PL219556B1 - Sposób zgazowania biomasy - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zgazowania biomasy.

Zgazowanie biomasy składa się z dwóch zasadniczych procesów - procesu pirolizy /odgazowania/, w wyniku którego ze zgazowywanej stałej substancji, powstają gazy pirolityczne i karbonizat oraz procesu właściwego zgazowania, w którym węgiel zawarty w karbonizacje reaguje z lotnym czynnikiem zgazowującym, zwykle z tlenem z powietrza lub parą wodną. W pierwszym przypadku efektem reakcji jest tlenek węgla a w drugim tlenek węgla i wodór a jeśli ciśnienie procesu jest wysokie, to również metan. W wyniku właściwego zgazowania z karbonizatu pozostają stałe składniki mineralne. Do przeprowadzenia procesu zgazowania biomasy potrzebne jest jeszcze ciepło, bo powyższe procesy zachodzą przy temperaturach rzędu kilkuset stopni Celsjusza a cały proces zgazowania jest endotermiczny. Z opisu zgłoszenia wynalazku 385941 znana jest zgazowarka strumieniowa i sposób sterowania jej pracą, w której przegrzaną parę wodną łącznie z podawaną rozdrobnioną biomasą podaje się w ciągły sposób za pomocą strumienicy do komory reakcyjnej. W komorze reakcyjnej biomasa ulega pirolizie i zgazowaniu właściwemu kosztem energii cieplnej przegrzanej pary wodnej. Mieszaninę produktów pirolizy i zgazowania właściwego tj. mieszaninę gazów palnych, niepalnych oraz stałych części mineralnych, kieruje się dalej do króćca ssawnego strumienicy wylotowej napędzanej wodą. W strumienicy produkty te miesza się z wodą i chłodzi a następnie dostarcza do układu separacyjnego, w którym oddziela się gazy od wody wymieszanej ze stałymi częściami mineralnymi i kieruje te gazy do zbiornika. Z opisu zgłoszenia wynalazku 386520 znana jest nowa wersja zgazowarki strumieniowej i sposób sterowania jej pracą. W rozwiązaniu tym podobnie jak w poprzednim podaje się rozdrobnioną biomasę zmieszaną z przegrzaną parą wodną do komory reakcyjnej. Po wyjściu z komory reakcyjnej produkty zgazowania są chłodzone, poddaje się je separacji i otrzymaną mieszaninę gazów palnych przesyła się do zbiornika. Sposób ten jest podobny do wcześniej opisanego a różni się przede wszystkim sposobem chłodzenia otrzymanych w komorze reakcyjnej produktów. Uzyskany gaz po osuszeniu i ostatecznym odpyleniu w filtrze workowym może być wykorzystany np. jako paliwo gazowe w silniku spalinowym.

