тем, что приводное устройство энергетической установки содержит устройство для конденсации и/или отделения воды от газа, полученного в результате окисления.
26. 26. Реакторная система по одному из пп.22-25, отличающаяся тем, что приводное устройство энергетической установки обеспечено хранилищем для сбора газа, полученного в результате окисления, или остаточного газа после сжатия и/или конденсации газа соответственно.
27. 27. Реакторная система по одному из пп.22-26, отличающаяся тем, что приводное устройство энергетической установки является двигателем внутреннего сгорания по крайней мере с одной камерой сгорания для сгорания жидкого или газообразного топлива с кислородом, со средствами для преобразования полученного давления газа или объёма газа в механическую работу, с подающим устройством для введения кислорода в камеру сгорания и с отводящим устройством для удаления газов, полученных в резуль- 25 024594 тате окисления, из камеры сгорания.
28. 28. Реакторная система по п.27, отличающаяся тем, что приводное устройство энергетической установки обеспечено подающим устройством для введения воды и/или пара в камеру сгорания и/или в поток газа, полученного в результате окисления, после выхода из камеры сгорания.
29. 29. Реакторная система по одному из пп.16-28, отличающаяся тем, что утилизационная установка содержит энергетический блок для генерации электрической и/или механической энергии с одним приводным устройством для генерации электрической и/или механической энергии из пара и/или других горячих газов, которые произведены или перегреты в утилизационном блоке.
30. 30. Реакторная система по п.29, отличающаяся тем, что энергетический блок утилизационной установки содержит приводное устройство для генерации электрической и/или механической энергии из пара или других горячих газов, которые произведены или перегреты в утилизационном блоке; и тем, что в цикле утилизационного блока по крайней мере один теплообменник предназначен для нагрева пара и/или других газов и/или генерации пара.
31. 31. Реакторная система по одному из пп.16-30, отличающаяся тем, что имеется установка для производства водорода и средства для подачи водорода в утилизационный блок.