NL8020492A

NL8020492A -

Info

Publication number: NL8020492A
Application number: NL8020492A
Authority: NL
Original assignee: Energy Resources Company, Inc. Te Cambridge, Massachusetts, Ver. St. V. Am.
Priority date: 1979-12-14
Filing date: 1980-12-15
Publication date: 1981-11-02
Also published as: JPS56501764A; WO1981001713A1; SE8104818L; GB2075543A; FR2473913A1; CA1160104A; ZA807805B; BR8008928A

Description

*

PCT/N/30.341-Kp/vdM

. 80 2 04 S2 / , ........... .... ....

Werkwijze in gefluïdiseerd-bed voor de omzetting van vast afvalmateriaal in schone energie.

De groei van de wereldbevolking heeft geleid tot de bebouwing van meer land/ tot een grotere vraag naar energie en tot een toenemende verontreiniging van het milieu. Deze trends hebben het volume aan agrarisch afvalmateriaal en 5 andere biomassamaterialen doen toenemen en de noodzaak om niet-verontreinigende manieren te ontdekken om de in deze afvalmaterialen opgesloten' energie te winnen verhoogd.

Een voorbeeld hiervan is het opruimen van rijstvliezen, het oneetbare kaf dat gedurende het malen van de 10 eetbare rijst wordt verwijderd. De voedingswaarde ervan is zo laag, dat ze niet geschikt zijn voor veevoeder. P.K. Mehta en N. Pitt schatten in 2 Resource Recovery and Conservation (1976), blz. 23-38, dat de jaarlijkse wereldproduktie van 300 miljoen ton ongepelde rijst 60 miljoen ton aan vliezen 15 oplevert. Onderploegen van deze vliezen leidt tot onontwikkelde planten en verminderde oogst. Verbranding van de vliezen in de open lucht veroorzaakt een onaanvaardbare luchtverontreiniging. Verbranding in de gebruikelijke ketels leidt tot bekleding van interne delen met gesmolten as, luchtverontrei-20 niging en afwezigheid van bijprodukten, afgezien van as voor Ihet maken van cement of rubber vulmaterialen.

Gevonden werd thans, dat pyrolyse, of ontleding door warmte tot minder dan totale oxidatie, van biomassamaterialen in een gefluxdiseerd-bed-reactor laag calo-25 risch gas, pyrolytische olie en een koolstofhoudende vaste as met hoge siliciumdioxideconcentratie levert, zonder significante luchtverontreiniging. Een lagere arbeidstemperatuur dan bij gebruikelijke ketels verhindert het smelten van as en slakvorming, terwijl toch de efficiëntie en de warmteover-30 drachtssnelheden groter zijn en de responsietijd op veranderingen in stoombehoefte wordt verkort. Een groter omslaggebied verhoogt de arbeidsflexibiliteit.

Volgens de werkwijze kunnen niet alleen rijstvliezen worden ontleed, maar ook houtafval, kool, lei-;35 steen, katoenzuiveringsafval, tarwestro, turf, petroleum, 8020492 - 2 - cokes, papier, pindaschillen, koffiedik, ampas, stedelijk vast :afval en rubber produkten als autobanden.

Overeenkomstig de werkwijze van de onderhavige uitvinding wordt het biomassamateriaal versnipperd of op : 5 andere wijze behandeld, zodanig dat de deeltjesgrootte tot ‘aanvaardbare dimensies wordt teruggebracht. Tegelijkertijd kan het materiaal worden gedroogd, teneinde het vochtgehalte te verminderen. Daarop wordt het materiaal gevoed aan een pyrolyse- of vergassingsinrichting in de vorm van een gefluï-10 diseerd-bed-reactievat. Het gas voor de fluïdisatie kan worden gevoed door een ventilator of een soortgelijke inrichting en drukontluchtingsventielen kunnen de druk in het bed regelen.

De als produkten verkregen gas, olie en kool, die het vat verlaten, worden gescheiden met een cycloonscheidingsinrichting 15 of een dergelijke inrichting, en het gas en de olie kunnen vervolgens worden gebruikt als een energiebron voor een aantal doeleinden. Ze kunnen bijv. worden gebruikt voor het opwekken van stoom of als voeding voor de electrische behoefte van het systeem. De kool kan worden opgeslagen in elke daarvoor ge-20 schikte inrichting en kan worden herbruikt. Het volume van de kool is een geringe fractie van het volume van het oorspronkelijke biomassamateriaal.

