PL224212B1 - Sposób zgazowania surowców węglonośnych, karbonizatów i węgli oraz układ urządzeń do prowadzenia tego procesu - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób zgazowania surowców węglonośnych, karbonizatów i węgli oraz układ urządzeń do prowadzenia tego procesu w celu przemysłowego wytwarzania gazu syntezowego.

Znane są różne metody zgazowania surowców węglonośnych i węgli, prowadzące do wytworzenia paliw gazowych zawierających wysoki procent wodoru i tlenku węgla, a także urządzenia i układy do realizacji tych metod. Przykładem jest polski opis patentowy nr 205483, gdzie sposób polega na zgazowaniu odpadów w temperaturze 150-350°C, z dopływem powietrza do reaktora w ilości

200-400 m /godzinę oraz na zwiększaniu dopływu powietrza do 400-680 m /godzinę po zakończeniu procesu zgazowania dla spalenia pozostałości po zgazowaniu w temperaturze 550-850°C i na wtryskiwaniu do reaktora pary wodnej pod ciśnieniem 0,1-0,2 MPa, dla wytwarzania gazu generatorowego.

Ze zgłoszenia wynalazku PL.381200 znany jest sposób uzyskiwania energii przez zgazowanie śmieci, który polega na tym, że odpady, na przykład śmieci miejskie, doprowadza się do szybowego zgazowywacza stapiającego, suszy się je przeciwprądowo, zgazowuje się z równoczesnym stapianiem stałych odpadów, ciekłe odpady usuwa się, a zapylony surowy gaz odprowadza się od góry, wodę oczyszcza się i ochładza się, przeprowadza się ją przez strefę separacji i rozdziału elektrostatycznego. Po czym tak uzyskany gaz doprowadza się do palnika, albo ogólnie do wytwarzania energii. Sposób charakteryzuje się tym, że odprowadzone ze zgazowywacza stapiającego gorące surowe gazy doprowadza się do generatora na gorący gaz i parę, w którym gorący gaz miesza się z parą wodną i tę mieszaninę prowadzi się przez dwuwirnikową turbinę napędzającą generator elektryczny, przy czym równocześnie ma miejsce reakcja wstępna. Oczyszczoną wstępnie mieszaninę gorącego gazu i pary doprowadza się do urządzenia opadowego, w którym, przy zastosowaniu uzupełnionej zawiesiną czynnika reaktywnego wody, oraz dzięki powtarzającemu się rozprężaniu i sprężaniu połączonym ze spienianiem. Tę mieszaninę ochładza się i wstępnie oczyszcza się, a ciecz się gromadzi.

Oczyszczony wstępnie gaz doprowadza się do filtra gazu, w którym gaz spienia się czynnikiem reaktywnym, pianę likwiduje się, a ostatecznie oczyszczone gazy doprowadza się do dalszego zastosowania energetycznego, na przykład do spalania w silniku. Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do wytwarzania energii przez zgazowanie śmieci.

Wynalazek nr PL.161778 dotyczy sposobu i urządzenia do zgazowywania paliw stałych, zwłaszcza drobnoziarnistych lub pylistych z reaktorem zgazowującym, który jest wyposażony w palniki zgazowujące, urządzenie do wydzielania pyłu lotnego z gazu surowego, zbiornik pyłu lotnego i urządzenie do zawracania pyłu lotnego do reaktora gazyfikującego. Stosowane są palniki zgazowujące, które mają współosiowy względem osi palnika kanał doprowadzający dla tlenu pierwotnego, otaczający kanał pierścieniowy dla doprowadzania paliwa i otaczający go kanał pierścieniowy dla doprowadzania tlenu wtórnego. Wydzielony z gazu surowego pył lotny jest wprowadzany w oś co najmniej jednego strumienia paliwa/medium reaktywnego, przy jego pomocy umieszczony w strefie reakcji pierwotnej reaktora gazyfikującego i w niej stapiany. Udziału mas tlenu pierwotnego do tlenu wtórnego wynosi od 1:1 do 1:4, korzystnie 1:1 do 1:3.