Sposób zgazowania biomasy wg wynalazku, w którym doprowadza się do komory reakcyjnej rozdrobnioną biomasę, częściowo spala się w niej biomasę oraz zgazowuje się pozostałą część biomasy, chłodzi się oraz oczyszcza otrzymaną mieszaninę gazów i gromadzi ją w zbiorniku, charakteryzuje się tym, że rozdrobnioną biomasę do małej frakcji, korzystnie o wielkości poniżej jednego milimetra, wdmuchuje się w sposób ciągły sprężonym gorącym powietrzem lub tlenem, o temperaturze korzystnie co najmniej 350°C do komory reakcyjnej i prowadzi się w niej proces spalania i zgazowania w temperaturze powyżej 1000°C, a uzyskaną w komorze mieszaninę produktów spalania i zgazowania biomasy kieruje się do układu chłodząco-separacyjnego, w którym mieszaninę tę gwałtownie się chłodzi, korzystnie rozpyloną wodą a następnie oddziela się z niej produkty gazowe, osusza je, odpyla i gromadzi w zbiorniku. Dzięki rozdrobnieniu biomasy uzyskuje się dużą powierzchnię wymiany ciepła i tym samym przyspiesza cały proces zgazowania. Wysoką temperaturę procesu zapewnia się poprzez kontrolę proporcji między masą rozdrobnionej biomasy a masą sprężonego gorącego powietrza lub tlenu które dostarcza się do komory reakcyjnej. Wysoka temperatura procesu gwarantuje całkowity rozkład związków smolistych i wyższych węglowodorów a gwałtowne chłodzenie ma ten skutek, że eliminuje rekombinację wyższych związków węglowodorowych występującą podczas powolnego chłodzenia. Ponadto sposób zgazowania biomasy wg wynalazku charakteryzuje się tym, że sprężone powietrze lub tlen ogrzewa się gazami odpadowymi w przeciwprądowym wymienniku ciepła, w szczególności spalinami z silnika agregatu prądotwórczego, którego gazowym paliwem jest mieszanina gazów palnych pochodzących z procesu zgazowania biomasy. Poza tym, sposób zgazowania biomasy wg wynalazku charakteryzuje się tym, że rozdrobnioną biomasę doprowadza się do króćca ssawnego strumienicy a sprężone gorące powietrze lub tlen do jej króćca napędowego i w strumienicy tej miesza się rozdrobnioną biomasę z gorącym sprężonym powietrzem lub tlenem, a następnie strumień tej mieszaniny wdmuchuje się króćcem tłoczącym strumienicy do komory reakcyjnej. Ponadto, sposób zgazowania biomasy wg wynalazku charakteryzuje się tym, że rozdrobnioną biomasę dostarcza się w sposób ciągły do króćca ssawnego strumienicy podajnikiem ślimakowym. Poza tym, sposób zgazowania biomasy wg wynalazku charakteryzuje się tym, że rozdrobnioną biomasę wdmuchuje się gorącym sprężonym powietrzem lub tlenem przy jednym z końców komory reakcyjnej, mającej kształt poziomego walca i ukierunkowuje się go uzyskując jego ruch wirowy wokół pobocznicy tego walca. Powyższy sposób wdmuchiwania wydłuża czas, w którym podczas zgazowania cząstki stałe przebywają

PL 219 556 B1 wewnątrz komory. Ponadto, sposób zgazowania biomasy wg wynalazku charakteryzuje się tym, że dodatkowo biomasę w postaci pyłu, w kontrolowany sposób, wdmuchuje się wzdłuż osi komory reakcyjnej gorącym sprężonym powietrzem lub tlenem. Ten dodatkowy sposób wdmuchiwania rozdrobnionej biomasy pozwala szybciej reagować na ewentualne wahania temperatury w komorze a więc sprzyja stabilizacji procesu zgazowania. Poza tym, sposób zgazowania biomasy wg wynalazku charakteryzuje się tym, że do komory reakcyjnej dodatkowo doprowadza się sprężone gorące powietrze lub tlen poprzez co najmniej jeden króciec umieszczony w jej ściance. Dzięki temu rozwiązaniu można zmniejszyć ilość sprężonego gorącego powietrza lub tlenu podawaną do komory reakcyjnej podczas wdmuchiwania rozdrobnionej biomasy i precyzyjniej kontrolować proporcję między ilościami tych składników podawanych do komory reakcyjnej. Ponadto, sposób zgazowania biomasy wg wynalazku charakteryzuje się tym, że do komory reakcyjnej doprowadza się parę wodną przegrzaną, poprzez co najmniej jeden króciec umieszczony w jej ściance. Tę procedurę stosuje się jeżeli rozdrobniona biomasa jest wyjątkowo sucha. Poza tym, sposób zgazowania biomasy wg wynalazku charakteryzuje się tym, że uzyskaną w komorze reakcyjnej mieszaninę produktów spalania i zgazowania biomasy kieruje się do skrubera wodnego przepuszcza przez rozpyloną wodę i w ten sposób mieszaninę tę gwałtownie się chłodzi i wypłukuje z niej stałe części mineralne. Prowadzenie procesu według wynalazku wymaga stosowania różnych znanych urządzeń w powiązaniu z miernikami, czujnikami, zaworami oraz elektronicznym układem sterowania. Główną zaletą wynalazku, jest to, że dzięki jego zastosowaniu, gazy uzyskane w procesie zgazowania biomasy praktycznie nie zawierają części smolistych oraz wyższych związków węglowodorowych np. benzenu a zatem konwersja biomasy na paliwo gazowe następuje z większą efektywnością niż w dotychczas stosowanych procesach. Konwersja ta w dotychczas stosowanych procesach jest na tyle mała, że produkcja „zielonej energii” elektrycznej w oparciu o ten proces, ma sens tylko w przypadku gdy można zagospodarować tj. sprzedać odpadowe ciepło powstające przy tego typu realizacjach. Jest to trudne ze względów logistycznych i dlatego instalacji takich powstaje bardzo mało. Kolejną zaletą wynalazku jest to, że zastosowany proces nie wymaga wysokich ciśnień i można go przeprowadzić przy pomocy stosunkowo prostej instalacji składającej się ze znanych, dostępnych na rynku elementów a ponadto można go realizować przy różnych wydajnościach przerobu biomasy od kilkudziesięciu kilogramów do kilku ton na godzinę.