Deze en andere aspecten van de uitvinding zullen beter worden begrepen en gewaardeerd door de volgende 25 gedetailleerde beschrijving in samenhang met de bijgaande tekeningen.

Figuur 1 is een blokschema, waarmee de ver- . ;schillende trappen in de werkwijze voor omzetting van biomas-;samaterialen volgens de uitvinding worden voorgesteld.

30 Figuur 2 is een schematische schets van een systeem voor de omzetting van biomassa, waarin de werkwijze van figuur 1 wordt uitgevoerd.

Overeenkomstig de onderhavige uitvinding worden biomassamaterialen vergast in een gefluïdiseerd-bed-35 reactievat onder oplevering van schone energieprodukten in de vorm van olie, gas en kool. De hoeveelheden waarin deze produkten worden geproduceerd in de werkwijze, hangen af van de werktemperatuur, de fluxdisatiesnelheid en het als voeding 8020492 - 3 - toegepaste biomassamateriaal.

De schone energieprodukten zijn in het algemeen de volgende: (a) olie - zware, zwartolie, lijkend op residuolie nr. 6, met een verwarmingswaarde in het gebied van 5 5 5 8,2 x 10 - 9,8 x 10 kj/kg en een consistentie bij omgevings temperatuur, die variëert van die van verf tot die van een lichte asfalt. Dit produkt kan onder de meeste omstandigheden :worden vermengd met residuolie, of het kan gescheiden worden verbrand in olie- of steenkoolverbrandingsinrichtingen.

10 (b) Kool - een fijn, poederachtig, koolstof achtig materiaal, dat kan worden verbrand in een gefluïdiseerd-bed-brander of kan worden vermengd met residu- of pyrolytische olie, of op zichzelf worden gebruikt, in toepassingsgebieden van houtskool of koolzwart.

15 (c) Gas - met een warmte-inhoud van 3000- ' 3 11000 k.J/m . Het gas bevat grote hoeveelheden koolmonoxide en waterstof, maar het bevat ook 10-50 % water. Het gasprodukt kan gemakkelijk worden verbrand in een extern voorbehande-lingssysteem, zoals een stoomketel of een gasturbine.

20 Het in figuur 1 getoonde werkwijze-schema geeft de verschillende trappen van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding weer. Volgens figuur 1 wordt het te behandelen biomassamateriaal gevoed aan een versnipperinrich-ting, teneinde de massa tot een geschikte deeltjesgrootte 25 terug te brengen. Vervolgens wordt het versnipperde materiaal gedroogd om het vochtgehalte te verminderen tot de door de vergassingsinrichting voor het voedingsmateriaal bepaalde vochtigheidsgrens.

Nadat het materiaal voor het verkrijgen van 30 de juiste deeltjesgrootte en het juiste vochtgehalte is voorbehandeld, wordt het gevoed aan een gefluïdiseerd-bed-reactor met een inert bed van materiaal, zoals vuurvast zand, alumdun ;korrels, glas, enz. Daarop wordt het materiaal vergast, onder oplevering van de schone energieprodukten als olie, kool en 35 gas.

Het vergaste produkt wordt vervolgens getransporteerd naar een scheidingsinrichting, waar de kool kan worden verwijderd van de olie en het gas, of alle drie de 8020492 - 4 - produkten van elkaar kunnen worden gescheiden. In een voorkeursuitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding wordt de kool teruggevoerd naar de vergassingsinrichting om in het ge-fluïdiseerde bed te worden verbrand. De overige produkten, 5 n.1. de olie en het gas, kunnen worden verbrand voor het opwekken van stoom of van electrische energie, die op zijn beurt in het systeem kan worden gebruikt. De electrische energie kan bijv. worden gebruikt om de versnipperinrichting aan te drijven, of de drooginrichting, of de blazer, waarmee het fluïdi-10 satiegas wordt gevoed en de stoom kan worden gebruikt als een warmtebron voor de drooginrichting.

