PL194523B1

PL194523B1 - Sposób i urządzenie do pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych

Info

Publication number: PL194523B1
Application number: PL00352381A
Authority: PL
Inventors: Wolfgang Krumm; Gunter Funk; Stefan Hamel
Original assignee: Herhof Umwelttechnik Gmbh
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2007-06-29
Also published as: AU773356C; NO332082B1; DE19930071A1; CZ20014724A3; JP4713036B2; DK1192234T3; BG106266A; BR0012061A; AU773356B2; CN100338177C; ES2337442T3; NO20016290L; IL147311A0; DE50015832D1; BR0012061B1; SK18542001A3; WO2001002513A1; EE200100712A; RS49925B; SK286582B6

Abstract

1. Sposób pirolizy i zgazowania substancji organicz- nych lub mieszanin substancji organicznych, w którym substancje organiczne wprowadza sie do reaktora do su- szenia i pirolizy, w którym doprowadza sie do zetkniecia sie substancji organicznych z materialem zloza fluidalnego w zlozu fluidalnym spalania, lub w którym doprowadza sie do zetkniecia substancji organicznych z materialem zloza fluidalnego i sciana reaktorowa zloza fluidalnego spalania, wskutek czego zachodza suszenie i piroliza, w którym substancje organiczne przeksztalca sie w pare wodna z suszenia i produkty pirolizy, przy czym produkty pirolizy skladaja sie z gazów z substancjami kondensujacymi i stala pozostaloscia zawierajaca wegiel, stala pozostalosc zawie- rajaca wegiel lub stala pozostalosc zawierajaca wegiel i czesci pary wodnej i gazów pirolitycznych z substancjami kondensujacymi i materialem zloza fluidalnego doprowadza sie z powrotem do zloza fluidalnego spalania, w którym spopiela sie zawierajaca wegiel pozostalosc substancji organicznych, material zloza fluidalnego ogrzewa sie i ponownie wprowadza do reaktora do pirolizy, pare wodna z suszenia i gazy pirolityczne obrabia sie nastepnie za pomoca substancji kondensujacych w dalszej strefie reak- cyjnej tak, ze uzyskuje sie produkt gazowy o wysokiej wartosci kalorycznej, znamienny tym, ze suszenie i pirolize prowadzi sie w co najmniej jednym lub wiecej reaktorach (1) do pirolizy, zloze fluidalne (3) spalania, w którym spala sie pozostalosci pirolizy, zloze fluidalne (3) spalania………… PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych.

Znanych jest szereg metod obróbki i wykorzystania substancji organicznych i mieszanin substancji organicznych, na przykład przez zgazowanie i pirolizę. Sposoby różnią się w zależności od zastosowanego gazu utleniającego lub redukującego i od rodzaju kontaktu pomiędzy substancją stałą i gazem. W zakresie prowadzenia substancji stałej i gazu wyróżnia się, między innymi, generator gazu z obiegowym złożem fluidalnym, generator gazu ze złożem o przepływie lotnym, generator gazu rurowy obrotowy, i generator gazu ze złożem ruchomym z przeciwprądowym prowadzeniem gazu, współprądowym prowadzeniem gazu i krzyżowym prowadzeniem gazu. Większość znanych sposobów zgazowania jest nieodpowiednia dla mniejszych, zdecentralizowanych układów ze względu na duże nakłady na aparaturę. Mniejsze, zdecentralizowane układy polecane są zwłaszcza w przypadkach, gdy jako materiał wsadowy stosuje się biomasę.

Charakterystyka robocza sposobów zgazowania zgodnie z zasadą obiegowego złoża fluidalnego jest bardzo zależna od odpowiedniej wielkości cząstek, jakimi dysponuje złoże fluidalne, składające się z materiału wsadowego do zgazowania i również krążącego materiału obojętnego. Wynikają stąd odpowiednie wymagania odnośnie uziarnienia materiału wsadowego. Znacznie większe wymagania odnośnie przygotowania paliwa pojawiają się w przypadku zgazowania ze złożem o przepływie lotnym, które dopuszcza jedynie zastosowanie pyłowych cząstek paliwa.

Inne znaczące wady znanych sposobów zgazowania polegają na tym, że zachodzące etapy procesu suszenia, odgazowania, zgazowania i spopielania materiału wsadowego przebiegają w bezpośrednio ze sobą sąsiadujących strefach, które zlewają się ze sobą. W rezultacie poszczególne strefy w reaktorze są nieokreślone i odgazowanie, zgazowanie oraz spopielanie mogą w niektórych miejscach przebiegać niecałkowicie. W dalszych znanych sposobach próbowano wyeliminować te wady przez oddzielenie poszczególnych, przebiegających w paliwie etapów procesu odgazowania, zgazowania i spopielania.

