NO20140433A1

NO20140433A1 - Fully integrated redox-assisted gasification (RAG) for efficient conversion of carbonaceous material

Info

Publication number: NO20140433A1
Application number: NO20140433A
Authority: NO
Inventors: Yngve Larring; Mehdi Pishahang
Original assignee: Sinvent As
Priority date: 2014-04-03
Filing date: 2014-04-03
Publication date: 2015-10-05
Also published as: NO338230B1

Description

Fullstendig integrert redoks-assistert gassifisering { RAG) for produktiv konvertering av karbonholdig materiale Fully integrated redox-assisted gasification (RAG) for productive conversion of carbonaceous material

Oppfinnelsesområde Field of invention

Foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat og en fremgangsmåte for fremstilling av syntesegass (syngass) ved forgassing av karbonholdig råmateriale. The present invention relates to an apparatus and a method for the production of synthesis gas (syngas) by gasification of carbonaceous raw material.

Bakgrunn for oppfinnelsen Background for the invention

Gassifisering av karbonholdig materiale til syntesegass som benyttes videre for å frembringe ulike brennstoff, er velkjent. Materialene omdannes til karbonmonoksid, hydrogen og karbondioksid, dvs. syntesegass. Prosessen, enkelte reaktor-konfigurasjoner og design er godt fundert. Ulike design og fremgangsmåter er beskrevet, f.eks. i en rapport av E4TECH, "Review of Technologies for gasification of Biomass and wastes", juni 2009. Gasification of carbonaceous material into synthesis gas, which is further used to produce various fuels, is well known. The materials are converted into carbon monoxide, hydrogen and carbon dioxide, i.e. synthesis gas. The process, individual reactor configurations and design are well founded. Various designs and methods are described, e.g. in a report by E4TECH, "Review of Technologies for gasification of Biomass and wastes", June 2009.

De karbonholdige materialene fordrer en oksygenkilde og en betydelig mengde varme for effektiv konvertering til syntesegass. The carbonaceous materials require an oxygen source and a significant amount of heat for efficient conversion to synthesis gas.

Den mest opplagte oksygenkilde er luft. Direkte injeksjon av luft i gassifiseringskammeret resulterer imidlertid i uønsket fortynning av syntesegassen med N2, men også et for høyt C02-innhold kan oppstå og gi utfordringer når syntesegassen konverteres videre til verdifulle brennstoffer. The most obvious source of oxygen is air. However, direct injection of air into the gasification chamber results in unwanted dilution of the synthesis gas with N2, but an excessively high C02 content can also occur and cause challenges when the synthesis gas is further converted into valuable fuels.

En annen benyttet mulighet er å tilsette renset 02fra en PSA eller et kryo-anlegg for å unngå N2-fortynning. Investeringsomkostninger og energiforbruket for produksjon av 02er imidlertid betydelig. Dessuten vil bruk av ren 02for forgassing resultere i en syntesegass som inneholder betydelige mengder C02under autotermale betingelser, hvilket ideelt sett er uønsket. Another option used is to add purified 02 from a PSA or cryo-plant to avoid N2 dilution. Investment costs and the energy consumption for the production of 02 are, however, significant. Also, using pure O 2 for gasification will result in a synthesis gas containing significant amounts of C 0 2 under autothermal conditions, which is ideally undesirable.

En annen mulighet er å brenne noe brennstoff sammen med luft i en brenner og føre varmen inn i sjiktet (pyrolyse), men i dette tilfelle vil alt brennstoffet benyttet for varmeproduksjon være bortkastet. I henhold til et annet konsept benyttes plasmaoppvarming, hvilket fordrer forbruk av kostbar elektrisitet. Etter andre konsepter benyttes et sirkulerende sandsjikt for å bringe varmen inn i reaktoren, overført fra en forbrenningsreaktor, hvor brennstoff brennes for å varme opp sanden. Another possibility is to burn some fuel together with air in a burner and pass the heat into the layer (pyrolysis), but in this case all the fuel used for heat production will be wasted. According to another concept, plasma heating is used, which requires the consumption of expensive electricity. According to other concepts, a circulating sand layer is used to bring the heat into the reactor, transferred from a combustion reactor, where fuel is burned to heat the sand.

I korthet har alle dagens konsepter energikrav som er høye, fordrer enten brenning av brennstoff, produksjon av oksygen eller bruk av elektrisitet. Det er således fremdeles et behov for å forbedre driften av gassifiseringsprosesser. In short, all current concepts have high energy requirements, requiring either the burning of fuel, the production of oxygen or the use of electricity. There is thus still a need to improve the operation of gasification processes.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe varme for gassifiseringsprosessen for å oppnå effektiv anvendelse av energi og brennstoff for gassifiseringen av et karbonholdig råstoff for produksjon av syntesegass. The purpose of the present invention is to provide heat for the gasification process in order to achieve efficient use of energy and fuel for the gasification of a carbonaceous raw material for the production of synthesis gas.

Et annet formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en oksygenkilde for gassifiseringsprosessen, hvor anvendt oksygenholdig gass ikke fortynnes med nitrogen. Another object of the present invention is to provide an oxygen source for the gasification process, where the oxygen-containing gas used is not diluted with nitrogen.

Dessuten er foreliggende oppfinnelse rettet mot å frembringe en gassifiserings-prosess som gjør det mulig å redusere den minste økonomiske skala for et gassifiseringsanlegg. Furthermore, the present invention is aimed at producing a gasification process which makes it possible to reduce the smallest economic scale for a gasification plant.

Sammenfatning av oppfinnelsen Summary of the Invention

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et apparat for fremstilling av syntesegass gjennom gassifisering av karbonholdige materialer, som omfatter et gassifiseringskammer, hvor gassifiseringskammeret omslutter i det minste én varmegenererende redoks-assistert reaktor med stasjonært sjikt, hvor reaktoren med stasjonært sjikt omfatter et fast oksygenbærende materiale. The present invention provides an apparatus for the production of synthesis gas through the gasification of carbonaceous materials, which comprises a gasification chamber, where the gasification chamber encloses at least one heat-generating redox-assisted reactor with a stationary bed, where the reactor with a stationary bed comprises a solid oxygen-carrying material.