In figuur 2 wordt een in het bijzonder voor het uitvoeren van de onderhavige werkwijze geschikte inrichting getoond. In deze figuur wordt een opslagplaats 1 aangege-15 ven, waar het biomassamateriaal (soms met voeding aangeduid) aankomt. In het algemeen heeft dit materiaal een deeltjesgrootte in het gebied van 2,5-7,5 cm. Wanneer de voeding aan verwerking toe is, wordt het via een bandtransporteur 2 naar een versnipperinrichting 3 gebracht, waar de deeltjesgrootte 20 van de voeding wordt verlaagd tot 6 mm of minder. De versnipperinrichting kan bijv. een hamermolen zijn met een capaciteit van 1,5 metrische ton per uur.

Het biomassamateriaal uit de versnipperinrichting wordt daarop in een drooginrichting 4 gestort, die 25 een transportschroef kan omvatten, om het vochtgehalte terug te brengen onder de bovengrens, die door het systeem voor het materiaal wordt bepaald. Normaal moet het gehalte worden teruggebracht tot 50 gew.% of minder. Warmte kan aan de drooginrichting worden toegevoerd door stoom door de schroeven te 30 leiden en deze stoom kan worden opgewekt door de olie èn gas-produkten, die in het systeem worden verkregen, te gebruiken.

De gedroogde voeding kan via een band 5 en een lift 6 in een vultrechter 10 voor de voeding van het gefluïdiseerde bed worden gebracht.

35 De vultrechter 10 is verbonden met een lucht- sluisventiel 12 en een schroefvoeder 14 met de invoeropening 16 van de vergassingskamer 18 van een reactievat 20. De binnenwanden van het vat kunnen bekleed zijn met een vuurvast 8020492 - 5 - materiaal, en een inert bed van materialen, zoals zand, alumdun korrels, glas, enz. wordt gebracht op een horizontale geperforeerde distributieplaat 22 voor het opstarten van de inrichting. De distributieplaat 22 bevindt zich onder de 5 opening 16 en scheidt de hoger gelegen fluïdisatiekamer 18 van een lager gelegen luchtvoedingskamer 24 van het vat 20.

Een fluïdisatiegas zoals lucht of mengsels van zuurstof, stikstof en kooldioxide en water, wordt in kamer 24 gevoed gedurende de werking van de inrichting door 10 een opening 26 door middel van een ventilator 28. Voor de meeste toepassingen zal het fluïdisatiegas zuurstof in concentraties in het gebied van 0-21 vol.% bevatten, maar het kan verrijkt zijn met zuurstof wanneer de bereiding van hoger calorisch gas wordt gewenst. Verbrandingswaarden van tot aan ; 3 * i 15 18.500 KJ/m kunnen worden bereikt. Fluïdisatiesnelheden in het gebied van 0,25-10 m/s en drukken in het gebied van 2 0,07-0,56 kg/cm hebben de voorkeur. Gedurende het opstarten wordt lucht gevoed door een andere opening 30 vanuit een gasbrander 32, waardoor de kamer 18 in ca. 2 h tot werktempera-20 tuur van 400-1100°C wordt gebracht.

Wanneer de biomassavoeding wordt gevoed door de opening 16, fluïdiseert lucht die door de talloze kleine gaatjes 23 in de distributieplaat 22 uit kamer 24 wordt geperst, de biomassadeeltjes en mengt ze met vuurvast zand of 25 de andere in het bed gebruikte inerte materialen. De inhoud van het vat krijgt het uiterlijk van een snel kokende vloeistof en de alom aanwezige luchtstroom onderwerpt het totale oppervlak van alle deeltjes aan een gelijkmatige warmte- en luchttoevoer. De deeltjes worden snel afgebroken tot olie, 30 gas en kool/as, die omdat ze een grotere wrijvingsoppervlakte/ gewichtsverhouding hebben dan de biomassadeeltjes, eenvoudig omhoog worden geblazen door een uitvoeropening 34 aan de bovenkant van de kamer 18 en door een pijp 36 naar een gebruikelijke cycloonscheidingsinrichting 38. De olie-/gasproduktverhou-35 ding kan worden geregeld door de werktemperaturen te variëren; met bijv. een voedingsbiomassamateriaal als rijstvliezen wordt meer olie gevormd beneden 500°C, terwijl de gasopbrengst toeneemt en de olieopbrengst afneemt naarmate de temperatuur 8020492 - 6 - 800°C benadert. Het geproduceerde gas heeft een verbrandings- 3 waarde van meer dan 9000 KJ/m . Samen met de as wordt enige kool, bevattende ca. 90 % koolstof, gevormd en zoals getoond wordt deze kool uit de cycloon 38 via een asschroefvoeder 40 : 5 teruggevoerd door een opening 42 naar kamer 18 van het reactievat 20. De kool wordt verbrand om bij te dragen tot de in-standhouding van de reactietemperatuur.