W niemieckim opisie zgłoszenia patentowego DE 197 20 331 A1 zaproponowano sposób i urządzenie do zgazowania lub spopielania suchej lub wilgotnej, drobnoziarnistej lub w kawałkach biomasy i odpadów, w których dzięki gorącym ścianom pieca do spopielania i dzięki dopływowi gorących gazów odlotowych z pieca do spopielania do pieca do odgazowania, odgazowują się w nim surowce biologiczne, wskutek czego wytwarzają się koks i gaz pirolityczny, przy czym koks po przejściu przez rozdrabniacz dostaje się na złoże żarowe reaktora do zgazowania, podczas gdy gaz pirolityczny spala się w komorze spopielania reaktora do zgazowania, do której doprowadzana jest ograniczona ilość powietrza, zaś wytworzony gaz odlotowy przepływa następnie przez złoże żarowe reaktora do zgazowania, w którym zachodzi utlenianie węgla do CO z jednoczesną redukcją gazu odlotowego (CO₂) i pary wodnej (H₂O) do palnego gazu o małej wartości opałowej (CO, H₂). Wskutek tego, że pirolizę prowadzi się za pomocą ogrzewania spowodowanego zetknięciem z gorącymi gazami odlotowymi spalania i że ponadto dokonuje się częściowego spopielania gazu pirolitycznego, zgodnie ze sposobem zaproponowanym w opisie patentowym zgłoszenia DE 197 20 331 A1 można wytworzyć jedynie produkt gazowy o niskiej wartości opałowej. W przypadku gdy stosuje się paliwa o dużej zawartości składników lotnych i niskiej wydajności koksu pirolitycznego, powstaje niebezpieczeństwo niedostatecznego tworzenia, składającego się z koksu pirolitycznego, żarowego złoża reaktora do zgazowania, przez co utlenianie węgla do CO, z jednoczesną redukcją gazu odlotowego i pary wodnej do palnego gazu o niskiej wartości opałowej, zachodzi w stopniu niedostatecznym kosztem wartości opałowej produktu gazowego.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki US 4,568,362 znany jest ponadto sposób zgazowania substancji organicznych i mieszanin substancji organicznych, w którym substancje organiczne wprowadza się do reaktora do pirolizy, gdzie doprowadza się do zetknięcia substancji organicznych z nośnikiem ciepła, wskutek czego zachodzi gwałtowna piroliza przekształcająca substancje organiczne w produkty pirolizy, które składają się z gazów pirolitycznych z dającymi się skroplić substancjami i stałą pozostałością zawierającą węgiel oraz wytwarzana jest wymagana energia ogrzewania dla pirolizy poprzez spopielanie w reaktorze spalania stałej pozostałości zawierającej węgiel, zaś w drugiej strefie reakcyjnej reaktora do pirolizy gazy reakcyjne zawierające smołę poddaje się takim reakcjom krakowania i reakcjom z parą wodną, że uzyskuje się produkt gazowy o wysokiej wartości opałowej. W sposobach tych w złożu fluidalnym zachodzi zarówno piroliza jak i spopielanie stałej

PL 194 523 B1 pozostałości zawierającej węgiel. Strefa reakcyjna dla gazów pirolitycznych zawierających smołę znajduje się w górnej części złoża fluidalnego do pirolizy. Działanie złoża fluidalnego wymaga dużych nakładów, a regulowanie reakcji gazów pirolitycznych w strefie reakcyjnej jest właściwie niemożliwe.

W opisie patentowym publikacji zgłoszenia międzynarodowego WO 99/31197 ujawniono sposób i urządzenie do zgazowania substancji organicznych, w którym substancje organiczne poddaje się w reaktorze do pirolizy zetknięciu z recyrkulującym z paleniska, gorącym materiałem nośnika ciepła i pirolizie. Stałe pozostałości pirolizy przenosi się razem z materiałem nośnika ciepła do paleniska. Gazy pirolityczne zawierające smołę przekształcane są w drugiej strefie reakcyjnej w produkt gazowy o dużej wartości opałowej. Przekształcenie w produkt gazowy prowadzi się w pośrednim wymienniku ciepła, ewentualnie z dodatkiem reagenta, przy czym entalpię gazów odlotowych z paleniska wykorzystuje się do reakcji chemicznej. Spalanie prowadzi się w palenisku rusztowym. Sposób, w którym pirolizę i spalanie stałych pozostałości zawierających węgiel prowadzi się w złożu fluidalnym opisuje się tu jako bardzo kosztowny i odrzuca go.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych Ameryki US 2 244 779 znany jest sposób i urządzenie do termicznego rozkładu substancji organicznych, w którym doprowadza się do zetknięcia substancji organicznych z gorącym recyrkulującym materiałem stałym ze złoża fluidalnego spalania i poddaje przy tym pirolizie. Stałe produkty pirolizy przenosi się do złoża fluidalnego spalania i spala, zaś gazy pirolityczne odprowadza się i poddaje oczyszczaniu.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie łatwego do realizacji sposobu pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych i urządzenia do wytwarzania gazu o dużej wartości opałowej.