Det faste oksygenbærende materialet kan omfatte minst ett metalloksid valgt fra gruppen av oksider av Cu, Mn, Fe, Ni, Cr, Ce, Ti og Co. The solid oxygen-bearing material may comprise at least one metal oxide selected from the group of oxides of Cu, Mn, Fe, Ni, Cr, Ce, Ti and Co.

I én utførelsesform innføres alternerende luft og brennstoff i reaktoren med stasjonært sjikt via et rør som penetrerer det faste oksygenbærende materialet for å muliggjøre forvarming av luften og brennstoffet. En slik "rør i rør"-løsning gir effektiv varmeutveksling. In one embodiment, alternating air and fuel are introduced into the fixed bed reactor via a tube that penetrates the solid oxygen-carrying material to enable preheating of the air and fuel. Such a "pipe in pipe" solution provides efficient heat exchange.

Fortrinnsvis omgir et utløpsrør som lar produsert syntesegass forlate gassifiseringskammeret, den i det minste ene varmegenererende redoks-assisterte reaktor med stasjonært sjikt. Dette røret kan være fylt med katalytisk materiale. Preferably, an outlet pipe that allows produced synthesis gas to leave the gasification chamber surrounds the at least one heat-generating redox-assisted stationary bed reactor. This tube may be filled with catalytic material.

Det karbonholdige materialet kan føres inn i gassifiseringskammeret med en transportør, for eksempel ved bruk av en skruetransportør eller "bell feeding". En lignende tilførselsanordning kan benyttes for å fjerne aske og gjenværende organiske forbindelser fra gassifiseringskammeret. The carbonaceous material can be fed into the gasification chamber with a conveyor, for example using a screw conveyor or "bell feeding". A similar supply device can be used to remove ash and remaining organic compounds from the gasification chamber.

Varmevekslere kan settes inn for å utnytte varmen fra de varme gassene som produseres under redoks-reaksjonene. Heat exchangers can be used to utilize the heat from the hot gases produced during the redox reactions.

Forbrenningsgasser, som C02og H20, fra den redoks-assisterte reaktor med stasjonært sjikt kan returneres til gassifiseringskammeret via et rør som fører fra utløpet av den redoks-assisterte reaktor med stasjonært sjikt inn i gassifiseringskammeret, fortrinnsvis i bunnen. Røret kan fortrinnsvis være ledet gjennom en varmeveksler. Combustion gases, such as CO 2 and H 2 O, from the redox-assisted fixed bed reactor can be returned to the gasification chamber via a pipe leading from the outlet of the redox-assisted fixed bed reactor into the gasification chamber, preferably at the bottom. The pipe can preferably be led through a heat exchanger.

Et annet aspekt ved oppfinnelsen er en fremgangsmåte for fremstilling av syntesegass gjennom gassifisering av karbonholdige materialer omfattende: mating av et gassifiseringskammer med karbonholdige materialer; varmeproduksjon i minst én varmegenererende redoks-assistert reaktor med stasjonært sjikt innelukket i gassifiseringskammeret ved alternativt å innføre luft og brennstoff til det stasjonære sjiktet som omfatter et fast oksygenbærende materiale; tilførsel av en oksygenholdig gass til gassifiseringskammeret og bringe de karbonholdige materialer i kontakt med den oksygenholdige gass i gassifiseringskammeret for å fremstille syntesegassen. Another aspect of the invention is a method for producing synthesis gas through the gasification of carbonaceous materials comprising: feeding a gasification chamber with carbonaceous materials; heat production in at least one heat-generating redox-assisted reactor with a stationary bed enclosed in the gasification chamber by alternatively introducing air and fuel to the stationary bed comprising a solid oxygen-carrying material; supplying an oxygen-containing gas to the gasification chamber and bringing the carbonaceous materials into contact with the oxygen-containing gas in the gasification chamber to produce the synthesis gas.

Det faste oksygenbærende materialet i det stasjonære sjiktet vil reduseres av brennstoff, som f.eks. renset syntesegass fra gassifiseringen. Denne prosessen er fortrinnsvis eksoterm. Forbrenningsgassene som produseres ved denne reduksjon, kan fortrinnsvis føres inn som den oksygenholdige gass i gassifiseringskammeret. Den oksygenholdige gass kan varmeveksles med den produserte syntesegass i en varmeveksler. The solid oxygen-carrying material in the stationary layer will be reduced by fuel, such as e.g. purified synthesis gas from the gasification. This process is preferably exothermic. The combustion gases produced by this reduction can preferably be introduced as the oxygen-containing gas into the gasification chamber. The oxygen-containing gas can be heat exchanged with the produced synthesis gas in a heat exchanger.

Når det faste oksygenbærende materialet er redusert til et visst nivå, kan det oksideres, f.eks. ved innføring av luft. Denne prosessen er eksoterm og utvikler varme og varm nitrogengass vil slippes ut. Luften kan varmeveksles med varm nitrogengass før den føres inn til den varmegenererende redoks-assisterte reaktor med stasjonært sjikt. When the solid oxygen-carrying material has been reduced to a certain level, it can be oxidized, e.g. when introducing air. This process is exothermic and generates heat and hot nitrogen gas will be released. The air can be heat-exchanged with hot nitrogen gas before it is fed into the heat-generating redox-assisted reactor with a stationary bed.

En fordel ved foreliggende oppfinnelse er at den varme som utvikles ved redoks-prosessene benyttes direkte for gassifiseringen og konverteringen av karbonholdige materialer til syntesegass. An advantage of the present invention is that the heat developed by the redox processes is used directly for the gasification and conversion of carbonaceous materials into synthesis gas.