P r z y k ł a d

Poniżej przedstawiony jest sposób zgazowania słomy w instalacji służącej do zgazowania słomy współpracującej z agregatem prądotwórczym. Sposób zgazowania słomy według wynalazku przedstawiony jest na schemacie blokowym procesu. Sprężone powietrze o ciśnieniu cztery bary kieruje się do przeciwprądowego wymiennika ciepła, w którym ogrzewa się powietrze gazami spalinowymi, pochodzącymi z silnika spalinowego agregatu prądotwórczego, do temperatury około 380°C. Rozdrobnioną słomę, której drobiny nie przekraczają jednego milimetra, kieruje się ze zbiornika za pomocą podajnika ślimakowego do dyszy ssawnej strumienicy a sprężone gorące powietrze doprowadza się do dyszy napędowej strumienicy a następnie strumień tej mieszaniny wdmuchuje się króćcem tłoczącym strumienicy do komory reakcyjnej. Komora reakcyjna ma kształt poziomego walca, przy czym jej wejście znajduje się przy jednym końcu tego walca a wyjście przy drugim. Strumień mieszaniny rozdrobnionej biomasy i sprężonego gorącego powietrza podaje się do walcowej komory ukierunkowując go w taki sposób, że porusza się on ruchem wirowym wokół pobocznicy walca stanowiącego komorę reakcyjną. Powoduje to, że drobiny słomy przebywają dłużej w komorze oraz znajdują się bliżej jej gorącej ścianki akumulującej ciepło. Dodatkowo, również przy pomocy strumienicy, zasilanej sprężonym gorącym powietrzem, w kontrolowany sposób, wdmuchuje się do komory reakcyjnej strumień biomasy w postaci pyłu i ukierunkowuje go wzdłuż osi komory. Powyższe rozwiązanie pozwala szybciej reagować na ewentualne wahania temperatury w komorze a więc sprzyja stabilizacji procesu zgazowania. Gdy np. temperatura w komorze spada, to zwiększa się ilość biomasy wdmuchiwanej w postaci pyłu co owocuje szybkim ponownym wzrostem temperatury.

Ponadto, dodatkowo, bezpośrednio do komory reakcyjnej doprowadza się okresowo, poprzez sterowany zawór redukcyjny, sprężone gorące powietrze, dzięki czemu można kontrolować proporcję między dostarczanymi do komory składnikami tj. między rozdrobnioną biomasą a sprężonym gorącym powietrzem co również ułatwia temperaturową stabilizacje procesu. W przypadku bardzo suchej słomy do komory reakcyjnej wdmuchuje się parę wodną przegrzaną, która jest dodatkowym czynnikiem zgazowującym. W komorze reakcyjnej zachodzi proces pirolizy i zgazowania właściwego, a wymiary komory są tak dobrane, że drobiny słomy przebywają w niej co najmniej 20 sekund. Dzięki rozdrobnieniu biomasy uzyskuje się dużą powierzchnię wymiany ciepła i tym samym przyspiesza cały proces zga4

PL 219 556 B1 zowania. W komorze reakcyjnej utrzymuje się temperaturę w przedziale 1100°C do 1200°C. Wysoka temperatura procesu gwarantuje całkowite zgazowanie słomy, w tym rozkład związków smolistych i wyższych węglowodorów. Z komory reakcyjnej mieszaninę produktów spalania i zgazowania przesyła się do skrubera wodnego, w kształcie pionowej kolumny, w którym wpada ona w rozpyloną wodę. Następuje gwałtowne schłodzenie mieszaniny do kilkudziesięciu stopni i odseparowanie, poprzez wypłukanie wodą, większości stałych części mineralnych od części gazowych. Gwałtowne schłodzenie gorącej mieszaniny eliminuje rekombinację wyższych związków wodorowych czy wręcz części smolistych, która następuje w przypadku chłodzenia powolnego. Odseparowane części gazowe kieruje się ze skrubera do osuszacza a następnie przez filtr workowy oraz zawór zwrotny do zbiornika. Gaz ze zbiornika doprowadza się jako paliwo gazowe do spalinowego silnika w agregacie prądotwórczym.