Sposób pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych, w którym substancje organiczne wprowadza się do reaktora do suszenia i pirolizy, w którym doprowadza się do zetknięcia się substancji organicznych z materiałem złoża fluidalnego w złożu fluidalnym spalania, lub w którym doprowadza się do zetknięcia substancji organicznych z materiałem złoża fluidalnego i ścianą reaktorową złoża fluidalnego spalania, wskutek czego zachodzą suszenie i piroliza, w którym substancje organiczne przekształca się w parę wodną z suszenia i produkty pirolizy, przy czym produkty pirolizy składają się z gazów z substancjami kondensującymi i stałą pozostałością zawierającą węgiel, stałą pozostałość zawierająca węgiel lub stałą pozostałość zawierającą węgiel i części pary wodnej i gazów pirolitycznych z substancjami kondensującymi i materiałem złoża fluidalnego doprowadza się z powrotem do złoża fluidalnego spalania, w którym spopiela się zawierającą węgiel pozostałość substancji organicznych, materiał złoża fluidalnego ogrzewa się i ponownie wprowadza do reaktora do pirolizy, parę wodną z suszenia i gazy pirolityczne obrabia się następnie za pomocą substancji kondensujących w dalszej strefie reakcyjnej tak, że uzyskuje się produkt gazowy o wysokiej wartości kalorycznej, odznacza się według wynalazku tym, że suszenie i pirolizę prowadzi się w co najmniej jednym lub więcej reaktorach do pirolizy, złoże fluidalne spalania, w którym spala się pozostałości pirolizy, działa jako stacjonarne złoże fluidalne, gazy pirolityczne wprowadza się do pośredniego elementu wymiany ciepła, gazy odpadowe spalania lub gazy odpadowe spalania i materiał złoża fluidalnego we fluidalnym złożu spalania doprowadza się do zetknięcia z pośrednim elementem wymiany ciepła tak, że ich zawartość cieplną wykorzystuje się do reakcji gazów pirolitycznych ze środkiem zgazowującym, materiał złoża fluidalnego składa się tylko z popiołu substancji organicznych, lub popiołu i nie spalonych, zawierających węgiel, pozostałości substancji organicznych, lub popiołu substancji organicznych i dodatkowego materiału fluidalnego, lub popiołu i nie spalonych, zawierających węgiel, pozostałości substancji organicznych i dodatkowego materiału złoża fluidalnego.

Korzystnie suszenie i pirolizę prowadzi się w dwu lub więcej reaktorach do pirolizy, które składają się z dwóch lub więcej reaktorów z ruchomym złożem lub z dwóch lub więcej reaktorów obrotowych lub z reaktorów obrotowych i reaktorów z ruchomym złożem.

Korzystnie do gazów pirolitycznych nie dodaje się żadnego środka zgazowującego.

Korzystnie dodaje się do gazów pirolitycznych środek zgazowujący, taki jak parę wodną, tlen lub powietrze lub ich mieszanina.

Korzystnie prowadzi się reakcję gazów pirolitycznych ze środkiem zgazowującym w pośrednim elemencie wymiany ciepła.

Korzystnie pirolizę prowadzi się w temperaturze 450°C do 750°C.

Korzystnie produkt gazowy wprowadza się do reaktora do pirolizy.

Korzystnie środki zgazowujące takie jak para wodna, tlen lub powietrze albo ich mieszaninę podaje się do reaktora do pirolizy.

PL 194 523 B1

Korzystnie stosuje się powierzchnię ściany reaktorowej złoża fluidalnego spalania o dowolnym zamkniętym kształcie geometrycznym po stronie reaktora do pirolizy i złoża fluidalnego spalania.

Korzystnie reakcje gazów pirolitycznych ze środkiem zgazowującym prowadzi się w temperaturach 800°C do 1050°C.

Korzystnie reakcje gazów pirolitycznych ze środkiem zgazowującym prowadzi się w obecności katalizatora.

Korzystnie reakcje gazów pirolitycznych ze środkiem zgazowującym prowadzi się w stałym złożu materiału katalitycznego.

Korzystnie reakcje gazów pirolitycznych ze środkiem zgazowującym prowadzi się we fluidalnym złożu materiału katalitycznego.

Korzystnie prowadzi się reakcje gazów pirolitycznych ze środkiem zgazowującym w obecności katalizatora dodawanego do gazów pirolitycznych w unoszącym go strumieniu.

Urządzenie do pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych, zawierające reaktor do pirolizy, palenisko złoża fluidalnego dla pozostałości pirolizy, strefę reakcyjną dla gazów pirolitycznych i obieg materiału złoża fluidalnego pomiędzy złożem fluidalnym spalania i reaktorem do pirolizy, charakteryzuje się według wynalazku tym, że obrotowy lub szybowy reaktor mający zasuwę dla materiału wsadowego i wlot dla materiału złoża fluidalnego ze złoża fluidalnego spalania umieszczony jest obok złoża fluidalnego spalania, i szybowy reaktor ma w swym dolnym końcu urządzenie transportowe do złoża fluidalnego spalania, zaś złoże fluidalne spalania ma przelew do przenoszenia materiału złoża fluidalnego do szybowego rektora oraz zawiera doprowadzenie gazów odpadowych ze złoża fluidalnego spalania do połączonego dla gazów pirolitycznych z szybowym reaktorem elementu wymiany ciepła.