En annen fordel ved oppfinnelsen er at brennstoffet i den varmegenererende redoks-assisterte reaktor med stasjonært sjikt ikke blandes med luft, hvilket betyr at forbrenningsproduktene kan sendes til gassifiseringsenheten for å bidra til gassifiseringen, og C02kan omdannes til anvendelig CO i stedet for å frigis til atmosfæren. Fleksibiliteten ved å tilsette mer varm damp inn i gassifiseringsenheten for å styre forholdet mellom CO og H2er svært fordelaktig for å justere produktet in-situ fremfor ved senere behandling av syntesegassen, hvor også C02fjernes/tapes i enkelte tilfeller. Konseptet gir enestående mulighet til å unngå eller minimere tapene av verdifult karbon i form av C02i prosessen. Oksygenet som trengs er midlertidig lagret i et stasjonært sjikt av fast oksygenbærende materiale. Varmen som produseres under oksidasjon og reduksjon vil også midlertidig lagres i materialene i det stasjonære sjikt. Det lagrede oksygen benyttes for forbrenning av brennstoff og kan sendes inn i gassifiseringskammeret. Another advantage of the invention is that the fuel in the heat-generating redox-assisted stationary bed reactor is not mixed with air, which means that the combustion products can be sent to the gasification unit to contribute to the gasification, and C02 can be converted to usable CO instead of being released to the atmosphere . The flexibility of adding more hot steam into the gasification unit to control the ratio between CO and H2 is very advantageous for adjusting the product in-situ rather than during later processing of the synthesis gas, where C02 is also removed/lost in some cases. The concept offers a unique opportunity to avoid or minimize the losses of valuable carbon in the form of the C02i process. The oxygen needed is temporarily stored in a stationary layer of solid oxygen-bearing material. The heat produced during oxidation and reduction will also be temporarily stored in the materials in the stationary layer. The stored oxygen is used for burning fuel and can be sent into the gasification chamber.

Kort beskrivelse av tegningene: Brief description of the drawings:

Figur 1 viser en skjematisk fremstilling av én utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Figur 2 viser to situasjoner av en utførelsesform av (RAG) apparatet og fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen. Denne illustrerer hvorledes innføring av luft og brennstoff alterneres i de varme redoks-baserte reaktorene med stasjonært sjikt. Figur 3 viser mer detaljert hvorledes luft eller brennstoff kommer inn i det stasjonære redoks sjiktet, og hvorledes den produserte syntesegass forlater gassifiseringskammeret tett til den ytre vegg av den varme redoks-baserte reaktor med stasjonært sjikt. Figur 4 viser en annen utførelsesform av oppfinnelsen hvor varm gass produsert i de varme redoks-baserte reaktorene med stasjonært sjikt, og den produserte syntesegass varmeveksles ytterligere i RAG-enheten for bedre varmeintegrering. Figure 1 shows a schematic representation of one embodiment of the present invention. Figure 2 shows two situations of an embodiment of the (RAG) apparatus and method according to the invention. This illustrates how the introduction of air and fuel alternates in the hot redox-based stationary bed reactors. Figure 3 shows in more detail how air or fuel enters the stationary redox bed, and how the produced synthesis gas leaves the gasification chamber close to the outer wall of the hot redox-based stationary bed reactor. Figure 4 shows another embodiment of the invention where hot gas produced in the hot redox-based stationary bed reactors, and the produced synthesis gas is further heat exchanged in the RAG unit for better heat integration.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen: Detailed description of the invention:

Foreliggende oppfinnelse for gassifisering av karbonholdige materialer resulterer i høyere brennstoff- og energieffektivitet som følge av den integrerte Heat Transfer Elements ved å benytte en Redoks-prosess (HETER) i form av en reaktor med stasjonært sjikt fylt med faste oksygenbærende materialer, som f.eks. metalloksider, for alternerende reduksjon med brennstoff og oksidasjon med luftstrøm over sjiktet. The present invention for the gasification of carbonaceous materials results in higher fuel and energy efficiency as a result of the integrated Heat Transfer Elements by using a redox process (HETER) in the form of a reactor with a stationary bed filled with solid oxygen-carrying materials, such as . metal oxides, for alternating reduction with fuel and oxidation with air flow over the layer.

Karbonholdige materialer egnet for gassifisering innbefatter biomasse, kull, faste og flytende organiske materialer og gassformige brennstoffer som inneholder karbon. Carbonaceous materials suitable for gasification include biomass, coal, solid and liquid organic materials, and gaseous fuels containing carbon.

Det faste oksygenbærende materialet velges for å sikre at redoks-prosessene er eksoterme og således utvikler varme. Egnede materialer er metalloksider valgt fra redoks-aktive oksider av Mn, Fe, Cu, Ni, Cr, Ce, Ti og Co eller blandinger av hvilke som helst av disse. De kan benyttes sammen med andre elementer som bærer, men også blandinger av aktive og inerte materialer kan benyttes, inklusivt avanserte materialer som Cai-yAyMni-xMx03, hvor A f.eks. enten mangler, er Sr, La eller et av lantanidemetallene, og hvor M er f.eks. Co, Fe, Cr, Cu, Ni, Ti, Mg), og 0<x<l og 0<y<l. The solid oxygen-carrying material is chosen to ensure that the redox processes are exothermic and thus generate heat. Suitable materials are metal oxides selected from redox-active oxides of Mn, Fe, Cu, Ni, Cr, Ce, Ti and Co or mixtures of any of these. They can be used together with other elements as carriers, but also mixtures of active and inert materials can be used, including advanced materials such as Cai-yAyMni-xMx03, where A e.g. either missing, is Sr, La or one of the lanthanide metals, and where M is e.g. Co, Fe, Cr, Cu, Ni, Ti, Mg), and 0<x<l and 0<y<l.