Kolejny przykład realizacji sposobu zgazowania biomasy według wynalazku różni się od poprzedniego przykładu jedynie tym, że wszędzie tam, gdzie w poprzednim przykładzie w procesie występowało sprężone gorące powietrze, w przykładzie kolejnym zastępuje je sprężony gorący tlen. Różnica polega na tym, że w przypadku zastosowania sprężonego gorącego powietrza gazy otrzymane ze zgazowania słomy zawierają balastowy niepalny azot z powietrza a w przypadku zastosowania sprężonego gorącego tlenu uzyskane gazy są tego balastu pozbawione dzięki czemu ich mieszanina ma większą kaloryczność.

Claims (9)

1. Sposób zgazowania biomasy, w którym doprowadza się do komory reakcyjnej rozdrobnioną biomasę, częściowo spala się w niej biomasę oraz zgazowuje się pozostałą część biomasy, chłodzi się oraz oczyszcza otrzymaną mieszaninę gazów i gromadzi ją w zbiorniku, znamienny tym, że rozdrobnioną biomasę do małej frakcji, korzystnie o wielkości poniżej jednego milimetra, wdmuchuje się w sposób ciągły sprężonym gorącym powietrzem lub tlenem, o temperaturze korzystnie co najmniej 350°C do komory reakcyjnej i prowadzi się w niej proces spalania i zgazowania w temperaturze powyżej 1000°C, a uzyskaną w komorze mieszaninę produktów spalania i zgazowania biomasy kieruje się do układu chłodząco-separacyjnego, w którym mieszaninę tę gwałtownie się chłodzi, korzystnie rozpyloną wodą a następnie oddziela się z niej produkty gazowe, osusza je, odpyla i gromadzi w zbiorniku.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że sprężone powietrze lub tlen ogrzewa się gazami odpadowymi w przeciwprądowym wymienniku ciepła, w szczególności spalinami z silnika agregatu prądotwórczego, którego gazowym paliwem jest mieszanina gazów palnych pochodzących z procesu zgazowania biomasy.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rozdrobnioną biomasę doprowadza się do króćca ssawnego strumienicy a sprężone gorące powietrze lub tlen do jej króćca napędowego i w strumienicy tej miesza się rozdrobnioną biomasę z gorącym sprężonym powietrzem lub tlenem a następnie strumień tej mieszaniny wdmuchuje się króćcem tłoczącym strumienicy do komory reakcyjnej.

4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że rozdrobnioną biomasę dostarcza się w sposób ciągły do króćca ssawnego strumienicy podajnikiem ślimakowym.

5. Sposób według zastrz. 1 albo 3, znamienny tym, że strumień rozdrobnionej biomasy, wdmuchuje się gorącym sprężonym powietrzem lub tlenem, przy jednym z końców komory reakcyjnej, mającej kształt poziomego walca i ukierunkowuje się go uzyskując jego ruch wirowy wokół pobocznicy tego walca.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodatkowo biomasę w postaci pyłu, w kontrolowany sposób, wdmuchuje się wzdłuż osi komory reakcyjnej gorącym sprężonym powietrzem lub tlenem.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do komory reakcyjnej dodatkowo doprowadza się sprężone gorące powietrze lub tlen poprzez co najmniej jeden króciec umieszczony w jej ściance.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do komory reakcyjnej doprowadza się parę wodną przegrzaną, poprzez co najmniej jeden króciec umieszczony w jej ściance.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że uzyskaną w komorze reakcyjnej mieszaninę produktów spalania i zgazowania biomasy kieruje się do skrubera wodnego przepuszcza przez rozpyloną wodę i w ten sposób mieszaninę tę gwałtownie się chłodzi i wypłukuje z niej stałe części mineralne.