Continu wordt enige nog hete as verwijderd uit de cycloon door middel van een draaiventiel 44 en met een 10 schr.oefvoeder 46 onder een koelwaterversproeiïng 48 gevoed aan een emmerelevator 50. Deze stort de as in een stortkoker 52 en vandaar in een glazen opslagtank 54. Deze tank kan van een eigen schroefvoeder 56 zijn voorzien voor het uitladen en afvoeren van de as. Deze as bestaat hoofdzakelijk uit poeder-15 achtig siliciumdioxide en heeft slechts een fractie van het volume van het oorspronkelijke biomassamateriaal, wellicht 20 %.

De olie en het gas uit de cycloon 38 worden zoals getoond via een leiding 59 vanuit de bovenkant van de 20 cycloon te zamen weggevoerd en alhoewel de olie gecondenseerd kan worden, is het eenvoudiger de olie voor verbranding in de gasfase gemengd met het gas te laten. Als boven gesuggereerd kan het gas en/of de olie worden gebruikt voor de opwekking van stoom voor de drooginrichting of van electriciteit voor 25 het aandrijven van één of meerdere van de onderdelen in het systeem. Dit is aangegeven in het systeem van figuur 2 in de vorm van een gebruikelijke gasbrander, uitgerust met een zuig-ventilator 60 en een kookketel 62 voor het maken van stoom.

De kookketel 62 kan een standaard "D"-type waterbuis-kookketel 30 zijn, die is ontworpen voor het opwekken van 10,35 bar verzadigde stoom. Afvalgassen worden door een schoorsteen 64 in de atmosfeer uitgestoten, waarbij vanwege het lage stofgehalte van de gassen geen apparatuur voor hét regelen van de uitstoot vereist is. Gebruikelijke hulpmiddelen voor de kookketel 35 kunnen desgewenst worden gebruikt.

8020492

Claims

1. Werkwjze voor de omzetting van biomassa- I | ·materiaal in schone energie, met het kenmerk,; :dat het biomassamateriaal wordt gevoed met een vooraf bepaalde |deeltjesgrootte en een vochtgehalte beneden een vooraf be- ; 5 paalde grens, in een bed van in hoofdzaak inerte deeltjes, : de biomassa wordt gefluïdiseerd zonder mechanische roerbladen,; j maar alleen door middel van gas bevattende bepaalde hoeveel- ~ \ heden zuurstof, het biomassamateriaal wordt vergast bij een ! temperatuur in het gebied van 400-1100°C, terwijl de hoeveel- j ! 10 heden zuurstof worden geregeld, onder oplevering van een com- I | binatie van olie, kool en gas met een beoogde verbrandings- j j !waarde, overwegend al de verkregen produkten van bovenuit iworden verwijderd en worden gescheiden.

1. Werkwijze voor de omzetting van biomassamateriaal in schone energieprodukten, met het kenmerk, dat het biomassamateriaal met een vooraf be- I 5 paalde deeltjesgrootte en met een vochtgehalte beneden een vooraf bepaalde grens wordt gevoed, de biomassa met gas, bevattende een bepaalde hoeveelheid zuurstof, wordt geflu'idi-seerd, het biomassamateriaal bij een temperatuur in het gebied van 400-ll00°C wordt vergast onder oplevering van een combina- 10 tie van olie, gas en kool en de verkregen produkten worden gescheiden.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met j15 het kenmerk, dat verder een gedeelte van de νοε ί ding wordt verbrand onder oplevering van proceswarmte in het bed voor de ontleding van de rest van de voeding.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat verder de verkregen produkten worden gebruikt voor de opwekking van energie en dat deze 15 energie in de werkwijze wordt benut.