De faste oksygenbærende materialer (metalloksid(er)) reduseres med brennstoff, og brennstoffet forbrennes til forbrenningsprodukter (C02+H20) og det dannes varme. Under oksidasjonen av de reduserte metalloksider med luft, produseres dessuten varme som følge av prosessens eksoterme natur. Både reduksjons- og oksidasjonsreaksjonene i HETER utvikler varme for gassifiseringsprosessen. I red oks-konseptet hvor brennstoff og luft mates inn syklisk, skjer først forbrenningsprosessen og deretter oksidasjonsprosessen. Enhver blanding av det forbrente brennstoff med luft unngås derved. På denne måte oppnås to separate strømmer av nesten ren N2og forbrente brennstoffer. Redoks-prosessens evne til å foreta C02-separasjon kan benyttes til å resirkulere det forbrente brennstoff tilbake til gassifiseringsdelen av prosessen og derved redusere den mulige C02-emisjon fra Redox Assisted Gasification (RAG) prosessen. Varmen som utvikles i reaktoren gjennom denne redoks av faste oksygenbærende materialer benyttes for å gi den nødvendige varme i den redoks-assisterte gassifiserings- (RAG) reaktor, men kan også forbedre syntesegasskonverteringen ved å føre de produserte gassene tett til HETER på veien ut av reaktoren. I denne prosess kan det også benyttes et katalytisk materiale i røret som omgir HETER, og hvor syntesegassen forlater RAG-reaktoren for å sikre den fullstendige omdannelse av tjærer og andre tyngre produkter til syntesegass. The solid oxygen-carrying materials (metal oxide(s)) are reduced with fuel, and the fuel is burned into combustion products (C02+H20) and heat is generated. During the oxidation of the reduced metal oxides with air, heat is also produced as a result of the exothermic nature of the process. Both the reduction and oxidation reactions in HETER develop heat for the gasification process. In the red ox concept, where fuel and air are fed in cyclically, the combustion process takes place first and then the oxidation process. Any mixing of the burnt fuel with air is thereby avoided. In this way, two separate streams of almost pure N2 and burnt fuels are obtained. The redox process's ability to carry out C02 separation can be used to recycle the burnt fuel back to the gasification part of the process and thereby reduce the possible C02 emission from the Redox Assisted Gasification (RAG) process. The heat developed in the reactor through this redox of solid oxygen-bearing materials is used to provide the necessary heat in the redox-assisted gasification (RAG) reactor, but can also improve synthesis gas conversion by bringing the produced gases close to HETER on the way out of the reactor . In this process, a catalytic material can also be used in the pipe that surrounds the HETER, and where the synthesis gas leaves the RAG reactor, to ensure the complete conversion of tars and other heavier products into synthesis gas.

Foreliggende oppfinnelse medfører fullstendig integrering av en redoks-basert forbrenningsprosess for intern varmeoverføring til gassifiseringsprosessen. Den redoks-baserte prosess er basert på en reaktor med stasjonært sjikt fylt med faste oksygenbærende granulater som har mulighet for oksidasjon eller reduksjon ved alternerende luft- og gassformede brennstoffstrømmer for varmeproduksjon. I de alternerende redoks-prosessene produseres N2 og forbrenningsprodukter som H20 og C02. Nitrogen, N2, blandes ikke med forbrenningsgassene, og dette gir muligheter for å resirkulere det forbrente gassformede brensel, som kan være delvis til fullstendig forbrent, med ytterligere oksygenmengder, i gassifiseringsenheten. Dette gir den fleksibilitet å resirkulere en kontrollert mengde forbrente gassformede brennstoffer eller damp inn i gassifiseringsenheten for å regulere syntesegass-sammensetningen. Apparatet kan også inkludere returnering av varme gjennom forva r med e/varm e-vekslede gasser sendt til gassifiseringsenheten. Dette vil returnere overskuddsvarme dannet i forbrenningsreaktoren og varme fra avkjøling av syntesegassen. Utformingen av foreliggende reaktorkonsept gjennom integreringen av redoks-prosessene inn i gassifiserings- (RAG) reaktoren har flere fordeler. Den utvendige overflate av den varmegenererende redoks-reaktor (HETER) gir varme for effektiv konvertering av karbonholdige materialer til syntesegass og/eller katalysator kombinert med mindre varm flate. Oppfinnelsen kan også utnytte den varme som er lagret i materialene i det stasjonære sjikt til forvarming av luft/brennstoff for oksidasjon/forbrenning i den alternerende redoks-prosess. The present invention entails the complete integration of a redox-based combustion process for internal heat transfer to the gasification process. The redox-based process is based on a reactor with a stationary bed filled with solid oxygen-carrying granules that have the possibility of oxidation or reduction by alternating air and gaseous fuel flows for heat production. In the alternating redox processes, N2 and combustion products such as H20 and C02 are produced. Nitrogen, N2, does not mix with the combustion gases, and this provides opportunities to recycle the burned gaseous fuel, which may be partially to completely burned, with additional amounts of oxygen, in the gasification unit. This gives it the flexibility to recycle a controlled amount of burnt gaseous fuels or steam into the gasification unit to regulate the synthesis gas composition. The device can also include the return of heat through storage with e/warm e-exchanged gases sent to the gasification unit. This will return excess heat generated in the combustion reactor and heat from cooling the synthesis gas. The design of the present reactor concept through the integration of the redox processes into the gasification (RAG) reactor has several advantages. The external surface of the heat-generating redox reactor (HETER) provides heat for efficient conversion of carbonaceous materials into synthesis gas and/or catalyst combined with a smaller hot surface. The invention can also utilize the heat stored in the materials in the stationary layer to preheat air/fuel for oxidation/combustion in the alternating redox process.

Figur 1 illustrerer skjematisk hvorledes RAG-prosessen virker ved å overføre varme fra den redoks-baserte forbrenningsprosess (HETER) til et gassifiseringskammer. En integrering av de forbrente gassene fra redoks-prosessen inn i gassifiseringsdelen er også vist. I denne utførelsesform vil de forbrente produktene i form av C02 og H20 gi oksygen for gassifiseringsreaksjonen. En del av den produserte syntesegass kan benyttes til å frembringe den nødvendige varme i den fullstendig integrerte HETER gjennom forbrenning, idet de forbrente gassene også kan anrikes med oksygen (opptil 20%) (ikke vist) fra redoks-sjiktet (avhengig av det anvendte oksygenbærende materialet) for ved behov å generere mer varme inne i gassifiseringskammeret. Figure 1 schematically illustrates how the RAG process works by transferring heat from the redox-based combustion process (HETER) to a gasification chamber. An integration of the burnt gases from the redox process into the gasification part is also shown. In this embodiment, the burnt products in the form of C02 and H20 will provide oxygen for the gasification reaction. Part of the produced synthesis gas can be used to generate the necessary heat in the fully integrated HETER through combustion, as the burned gases can also be enriched with oxygen (up to 20%) (not shown) from the redox layer (depending on the oxygen carrier used the material) to generate more heat inside the gasification chamber if necessary.