Korzystnie urządzenie zawiera odprowadzenie materiału złoża fluidalnego ze złoża fluidalnego spalania co najmniej w jednym miejscu lub w wielu miejscach i zawiera doprowadzenie materiału złoża fluidalnego do reaktora do pirolizy.

Korzystnie odprowadzenie materiału złoża fluidalnego ma postać jednego lub więcej przelewów.

Korzystnie utworzone złoże fluidalne zawiera dodatek substancji ogniotrwałych.

Korzystnie utworzone złoże fluidalne zawiera składniki materiału wsadowego nie ulegające spalaniu i zgazowaniu.

W sposobie pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych, zadanie wynalazku rozwiązanie poprzez to, że pirolizę prowadzi się w reaktorze ze złożem ruchomym lub reaktorze obrotowym, że ewentualnie dodaje się środek zgazowujący, na przykład parę wodną i/lub tlen do gazów pirolitycznych i wprowadza się je do strefy reakcyjnej, w której gazy pirolityczne reagują ze środkiem zgazowującym. Stałą pozostałość zawierającą węgiel i ewentualnie część gazu pirolitycznego wprowadza się same lub razem z materiałem złoża fluidalnego do reaktora spalania ze złożem fluidalnym i tam spopiela. Materiał złoża fluidalnego jest tam ogrzewany. W ten sposób doprowadza się do zetknięcia ze strefą reakcyjną gazy odpadowe spalania i materiał złoża fluidalnego, tak, że ich entalpia może być wykorzystana do reakcji gazów pirolitycznych ze środkiem zgazowującym. Materiał złoża fluidalnego odprowadzony z reaktora spalania ze złożem fluidalnym i złożony z popiołu, nie spalonego koksu i ewentualnie dodatkowo wprowadzonego ogniotrwałego materiału złoża fluidalnego, zawraca się do reaktora do pirolizy jako nośnik ciepła. Przenoszenie ciepła do materiału wsadowego dla przeprowadzenia pirolizy zachodzi przez zetknięcie z materiałem złoża fluidalnego i ewentualnie dodatkowo przez gorącą ścianę reaktora spalania ze złożem fluidalnym.

Gorący materiał złoża fluidalnego doprowadzany do rektora do pirolizy ze złoża fluidalnego spalania powoduje przez zetknięcie szybkie suszenie i pirolizę materiału wsadowego. Odpowiednim reaktorem jest piec szybowy, przy czym mieszanina materiału wsadowego i materiału złoża fluidalnego migruje przez piec szybowy od góry do dołu. Dla zapewnienia przenoszenia materiału stałego w piecu szybowym zgodnie ze stanem techniki można zastosować urządzenia wbudowane na stałe, spirale przenośnikowe lub mieszadła. Reaktor do pirolizy może również być zaprojektowany jako reaktor obrotowy, przy czym uzyskuje się jednocześnie dobre mieszanie materiału wsadowego i gorącego materiału złoża fluidalnego oraz przenoszenie materiału stałego. Uwolniona z materiału wsadowego podczas suszenia para wodna i gazy pirolityczne opuszczają reaktor do pirolizy i wchodzą w dalszą strefę reakcyjną. Mieszanina pozostającej, stałej, zawierającej węgiel pozostałości pirolitycznej i materiału złoża fluidalnego jest przenoszona dalej do złoża fluidalnego spalania, przy czym możliwe jest zastosowanie typowych elementów konstrukcyjnych, takich jak przenośniki ślimakowe lub śluzy bębnowe

PL 194 523 B1 z przegrodami z wprowadzeniem w postaci nachylonej rury. Ślimak jest preferowany w przypadku urządzenia według wynalazku.

Dzięki temu, że pirolizę korzystnie prowadzi się w piecu szybowym, można pominąć dostarczanie środka fluidyzującego potrzebnego dla złoża fluidalnego do pirolizy. W ten sposób istnieje możliwość przeprowadzenia całkowitej pirolizy bez doprowadzania gazu, lub, inaczej niż w przypadku złoża fluidalnego do pirolizy, do którego musi być dostarczana minimalna ilość gazu do fluidyzacji, dodawania dowolnych żądanych niewielkich ilości, na przykład produktu gazowego lub środka zgazowującego takiego jak para wodna, tlen lub powietrze. W ten sposób istnieje możliwość dodawania gazu lub środka zgazowującego do reaktora do pirolizy jako techniczna adaptacja sposobu do odpowiedniego materiału wsadowego. W sposobie według wynalazku pirolizę korzystnie prowadzi się w reaktorze do pirolizy w nieobecności powietrza i gazu. Inna zaleta prowadzenia pirolizy w oddzielnym etapie procesu polega na tym, że zachodzący podczas pirolizy efekt rozdrabniania pozwala na zastosowanie grubszych kawałków materiału niż stosowane zwykle w reaktorach ze złożem fluidalnym, ze względu na wytlewanie i odgazowanie. Alternatywnie istnieje możliwość włączenia urządzenia do rozdrabniania, takiego jak rozdrabniacz walcowy, przed urządzeniem doprowadzającym stałe, zawierające węgiel pozostałości pirolizy i materiał złoża fluidalnego do złoża fluidalnego spalania, dzięki czemu mogą być dalej zmniejszone wymagania odnośnie wielkości cząstek materiału wsadowego. Energia stosowana do rozdrobnienia koksu pirolitycznego jest przy tym znacznie mniejsza od energii stosowanej do rozdrobnienia na przykład biomasy, takiej jak drewno.