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met j het kenmerk, dat verder de verkregen produkten 20 worden verbrand voor de opwekking van warmte voor het drogen |van het biomassamateriaal voordat het wordt gefluïdiseerd. ;

3. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat verder het biomassamateriaal een deeltjesgrootte heeft van 6 mm of minder met een vochtgehalte van het materiaal van 50 gew.% of minder.

4. Werkwijze volgens conclusie 1, met ihet kenmerk, dat verder het biomassamateriaal wordt verkleind tot een deeltjesgrootte van 6 mm of minder met 25 een vochtgehalte van het materiaal van 50 gew.% of minder.

5. Werkwijze voor de omzetting van biomassa- j materiaal in schone energieprodukten, m e t h e t j jk e n m e r k , dat het om te zetten biomassamateriaal wordt aangevoerd, het materiaal wordt versnipperd tot een deeltjes- i [ ; 130 igrootte kleiner dan 6 mm in diameter, het versnipperde bio- 1 8020492 Imassamateriaal wordt gedroogd tot een vochtgehalte beneden ; . ! i i50 gew.%, vervolgens het materiaal wordt getransporteerd naar j een gefluïdiseerd bed, dat in hoofdzaak inerte deeltjes bevat,; ponder gelijktijdige fluïdisatie van het bed zonder mechanische ;35 |roerbladen maar alleen met gas met een geregelde zuurstofcon- i v ff - - ίcentratie in het gebied van 0-21 vol.%, de biomassa wordt vergast bij een temperatuur in het gebied van 400-1100°C, verder 1 al de verkregen produkten als gas, olie en kool van bovenuit [worden verwijderd en de kool van het gas en de olie door 5[ middel van een cycloon wordt gescheiden.

5. Werkwijze voor de omzetting van biomassa materiaal tot schone energieprodukten, met het kenmerk, dat het om te zetten biomassamateriaal wordt aangevoerd, het materiaal wordt versnipperd tot een deeltjesgrootte kleiner dan 6 mm in diameter, het versnipperde bio- 25 massamateriaal wordt gedroogd tot een vochtgehalte beneden :50 gew.%, vervolgens het materiaal in een gefluïdiseerd bed wordt gebracht onder gelijktijdige toevoer van een flu’idisa-tiegas met een zuurstofconcentratie in het gebied van 0-21 vol.%, de biomassa wordt vergast bij een temperatuur in het 30 gebied van 400-ll00°C en de verkregen produkten als gas, olie en kool, van bovenuit worden verwijderd.

6. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat verder de kool van het gas en de olie wordt gescheiden.

7. Werkwijze volgens conclusie 5, met het., kenmerk , dat verder het gas en/of de olie . i ‘ 1 wordt verbrand voor de opwekking van warmte en de energie ! | ;wordt gebruikt voor voorziening in tenminste een gedeelte van 10 de warmte, die nodig is voor het drogen van het biomassa-| [materiaal. [ 11. Werkwijze voor de omzetting van biomassa- ; I materiaal in schone energieprodukten waaronder hoog calorisch ' |gas, met het kenmerk, dat het om te zetten 15Ibiomassamateriaal wordt aangevoerd, het materiaal wordt ver-i ! ; I isnipperd tot een deeltjesgrootte kleiner dan 6 mm in diameter/ |het versnipperde biomassamateriaal wordt gedroogd tot een vochtgehalte beneden 50 gew.%, vervolgens het materiaal wordt; getransporteerd naar een gefluïdiseerd bed onder gelijktijdig^ ;20 toevoer van een fluïdisatiegas met een zuurstofconcentratie j !groter dan 20 vol.%, de biomassa bij een temperatuur in het | gebied van 400-ll00°C wordt vergast en de verkregen produkten als hoog calorisch gas, olie en kool, van bovenuit worden verwijderd.

7. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat verder het gas en/of de olie wordt gebruikt voor de opwekking van energie en dat de energie wordt gebruikt ter voorziening in tenminste een gedeelte van 8 0 2 0 4 9 2 ,-8- i i _ i j ; j I ;het energieverbruik van de werkwijze. j

: 8· Inrichting voor de omzetting van bio- !massamateriaal in schone energie, m e t h e t j ' 'kenmerk, dat deze omvat een reactievat, een geperfo- ! ; 5'reerde distributieplaat in het vat, een voeder verbonden met | !het vat voor de voeding van biomassamateriaal in het vat boven de plaat, middelen omvattende een pomp, verbonden met het vat voor het voeden van zuurstof bevattend gas aan het vat ; onder de plaat voor de fluïdisatie van de biomassa in het vat,: 10 een opstartbrander, verbonden met het vat voor verwarming van! :het vat tot aan werktemperatuur voor de omzetting van bio-;massamateriaal in een combinatie van gas, olie en kool, een !afvoerleiding, lopend van de bovenkant van het reactievat voor de verwijdering van het produkt van bovenuit het vat en 15;een scheidingsinrichting, verbonden met de leiding voor het scheiden van de verkregen produkten. ! i !

9· Inrichting volgens conclusie 7, m e t ! het kenmerk, dat verder deze is voorzien van |middelen, verbonden met de scheidingsinrichting voor het j !20;terugvoeren van kool naar het vat boven de plaat.

10· Inrichting volgens conclusie 7, met | het kenmerk, dat deze verder is voorzien van imiddelen, verbonden met de scheidingsinrichting voor het I iopwekken van energie uit het verkregen gas en/of olie.

11. Werkwijze voor de omzetting van biomassa- ;materiaal in schone energieprodukten waaronder hoog calorisch j :gas, met het kenmerk, dat het om te zetten biomassamateriaal wordt aangevoerd, het materiaal wordt ver- I ; snipperd tot een deeltjesgrootte kleiner dan 6 mm in diameter,1 30 het versnipperde biomassamateriaal wordt gedroogd tot een vochtgehalte beneden 50 gew.%, vervolgens het materiaal wordt | : i getransporteerd naar een gefluxdiseerd bed onder gelijktijdige ttoevoer van een fluïdisatiegas met een zuurstofconcentratie j |groter dan 20 vol.%, de biomassa bij een temperatuur in het j 35|gebied van 400-ll00°C wordt vergast en de verkregen produkten j !als gas, olie en kool, van bovenuit worden verwijderd. ; 12· Werkwijze voor de omzetting van autoban- iden in schone energieprodukten, m e t h e t ! L 8020492 - 9 - kenmerk, dat het bandenmateriaal wordt gevoed met een ; vooraf bepaalde deeltjesgrootte en een vochtgehalte beneden j j 'een vooraf bepaalde grens, de banden worden gefluïdiseerd met ! igas, bevattende bepaalde hoeveelheden zuurstof, de banden ; ; 5;worden vergast bij een temperatuur in het gebied van 400- ; I >1100°C, onder oplevering van een combinatie van olie, gas en i ikool en de verkregen produkten worden gescheiden. s ! ! j : I · !10: I [ I i 1 ; i ! ; ; i ί i I : i I : I ; i : l : i ! ! ! ! ! I I | i ; | i ; | : | : : ί ! i j Ij' j ! : j i ; j ί i I i 1 ! ! 1 i ! i I ; ; I 8020492 i V - Ιό- i ί ! ; Vertaling van gewijzigde conclusies 1-7 en 11-12, zoals I ingediend op 30 mei 1981. j j ; .1

12. Werkwijze voor de omzetting van autoban- [ [den in schone energieprodukten, met het kenmerk, [dat het bandenmateriaal wordt gevoed met een vooraf bepaalde deeltjesgrootte en een vochtgehalte beneden een vooraf bepaalde grens, het bandenmateriaal wordt gefluïdiseerd zonder j 30 mechanische roerbladen maar alleen door middel van bepaalde hoeveelheden zuurstof bevattend gas, de banden worden vergast t o ! ; ;bij een temperatuur in het gebied van 400-100 C, onder ople- [ vering van een combinatie van olie, gas en kool en de ver- [ ;kregen produkten worden gescheiden. 35 8020492