I Figur 2 er det integrerte pakkede sjikt (HETER) for en redoks-assistert gassifiserings- (RAG) prosess illustrert. Flere redoks-reaktorer med stasjonært sjikt kan inkluderes i et gassifiseringskammer, og i Fig. 2 er kun to, la og lb, vist. Ventilene 2a og 2b styrer den sykliske innføring av luft og brennstoff i reaktoren med stasjonært sjikt. I den venstre figuren tilføres luft til den venstre HETER, og brennstoff (f.eks. syntesegass) tilføres til den høyre HETER. Den motsatte situasjon er vist i den høyre figuren. Luft/brennstoff kan først oppvarmes gjennom varmeveksleren 3a, 3b, og deretter oppvarmes gjennom de innvendige rør 4 som strekker seg gjennom det stasjonære sjikt 6 før det entrer det stasjonære sjikt i bunnen 5. Brennstoffet vil først forbrennes med det oksygen som er lagret i de faste oksygenbærende materialer og deretter vil luft senere oksidere det reduserte oksygenbærende materialet og frembringe en mengde varme benyttet for gassifiseringen av det karbonholdige råstoff. Den forbrente gass i rør 7 kan varmeveksles med den varme syntesegass som forlater gassifiseringsreaktoren i rør 8 før den entrer gassifiseringskammeret 14 i bunnen 9 for å bidra til gassifiseringen. Gassene frembrakt under gassifisering føres tett langs veggen 10 av HETER med et ytre rør 11 for å sikre full konvertering. In Figure 2, the integrated packed bed (HETER) for a redox-assisted gasification (RAG) process is illustrated. Several redox reactors with a stationary bed can be included in a gasification chamber, and in Fig. 2 only two, la and lb, are shown. The valves 2a and 2b control the cyclic introduction of air and fuel into the stationary bed reactor. In the left figure, air is supplied to the left HEATER, and fuel (e.g. synthesis gas) is supplied to the right HEATER. The opposite situation is shown in the right figure. Air/fuel can first be heated through the heat exchanger 3a, 3b, and then heated through the internal pipes 4 which extend through the stationary layer 6 before it enters the stationary layer in the bottom 5. The fuel will first be combusted with the oxygen stored in the solid oxygen-carrying materials and then air will later oxidize the reduced oxygen-carrying material and produce a quantity of heat used for the gasification of the carbonaceous raw material. The burned gas in pipe 7 can be heat exchanged with the hot synthesis gas that leaves the gasification reactor in pipe 8 before it enters the gasification chamber 14 in the bottom 9 to contribute to the gasification. The gases produced during gasification are guided tightly along the wall 10 of HETER with an outer tube 11 to ensure full conversion.

Mer katalytisk materiale kan føres inn i røret 11 for å sikre konverteringen. Disse katalytiske granulatene av tilstrekkelig størrelse, kan anbringes mellom den lukkede varme redoks rørvegg (HETER) 10 og et ytre rør 11 med åpen ende, f.eks. med en bøy for å holde granulatene fiksert og/eller med et forlengende nett som danner en lukket rørform. Det faste og/eller flytende organiske materialet føres inn fra en mateinnretning 12 (f.eks. en skruetransportør) til gassifiseringskammeret 14. Produktet (syntesegass) vil forlate gassifiseringsreaktoren gjennom det ytre rør 11 i redoks-reaktoren, og i bunnen vil aske og rester fjernes (f.eks. med en skrue-transportør 13). Gassene som forlater redoks-reaktoren vil være varme og kan derfor resirkuleres til gassifiseringskammeret for ytterligere varmeoverføring til gassifiseringskammeret (se Figur 4). Fleksibel retur av forbrent gass eller damp for å styre og justere H2/C02-forholdet i syntesegassen kan oppnås gjennom ventil 15 for å regulere den eventuelle retur av forbrent gass (dvs. damp kan utkondenseres i forkant ved avkjøling for å få en strøm med høyt C02-innhold til å returnere til reaktorens gassifiseringsdel). Damp kan også tilføres via ventil (16) dersom et høyt H^CO-forhold foretrekkes. Gassifiseringen kan foretas atmosfærisk eller undertrykk. 1) Foretas den atmosfærisk vil det trengs en vifte for lufttilførselen. Syntesegassen kan deretter komprimeres etter rensing og avkjøling for det nødvendige trykk for gass til væske (GTL) prosesser. 2) Foretatt under trykk, kan det tenkes forskjellige løsninger; en kompressor kan drives elektrisk eller noe brennstoff kan brennes i sjiktet før det benyttes i en kompressor for fremstilling av trykksatt luft (noe benyttet til komprimering av brennstoffene). Etter oppstart kan den varme fortynnede luft som forlater reaktoren også være tilstrekkelig for å drive en luftkompressor/"mikro"-turbin. Etter oppstart når prosessen er i drift, kan overskudd av trykksatt gass fra GTL tilbakeføres til redoks-enheten for varmeproduksjon. More catalytic material can be introduced into the tube 11 to ensure the conversion. These catalytic granules of sufficient size can be placed between the closed hot redox tube wall (HETER) 10 and an outer tube 11 with an open end, e.g. with a bend to keep the granules fixed and/or with an extending net forming a closed tubular shape. The solid and/or liquid organic material is introduced from a feed device 12 (e.g. a screw conveyor) into the gasification chamber 14. The product (synthesis gas) will leave the gasification reactor through the outer tube 11 in the redox reactor, and at the bottom will ash and residues removed (e.g. with a screw conveyor 13). The gases leaving the redox reactor will be hot and can therefore be recycled to the gasification chamber for further heat transfer to the gasification chamber (see Figure 4). Flexible return of combusted gas or steam to control and adjust the H2/C02 ratio in the synthesis gas can be achieved through valve 15 to regulate the possible return of combusted gas (ie steam can be condensed out at the front during cooling to obtain a stream of high C02 content to return to the reactor gasification section). Steam can also be supplied via valve (16) if a high H^CO ratio is preferred. The gasification can be carried out atmospherically or under negative pressure. 1) If it is carried out atmospherically, a fan will be needed for the air supply. The synthesis gas can then be compressed after cleaning and cooling to the required pressure for gas to liquid (GTL) processes. 2) Done under pressure, different solutions can be imagined; a compressor can be driven electrically or some fuel can be burned in the bed before it is used in a compressor to produce pressurized air (something used to compress the fuels). After start-up, the hot diluted air leaving the reactor may also be sufficient to drive an air compressor/"micro" turbine. After start-up when the process is in operation, excess pressurized gas from the GTL can be returned to the redox unit for heat production.