Stała, zawierająca węgiel pozostałość pirolizy jest spopielana za pomocą powietrza w złożu fluidalnym, przy czym jako popiół samoistnie przechodzi w materiał złoża fluidalnego i, wskutek uwolnienia energii, dalej ogrzewa lub ponownie ogrzewa obecny już materiał złoża fluidalnego. Złoże fluidalne spalania może być zaprojektowane i działać w oparciu o poziom znajomości technologii złóż fluidalnych. Z uwagi na emisje ze złoża fluidalnego spalania korzystne może być stopniowe dodawanie powietrza. Reaktor spalania ukształtowany jest jako stacjonarne (ustalone) złoże fluidalne, to znaczy ilość gazowego środka fluidyzującego musi być dostateczna z jednej strony do tego, aby przekroczyć minimalną szybkość fluidyzacji materiału stałego i nie może, z drugiej strony powodować przekroczenia pewnej szybkości z uwagi na wydajność. Od wysokości złoża fluidalnego wynoszącej około 2,5 do 3 m wymagane są urządzenia wbudowane na stałe dla zapobieżenia tworzeniu się pulsującego złoża fluidalnego i towarzyszących mu pulsacji ciśnienia. Materiał złoża fluidalnego ogrzany przez przebiegające spalanie jest w końcu ponownie wprowadzany do reaktora do pirolizy. Materiał złoża fluidalnego składa się z popiołu pozostającego ze spopielania stałej pozostałości zawierającej węgiel. Jeśli w obrębie złoża fluidalnego spalania zachodzi niecałkowite spalanie koksu pirolitycznego, wówczas materiał złoża fluidalnego prowadzony w obiegu jako nośnik ciepła składa się z popiołu materiału wsadowego i nie spalonej pozostałości pirolitycznej zawierającej węgiel. Jako że stałe, zawierające węgiel, pozostałości substancji organicznych i mieszanin substancji organicznych z reguły przekształcają się gwałtownie w złożu fluidalnym spalania i częściowo mogą zawierać tylko niewielkie ilości materiału, który nie może być zgazowany lub spopielony, ewentualnie potrzebne jest dodawanie materiału dodatkowego w celu utworzenia złoża fluidalnego. Dodatkowy materiał nie musi być dodawany, jeśli materiały wsadowe zawierają duże ilości materiału, który nie może być zgazowany lub spopielony, a który nadaje się do budowy złoża fluidalnego. Jako dodawany materiał służący do uformowania złoża fluidalnego odpowiednie są wszystkie materiały ogniotrwałe, takie jak piasek o średnicy ziarna mniejszej od 1,5 mm. Usuwanie gorącego materiału złoża fluidalnego i przenoszenie do reaktora do pirolizy realizuje się korzystnie za pomocą jednego lub więcej przelewów, które znajdują się na ścianie reaktora lub wystają ze ściany reaktora do złoża fluidalnego. Zaletą sposobu jest to, że obok przenoszenia gorącego materiału złoża fluidalnego do reaktora do pirolizy, można łatwo nastawiać wysokość złoża fluidalnego spalania. Usuwanie materiału złoża fluidalnego można również wykonać za pomocą innych znanych przenośników, takich jak przenośniki ślimakowe, jednak w tym przypadku nakłady techniczne sposobu są wyższe.

Wynalazek oparty jest na głównym zamyśle podzielenia sposobu na łatwe do realizacji etapy procesowe. Poszczególne etapy procesu i ich zgranie ze sobą mogą być idealnie zaprojektowane z uwzględnieniem specyficznych własności materiału wsadowego i w odniesieniu do zamierzonej jakości produktu gazowego, jaka ma być uzyskana.

Przedmiot wynalazku jest objaśniony bliżej w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat przepływów masowych i przepływów energetycznych etapu pirolizy, strefy reakcyjnej i złoża fluidalnego spalania sposobu według wynalazku, fig. 2 - przykład realizacji sposobu

PL 194 523 B1 według wynalazku przedstawiony schematycznie i fig. 3 przedstawia schematycznie przykład wykonania urządzenia według wynalazku.

Jak widać na fig. 1 materiał wsadowy 10 i materiał 35 złoża fluidalnego doprowadzane są jako nośnik ciepła do etapu pirolizy. Strumień ciepła przenoszony za pomocą materiału 35 złoża fluidalnego wynika z temperatury złoża fluidalnego spalania, stanu i przepływu masowego materiału 35 złoża fluidalnego i strumienia materiału wsadowego 10 oraz z wymaganej temperatury pirolizy. Ponadto doprowadzany jest środek zgazowujący 11, a strumień cieplny 34 jest przenoszony ze złoża fluidalnego 3 spalania. Z etapu pirolizy wychodzi gaz pirolityczny 13, który jest wprowadzany do strefy reakcyjnej, gaz pirolityczny 15, który jest doprowadzany do reaktora spalania (do złoża fluidalnego 3 spalania), mieszanina 14 materiału złoża fluidalnego i stałej, zawierającej węgiel pozostałości pirolizy oraz strumień 12 strat ciepła.