Figur 3 illustrerer hvorledes alternerende luft og brennstoff (f.eks. syntesegass) kommer inn i det stasjonære redoks sjikt 1 gjennom det indre rør 4 i bunnen 5. Gassene forvarmes av det varme stasjonære sjikt 6. Det varme stasjonære sjikt 6 er fylt med redoks-egnede materialer som metalloksider valgt fra oksidene av Mn, Fe, Cu, Ni, Cr, Ce, Ti og Co eller blandinger av hvilke som helst av disse. De kan benyttes sammen med andre elementer som bærer, men også en blanding av aktive og inerte materialer kan benyttes, inklusivt avanserte materialer så som Cai.yAyMni-xMxOa, hvor A er f.eks. ubesatt, Sr, La eller én av lantanidemetallene, og hvor M f.eks. er Co, Fe, Cr, Cu, Ni, Ti, Mg) og 0<x<l og 0<y<l. Figure 3 illustrates how alternating air and fuel (e.g. synthesis gas) enter the stationary redox layer 1 through the inner tube 4 in the bottom 5. The gases are preheated by the hot stationary layer 6. The hot stationary layer 6 is filled with redox suitable materials such as metal oxides selected from the oxides of Mn, Fe, Cu, Ni, Cr, Ce, Ti and Co or mixtures of any of these. They can be used together with other elements as carriers, but also a mixture of active and inert materials can be used, including advanced materials such as Cai.yAyMni-xMxOa, where A is e.g. unoccupied, Sr, La or one of the lanthanide metals, and where M e.g. are Co, Fe, Cr, Cu, Ni, Ti, Mg) and 0<x<l and 0<y<l.

Disse metalloksidene vil bli redusert av brennstoffet og gi en eksoterm reaksjon dersom en riktig blanding velges. Oksidasjonen av det stasjonære sjikt med luft vil alltid være eksoterm og kan frembringe mest varme. Den utviklede varme lagres delvis temporært i materialet i det stasjonære sjikt siden dette har en høyere varmekapasitet enn den forbrente gass eller N2. Det stasjonære sjikt og den forbrente gass eller N2vil avkjøles ved varmeoverføring til pyrolyse/gassifiseringsreaksjonene i gassifiseringsenheten gjennom det ytre rør 11 som omgir HETER, men også litt ved forvarming av de alternerende gassene (luft/brennstoff) før de entrer det stasjonære sjikt 6 og forlater redoks-reaktoren via rør 7. Dersom det stasjonære sjikt blir for varmt kan luft sendes gjennom sjiktet for avkjølingsformål. En katalysator vil kunne anbringes i det ytre rør 11 for forbedret konvertering av de karbonholdige materialene til syntesegass før de forlater gassifiseringskammeret via rør 8. These metal oxides will be reduced by the fuel and give an exothermic reaction if a correct mixture is chosen. The oxidation of the stationary layer with air will always be exothermic and can generate the most heat. The developed heat is partly temporarily stored in the material in the stationary layer since this has a higher heat capacity than the burnt gas or N2. The stationary bed and the burned gas or N2 will be cooled by heat transfer to the pyrolysis/gasification reactions in the gasification unit through the outer tube 11 surrounding the HETER, but also slightly by preheating the alternating gases (air/fuel) before they enter the stationary bed 6 and leave the redox reactor via pipe 7. If the stationary layer becomes too hot, air can be sent through the layer for cooling purposes. A catalyst could be placed in the outer tube 11 for improved conversion of the carbonaceous materials to synthesis gas before they leave the gasification chamber via tube 8.

I Figur 4 er det vist en annen utførelsesform av oppfinnelsen. I denne utførelsesform er det satt inn varmeplater 17 og/eller rør 18 med gassen fra HETER for å integrere mer av den produserte varme i RAG-enheten. Dette kan skje ved å la redoks-gassen fra HETER ledes gjennom sjiktet i RAG-enheten for økt varmeoverføring til de karbonholdige materialene. Metallplater kan settes inn for jevnere varmeoverføring til sjiktet slik som vist. Figure 4 shows another embodiment of the invention. In this embodiment, heating plates 17 and/or pipes 18 have been inserted with the gas from HETER to integrate more of the produced heat into the RAG unit. This can be done by letting the redox gas from HETER be led through the layer in the RAG unit for increased heat transfer to the carbonaceous materials. Metal plates can be inserted for more even heat transfer to the layer as shown.

Når de karbonholdige materialene er faste organiske materialer, må de forbehandles for å få en passende størrelse for gassifisering. Størrelsen av de faste organiske materialene bør være mindre enn 2 cm i diameter, fortrinnsvis ned til området fra 0,2 til 1 cm. De faste organiske materialene anbringes i en container hvor de kan bli noe forvarmet med overskuddsvarme fra RAG-prosessen for å regulere vanninnholdet i biomassen dersom det er for høyt. De faste organiske materialene overføres deretter til et mindre system som kan overføre produktet (under trykk om de er trykksatt) til den neste container som fører til en skruetransportør som bringer massen inn i gassifiseringskammeret. Når gassifiseringskammeret er fylt vil den redoks-assisterte stasjonært sjikt prosess (HETER) bli igangsatt for å produsere varme og eventuelt nødvendig varm forbrenningsgass for gassifiseringsprosessen. En oppstårtsprosedyre trengs for først å oppvarme RAG-enheten, hvilket kan skje ved å føre inn varme etter varmeveksleren, men før innløpet til det stasjonære sjiktet i redoks-reaktoren (HETER). To fremgangsmåter for forvarming er mest sannsynlige (oppstartsprosedyre): Metode 1) kan anvende elektrisk forvarming av luft til 700°C inntil den samme temperatur er nådd i HETER-sjiktet, men siden dette fordrer elektrisitet velges mest sannsynlig Metode 2. Metode 2) medfører innføring av noe brennstoff (som f.eks. flytende eller trykksatt syntesegass) i lufttilførselsrøret etter varmeveksleren, men før innløpet til HETER. En tenning foretas for å sette brennstoffet i brann og derved oppvarme HETER-sjiktet. Når redoks-reaktoren med stasjonært sjikt er varm, vil luften bli naturlig forvarmet i varmeveksleren, og brennstofftilførsel for oppstartsprosedyren kan avsluttes. When the carbonaceous materials are solid organic materials, they must be pretreated to obtain a suitable size for gasification. The size of the solid organic materials should be less than 2 cm in diameter, preferably down to the range of 0.2 to 1 cm. The solid organic materials are placed in a container where they can be somewhat preheated with excess heat from the RAG process to regulate the water content in the biomass if it is too high. The solid organic materials are then transferred to a smaller system that can transfer the product (under pressure if pressurized) to the next container leading to a screw conveyor that brings the mass into the gasification chamber. When the gasification chamber is filled, the redox-assisted stationary bed process (HETER) will be initiated to produce heat and possibly necessary hot combustion gas for the gasification process. A start-up procedure is needed to first heat the RAG unit, which can be done by introducing heat after the heat exchanger, but before the inlet to the stationary bed in the redox reactor (HETER). Two methods for preheating are most likely (start-up procedure): Method 1) can use electrical preheating of air to 700°C until the same temperature is reached in the HETER layer, but since this requires electricity, Method 2 is most likely chosen. Method 2) entails introduction of some fuel (such as liquid or pressurized synthesis gas) into the air supply pipe after the heat exchanger, but before the inlet to HETER. An ignition is made to set the fuel on fire and thereby heat the HETER layer. When the redox reactor with a stationary bed is hot, the air will be naturally preheated in the heat exchanger, and fuel supply for the start-up procedure can be terminated.

Det benyttes ventiler for å velge hvilken av de alternerende gassene som skal føres inn i redoks-reaktoren, idet gass-strømmen alternerer mellom luft og brennstoff (et hvilket som helst brennstoff, men mest sannsynlig resirkulert syntesegass tatt etter et rensetrinn, men før eller etter GTL-prosessen). Den valgte gass entrer den indre del av reaktoren med stasjonært sjikt etter å være oppvarmet i varmeveksleren. Gassen oppvarmes videre i redoks-sjiktet på dens vei ned i reaktoren. Den halvvarme gass som har en temperatur på 400-800°C benyttes deretter til å oksidere (med luft) eller redusere (med brennstoff) det varme materialet, hvilket utvikler mer varme (dersom materialet med passende oksidasjonsentalpi er valgt). Den frembrakte varme vil varme opp metallreaktoren for å overføre varme til gassifiseringsenheten og for å forvarme gassene benyttet for redoks-prosessen. De varme gassene frembrakt i redoks-reaktoren kan returneres til RAG-reaktoren for å frigjøre mer varme til det karbonholdige råstoff før de forlater gassifiseringsenheten. Den gjenværende varme kan deretter benyttes til å forvarme kald gass fra ventilsystemet, og eventuell gjenværende restvarme i luftstrømmen (hovedsakelig N02) etter at ventilen er benyttet for tørking/kondisjonering av vanninnholdet i det ferske karbonholdige råstoff. Forbrenningsproduktene eller dampen kan returneres til gassifiseringsenheten etter å være oppvarmet av den syntesegass som forlater reaktoren, for å justere CO/H2-forholdet. Den varme forbrente gass/damp sendes fortrinnsvis til reaktorbunnen for å sikre god og nær opptil fullstendig gassifisering av gjenværende organiske forbindelser i asken og gjenværende organiske forbindelser (tungoljer/pet-coke). I bunnen av reaktoren kan det benyttes en skruetransportør for å fjerne aske oppstått etter gassifiseringen av de faste organiske materialene. Den frembrakte syntesegass kan avkjøles med vann/damp ned til rimelig temperatur og for å unngå koksdannelse. Gassen kan settes under trykk i en GTL-enhet som produserer verdifullt brennstoff, f.eks. metanol, etanol, DME. Den gjenværende gass kan returneres til redoks-reaktoren for varmeproduksjon. Dersom det oppnås overskuddsgass, kan gassen ledes ut og sendes til en brenselscelle for effektiv energiproduksjon. En mikroturbin kan også benyttes for produksjon av kraft og varme, avhengig av hva som er tilgjengelig. Valves are used to select which of the alternating gases is to be fed into the redox reactor, as the gas flow alternates between air and fuel (any fuel, but most likely recycled synthesis gas taken after a purification step, but before or after the GTL process). The selected gas enters the inner part of the stationary bed reactor after being heated in the heat exchanger. The gas is further heated in the redox layer on its way down into the reactor. The semi-hot gas, which has a temperature of 400-800°C, is then used to oxidize (with air) or reduce (with fuel) the hot material, which develops more heat (if the material with the appropriate oxidation enthalpy is chosen). The heat produced will heat up the metal reactor to transfer heat to the gasification unit and to preheat the gases used for the redox process. The hot gases produced in the redox reactor can be returned to the RAG reactor to release more heat to the carbonaceous feedstock before leaving the gasification unit. The remaining heat can then be used to preheat cold gas from the valve system, and any remaining residual heat in the air stream (mainly N02) after the valve has been used for drying/conditioning the water content in the fresh carbonaceous raw material. The combustion products or steam can be returned to the gasification unit after being heated by the synthesis gas leaving the reactor, to adjust the CO/H2 ratio. The hot burnt gas/steam is preferably sent to the bottom of the reactor to ensure good and almost complete gasification of remaining organic compounds in the ash and remaining organic compounds (heavy oils/pet-coke). At the bottom of the reactor, a screw conveyor can be used to remove ash produced after the gasification of the solid organic materials. The produced synthesis gas can be cooled with water/steam down to a reasonable temperature and to avoid coke formation. The gas can be pressurized in a GTL unit which produces valuable fuel, e.g. methanol, ethanol, DME. The remaining gas can be returned to the redox reactor for heat production. If excess gas is obtained, the gas can be discharged and sent to a fuel cell for efficient energy production. A micro turbine can also be used for the production of power and heat, depending on what is available.