Mieszanina 14 materiału złoża fluidalnego i stałej, zawierającej węgiel pozostałości pirolizy doprowadzana jest do złoża fluidalnego 3 spalania razem z gazem pirolitycznym 15 i powietrzem 31. Materiał 35 złoża fluidalnego ogrzany przez spopielanie zawracany jest z powrotem do reaktora 1 do pirolizy. Również gorący gaz odlotowy 37 opuszcza złoże fluidalne 3 spalania. Część energii cieplnej 36 zawartej w gazie odlotowym przenoszona jest do strefy reakcyjnej. Reaktor 3 spalania opuszczają tu ponadto strumień strat cieplnych 33 i materiał 32 złoża fluidalnego, który musi być usuwany w celu regulowania całkowitej gospodarki materiałem stałym przy pracy stacjonarnej.

Gaz pirolityczny 13 dostarczany do strefy reakcyjnej przekształcany jest razem ze środkiem zgazowującym 21 w produkt gazowy 23 za pomocą dostarczonej energii cieplnej 36 w obecności katalizatora. Produkt gazowy 23 i strumień 22 strat ciepła ostatecznie opuszczają strefę reakcji.

Przykład wykonania

Zalecana realizacja sposobu i wykonanie urządzenia według wynalazku opisane są w następującym przykładzie. Zalecany sposób zgodny z fig. 2 i zalecane urządzenie według fig. 3 służą do pirolizy i zgazowania 900 kg drewna na godzinę. Stosowane w przykładzie drewno w zasadzie składa się z 52,3% wagowych węgla, 5,9% wagowych wodoru i 41,8% wagowych tlenu, w każdym przypadku w odniesieniu do substancji paliwowej wolnej od wody i popiołu i ponadto zawiera udział popiołu 0,51% wagowych w odniesieniu do surowego materiału wsadowego. Wartość opałowa drewna wynosi H_u = 17,2 MJ/kg w odniesieniu do stanu wolnego od wody, moc cieplna generatora gazu wynosi zatem 3,92 MW.

W zalecanym, opisanym na fig. 2, przykładzie realizacji sposobu zgazowania drewna, drewno stanowiące materiał wsadowy 10 poddawane jest rozdrabnianiu i/lub suszeniu w etapie przygotowawczym 4 zależnie od stanu materiału wsadowego, zanim zostanie on przekazany do etapu pirolizy. Drewno po etapie przygotowawczym 4 ma zawartość wody 8,9% wagowych.

Pirolizę prowadzi się w temperaturze 580°C. Materiał 35 złoża fluidalnego wprowadzany do reaktora 1 do pirolizy ma temperaturę 900°C tak, że 4,1-krotna ilość materiału złoża fluidalnego, to znaczy 3,7 t/h musi być dostarczana i być w obiegu dla ogrzania materiału wsadowego do temperatury pirolizy 580°C. Podczas pirolizy drewna ostatecznie pozostaje 20,3% wagowych (w odniesieniu do paliwa surowego) jako stała pozostałość pirolizy, która ma wartość opałową Hu = 30 MJ/kg. Pozostałe produkty suszenia i pirolizy opuszczają reaktor 1 do pirolizy jako gaz pirolityczny 13 i wchodzą do strefy reakcyjnej. Mieszanina 14 stałej pozostałości pirolizy i materiału złoża fluidalnego dostarczana jest do złoża fluidalnego 3 spalania i spalana tu z powietrzem 31. Strumień entalpii doprowadzany do złoża fluidalnego spalania ze stałą pozostałością pirolizy drewna wynosi 1,52 MW. W niniejszym przykładzie nadmiar mocy sprzężony ze strumieniem gazu odlotowego 37 pozostaje w materiale 3 złoża fluidalnego spalania po odprowadzeniu strat cieplnych 33, usuniętego materiału 32 złoża fluidalnego, materiału 35 złoża fluidalnego i ilości energii cielnej 36 przekazanej do strefy reakcyjnej. Z tego powodu za pomocą strumienia 70 wody poddanej obróbce 7 wytwarzany jest strumień przegrzanej pary wodnej z uwzględnieniem wydajności spalania w wymienniku 8 ciepła. Jeśli strumień pary wodnej stanowiącej środek zgazowujący 21, dostarczany do strefy reakcyjnej, zostaje odprowadzony ze strumienia przegrzanej pary wytworzonej w wymienniku 8 ciepła, pozostaje strumień 71 przegrzanej pary wodnej o mocy 0,45 MW, który jest rozprężany przez turbinę 9. Gazy pirolityczne 13, przy zasilaniu środkiem zgazowującym 21 w postaci pary wodnej, doprowadzane są do strefy reakcyjnej składającej się z elementu wymiany ciepła, który wyposażony jest w katalizator dla poprawienia krakowania smoły. Energia cieplna 36 wymagana do przeprowadzenia reakcji gazu pirolitycznego 13 z parą wodną wydzielana jest do elementu 2 wymiany ciepła przez strumień gorących gazów odlotowych ze złoża fluidalnego 3 spalania, przy czym reakcja zachodzi w temperaturze 850°C do 900°C w zależności

PL 194 523 B1 od trybu pracy złoża fluidalnego 3 spalania. Ze środkiem zgazowującym 21 w postaci pary wodnej mogą również być mieszane powietrze lub tlen w celu dalszego zwiększenia temperatury poprzez częściowe spopielanie gazu pirolitycznego. Uzyskany produkt gazowy 23 ma wartość opałową 9,87 MJ/M (V_N) i jest złożony z następujących składników gazowych: 48,7% objętościowych H₂, 36,1 procent objętościowych CO, 0,1% objętościowych CH₄, 6,1% objętościowych CO₂, 9% objętościowych H₂O. Produkt gazowy 23 jest następnie odpylany i chłodzony w etapie przygotowawczym 5. Wydajność zimnego gazu, to znaczy energia chemiczna materiału wsadowego w odniesieniu do zawartości energii chemicznej produktu gazowego wynosi 80,8%.

Figura 3 przedstawia zalecany przykład wykonania urządzenia według wynalazku do pirolizy i odgazowania jako przykładowy szkic. Drewno stanowiące materiał wsadowy 10 dodawane jest do reaktora 1 do pirolizy za pomocą gazoszczelnego urządzenia doprowadzającego, w zilustrowanym tu przykładzie śluzy bębnowej z przegrodami. Suszenie i piroliza materiału wsadowego zachodzi poprzez zetknięcie z materiałem 35 gorącego złoża fluidalnego doprowadzanego przez przelew ze złoża fluidalnego 3 spalania. Wytworzony gaz pirolityczny 13 doprowadzany jest do strefy reakcyjnej z dodawaniem pary wodnej, przy czym wspomniana strefa reakcyjna została tu przykładowo ukształtowana jako rurowy wymiennik ciepłą. Po przekształceniu gazu pirolitycznego 13 za pomocą pary wodnej, produkt gazowy 23 jest chłodzony i oczyszczany w etapie przygotowawczym 5. Aby uniknąć niechcianej wymiany gazów pomiędzy reaktorem 1 do pirolizy i złożem fluidalnym 3 spalania, wentylator linii produktu gazowego 50 i wentylator linii gazu odlotowego 60 muszą być wzajemnie dopasowane. Dzięki temu, że przelew ze złoża fluidalnego 3 spalania do reaktora 1 pirolizy zaprojektowany jest tak, że jest on ciągle wypełniony materiałem 35 złoża fluidalnego, w przypadku połączenia wspomnianych wentylatorów zapobiega się w prosty sposób wymianie gazu pomiędzy oboma reaktorami. Korzystnie do przenoszenia mieszaniny 14 stałej pozostałości pirolizy i krążącego materiału złoża fluidalnego do złoża fluidalnego 3 spalania przewidziany jest ślimak. Ślimak powinien być tak zaprojektowany, aby strata ciśnienia w kanałach ślimaka wypełnionych materiałem była większa niż w złożu fluidalnym 3, tak, żeby powietrze 31 doprowadzane do złoża fluidalnego.3 spalania nie wpływało w kanał obejściowy przez reaktor 1 do pirolizy. Strumień 7 pary, w którym ciśnienie redukowane jest na przykład za pomocą turbiny 9, wytwarzany jest ze strumienia wody za pomocą ciepła strumienia gazów odlotowych 37 poprzez wymiennik 8 ciepła. Część strumienia 71 pary może być wykorzystana jako para wodna stanowiąca środek zgazowujący 21 dla strefy reakcyjnej. Gaz odlotowy 60 dostarczany jest do oczyszczania 6 gazu spalinowego.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych, w którym substancje organiczne wprowadza się do reaktora do suszenia i pirolizy, w którym doprowadza się do zetknięcia się substancji organicznych z materiałem złoża fluidalnego w złożu fluidalnym spalania, lub w którym doprowadza się do zetknięcia substancji organicznych z materiałem złoża fluidalnego i ścianą reaktorową złoża fluidalnego spalania, wskutek czego zachodzą suszenie i piroliza, w którym substancje organiczne przekształca się w parę wodną z suszenia i produkty pirolizy, przy czym produkty pirolizy składają się z gazów z substancjami kondensującymi i stałą pozostałością zawierającą węgiel, stałą pozostałość zawierająca węgiel lub stałą pozostałość zawierającą węgiel i części pary wodnej i gazów pirolitycznych z substancjami kondensującymi i materiałem złoża fluidalnego doprowadza się z powrotem do złoża fluidalnego spalania, w którym spopiela się zawierającą węgiel pozostałość substancji organicznych, materiał złoża fluidalnego ogrzewa się i ponownie wprowadza do reaktora do pirolizy, parę wodną z suszenia i gazy pirolityczne obrabia się następnie za pomocą substancji kondensujących w dalszej strefie reakcyjnej tak, że uzyskuje się produkt gazowy o wysokiej wartości kalorycznej, znamienny tym, że suszenie i pirolizę prowadzi się w co najmniej jednym lub więcej reaktorach (1) do pirolizy, złoże fluidalne (3) spalania, w którym spala się pozostałości pirolizy, działa jako stacjonarne złoże fluidalne, gazy pirolityczne (13) wprowadza się do pośredniego elementu (2) wymiany ciepła gazy odpadowe (37) spalania lub gazy odpadowe spalania i materiał złoża fluidalnego we fluidalnym złożu (3) spalania doprowadza się do zetknięcia z pośrednim elementem (2) wymiany ciepła tak, że ich zawartość cieplną wykorzystuje się do reakcji gazów pirolitycznych (13) ze środkiem zgazowującym (21), materiał złoża fluidalnego (3) składa się tylko z popiołu substancji organicznych, lub popiołu i nie spalonych, zawierających węgiel, pozostałości substancji