Resultater fra preliminære studier og beregninger viser at fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen klart er autotermisk. En varmeintegrert prosess vil ha 60-70% effekt avhengig av fuktighetsinnholdet av det karbonholdige råstoff. Et småskalaanlegg på 10kW HHV (high heating value) for syntesegass forbruker ca. 2,36 -10-<5>kmol/s av tørr biomasse og krever~1 m<2>varmeveksler-areal mellom HETER og gassifiseringen. Results from preliminary studies and calculations show that the method according to the invention is clearly autothermal. A heat-integrated process will have 60-70% effect depending on the moisture content of the carbonaceous raw material. A small-scale plant of 10kW HHV (high heating value) for synthesis gas consumes approx. 2.36 -10-<5>kmol/s of dry biomass and requires ~1 m<2>heat exchanger area between HETER and the gasification.

Foreliggende oppfinnelse gir muligheter for småskala brennstoff produksjon fra stedlige biomassekilder og muligheten for å frembringe effektiv og fleksibel kombinasjon av brennstoff, elektrisitet og varme. The present invention provides opportunities for small-scale fuel production from local biomass sources and the possibility of producing an efficient and flexible combination of fuel, electricity and heat.

Oppfinnelsen har til hensikt å åpne veien for en ny æra for lokal produksjon av biobrensel fra lokalt produsert karbonholdig råstoff. The invention intends to pave the way for a new era of local production of biofuel from locally produced carbonaceous raw material.

Oppfinnelsen har mulighet for middels til småskalaproduksjon av syntesegass for biobrenselproduksjon fra lokalt avfall og biokilder. Den optimale størrelse kan være containerbaserte moduler som er transportable og kan bringes til verdifulle lokale karbonholdige forråd og kobles sammen for brennstoffproduksjon. Dette vil unngå en mengde problemer ved håndtering og transport av råstoffet, og det lokalt produserte biobrensel kan deretter selges ved behov. The invention has the potential for medium to small-scale production of synthesis gas for biofuel production from local waste and bio-sources. The optimal size may be container-based modules that are transportable and can be brought to valuable local carbon-containing stores and linked together for fuel production. This will avoid a lot of problems when handling and transporting the raw material, and the locally produced biofuel can then be sold if needed.

Beskrivelsen ovenfor er illustrerende for de foretrukne utførelsesformer, og fagmannen vil kunne foreta mange modifikasjoner uten å gå ut over oppfinnelsen, hvis ramme bestemmes av de krav som følger nedenfor. The above description is illustrative of the preferred embodiments, and the person skilled in the art will be able to make many modifications without going beyond the invention, the scope of which is determined by the requirements that follow below.

Claims

1. Apparatus for the production of synthesis gas by gasification of carbonaceous materials, comprising a gasification chamber (14), where the gasification chamber (14) encloses at least one heat-generating redox-assisted stationary bed reactor (la, lb), and where the stationary bed (6) comprises a solid oxygen-bearing material.

2. Apparatus according to claim 1, where the solid oxygen-carrying material comprises at least one metal oxide selected from the group of oxides of Cu, Mn, Fe, Ni, Cr, Ce, Ti and Co.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, where a pipe (4) penetrates the solid oxygen-carrying material to enable preheating of air or fuel introduced into the reactor with a stationary bed.

Apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein a gasification outlet pipe (11) allowing produced synthesis gas to leave the gasification chamber (14) surrounds the at least one heat-generating redox-assisted stationary bed reactor (la, lb) .

5. Apparatus according to claim 4, where the outlet pipe (11) is filled with catalytic material.

6. Apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein a feeding device (12) is connected to the gasification chamber.

7. Apparatus according to any one of claims 1 to 6, wherein a pipe (7) leads from the redox-assisted fixed bed reactor (1a, 1b) into the gasification chamber (14).

8. Apparatus according to claim 7, where the pipe (7) is led through a heat exchanger (3a).

9. Method for producing synthesis gas through gasification of carbonaceous materials comprising: feeding a gasification chamber (14) with carbonaceous materials; producing heat in at least one heat-generating redox-assisted stationary bed reactor (la, lb) enclosed in the gasification chamber, by introducing alternating air and fuel to the stationary bed (6) comprising a solid oxygen-bearing material; supplying an oxygen-containing gas to the gasification chamber (14) and bringing the carbonaceous material into contact with the oxygen-containing gas in the gasification chamber (14) to produce the synthesis gas.

10. Method according to claim 9, where the oxygen-containing gas supplied to the gasification chamber (14) is produced by reduction of the solid oxygen-carrying material in the alternating redox-assisted combustion reactor with a stationary bed (la, lb).

11. Method according to claim 9 or 10, where the oxygen-containing gas is heat exchanged with the produced synthesis gas before it enters the gasification chamber (14).

12. Method according to any one of claims 9 to 11, where the reduced oxygen carrier is oxidized by introducing air and hot nitrogen gas is released.

13. Method according to claim 12, where introduced air is heat exchanged with the hot nitrogen gas in a heat exchanger (3a).

14. Method according to claim 12 or 13, where the air is further preheated by being fed into said at least one heat-generating redox-assisted reactor with a stationary layer (la, lb) via a pipe (4) which penetrates the solid oxygen-carrying material.

15. Method according to any one of claims 10 to 14, where the oxygen-containing gas is heat exchanged with the produced synthesis gas in a heat exchanger (3a).

16. Method according to any one of claims 9 to 15, wherein the produced synthesis gas leaves the gasification chamber (14) through an outlet pipe (11) surrounding said at least one heat-generating redox-assisted stationary bed reactor (la, lb) for complete synthesis gas conversion.

17. Method according to claim 16, where the outlet pipe (11) is filled with catalytic material.