PL 194 523 B1 organicznych, lub popiołu substancji organicznych i dodatkowego materiału fluidalnego, lub popiołu i nie spalonych, zawierających węgiel, pozostałości substancji organicznych i dodatkowego materiału złoża fluidalnego.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że suszenie i pirolizę prowadzi się w dwu lub więcej reaktorach (1) do pirolizy, które składają się z dwóch lub więcej reaktorów z ruchomym złożem lub z dwóch lub więcej reaktorów obrotowych lub z reaktorów obrotowych i reaktorów z ruchomym złożem.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do gazów pirolitycznych (13) nie dodaje się żadnego środka zgazowującego.
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodaje się do gazów pirolitycznych (13) środek zgazowujący, taki jak parę wodną, tlen lub powietrze lub ich mieszanina.
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadzi się reakcję gazów pirolitycznych (13) ze środkiem zgazowującym (21) w pośrednim elemencie (2) wymiany ciepła.
6. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pirolizę prowadzi się w temperaturze 450°C do 750°C.
7. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że produkt gazowy (23) wprowadza się do reaktora (1) do pirolizy.
8. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że środki zgazowujące (21) takie jak para wodna, tlen lub powietrze albo ich mieszaninę podaje się do reaktora (1) do pirolizy.
9. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stosuje się powierzchnię ściany reaktorowej złoża fluidalnego (3) spalania o dowolnym zamkniętym kształcie geometrycznym po stronie reaktora (1) do pirolizy i złoża fluidalnego (3) spalania.
10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcje gazów pirolitycznych (13) ze środkiem zgazowującym (21) prowadzi się w temperaturach 800°C do 1050°C.
11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcje gazów pirolitycznych (13) ze środkiem zgazowującym (21) prowadzi się w obecności katalizatora.
12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcje gazów pirolitycznych (13) ze środkiem zgazowującym (21) prowadzi się w stałym złożu materiału katalitycznego.
13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że reakcje gazów pirolitycznych (13) ze środkiem zgazowującym (21) prowadzi się we fluidalnym złożu materiału katalitycznego.
14. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prowadzi się reakcje gazów pirolitycznych (13) ze środkiem zgazowującym (21) w obecności katalizatora dodawanego do gazów pirolitycznych (13) w unoszącym go strumieniu.
15. Urządzenie do pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych, zawierające reaktor do pirolizy, palenisko złoża fluidalnego dla pozostałości pirolizy, strefę reakcyjną dla gazów pirolitycznych i obieg materiału złoża fluidalnego pomiędzy złożem fluidalnym spalania i reaktorem do pirolizy, znamienne tym, że obrotowy lub szybowy reaktor (1) mający zasuwę dla materiału wsadowego i wlot dla materiału złoża fluidalnego ze złoża fluidalnego (3) spalania, umieszczony jest obok złoża fluidalnego (3) spalania, i szybowy reaktor (1) ma w swym dolnym końcu urządzenie transportowe do złoża fluidalnego spalania, zaś złoże fluidalne (3) spalania ma przelew do przenoszenia materiału złoża fluidalnego do szybowego rektora (1) oraz zawiera doprowadzenie gazów odpadowych (37) ze złoża fluidalnego (3) spalania do, połączonego dla gazów pirolitycznych (13) z szybowym reaktorem (1), elementu (2) wymiany ciepła.
16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że zawiera odprowadzenie materiału złoża fluidalnego ze złoża fluidalnego (3) spalania co najmniej w jednym miejscu lub w wielu miejscach i zawiera doprowadzenie materiału złoża fluidalnego do reaktora (1) do pirolizy.
17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że odprowadzenie materiału złoża fluidalnego ma postać jednego lub więcej przelewów.
18. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że utworzone złoże fluidalne zawiera dodatek substancji ogniotrwałych.
19. Urządzenie według zastrz. 15 albo 18, znamienne tym, że utworzone złoże fluidalne zawiera składniki materiału wsadowego nie ulegające spalaniu i zgazowaniu.