Znany z opisu patentowego PL 164016 sposób zgazowania materiałów węglopochodnych, charakteryzuje się tym, że materiał węglopochodny w postaci nieruchomego złoża wypełniającego reaktor koronowy poddaje się działaniu plazmy nierównowagowej pod ciśnieniem atmosferycznym i temperaturze pokojowej z tym, że plazma generuje się impulsowym wyładowaniem koronowym podczas przepływającego CO2 przez materiał węglopochodny zgodnie lub w przeciwprądzie do przepływającego roztworu elektrolitu w chłodnicy. Urządzenie ma reaktor koronowy wypełniony materiałem węglopochodnym, w którym usytuowana jest poosiowo elektroda koronująca, natomiast zewnętrzna część chłodnicy stanowi zewnętrzną cylindryczną elektrodę. Elektroda koronująca połączona jest z zasilaczem. Znany z opisu patentowego nr PL 167505 sposób ciągłego zgazowania ciekłych węglowodorów z procesu wytlewania węgla w strumieniu gazu wytlewnego przed ich kondensacją, przy pomocy mieszaniny nośnika tlenu i pary wodnej, charakteryzuje się tym, że proces zgazowania prowadzi się poza wytlewnicą procesową w strumieniu gazu wytlewnego o przepływie zlaminaryzowanym w międzyziarnowych przestrzeniach przepływowego wypełniacza reaktora szybowego, przeciwprądowego. Zawarte w tym strumieniu węglowodory ciekłe w stanie lotnym poddaje się procesowi pirolizy, a następnie produkty tej pirolizy zgazowaniu w wyżej położonym obszarze hydrotermicznej strefy reakcji zgazowania, poniżej której doprowadza się czynnik zgazowujący. Przedmiotem wynalazku jest także reaktor dla zgazowania ciekłych węglowodorów.

PL 224 212 B1

Znany jest z opisu patentowego PL 194523 sposób pirolizy i zgazowania substancji organicznych lub mieszanin substancji organicznych. Substancje organiczne wprowadzane są do reaktora do suszenia i pirolizy, w którym doprowadza się do ich zetknięcia z materiałem złoża fluidalnego w złożu fluidalnym spalania lub w którym doprowadza się do ich zetknięcia z materiałem złoża fluidalnego ścianą reaktorową złoża fluidalnego spalania, wskutek czego zachodzą suszenie i piroliza. Stała pozostałość zawierająca węgiel, ewentualnie z częściami pary wodnej i gazów pirolitycznych oraz materiał złoża fluidalnego doprowadzane są z powrotem do złoża fluidalnego spalania, w którym spopielana jest zawierająca węgiel pozostałość substancji organicznych, materiał złoża fluidalnego jest ogrzewany i ponownie wprowadzany do reaktora do pirolizy. Para wodna z suszenia i gazy pirolityczne są następnie poddawane obróbce za pomocą substancji kondensujących w dalszej strefie reakcyjnej tak, że uzyskuje się produkt gazowy o wysokiej wartości kalorycznej. Suszenie i piroliza prowadzone są w co najmniej jednym reaktorze do pirolizy. Złoże fluidalne spalania, w którym spalane są pozostałości pirolizy, działa jako stacjonarne złoże fluidalne. Gazy pirolityczne wprowadzane są do pośredniego wymiennika ciepła. Gazy odpadowe ze spalania, ewentualnie z materiałem ze złoża fluidalnego doprowadzane są do zetknięcia z pośrednim wymiennikiem ciepła tak, że ich zawartość cieplna wykorzystywana jest do reakcji gazów pirolitycznych ze środkiem zestalającym.

Z opisu patentowego nr PL 191219 znany jest sposób pirolizy i zgazowania materiałów odpadowych, zwłaszcza szczególnych i/lub niebezpiecznych materiałów odpadowych, zawierający etap zgazowania i topnienia, etap obróbki mieszaniny otrzymanych gazów i etap zeszklenia. Etapy te obejmują następujące przejścia: obrabiany materiał w temperaturze zawartej pomiędzy 1300 i 1500°C zgazowuje się w przeciągu czasu zawartym pomiędzy 3 i 15 sekund i topi w czasie zawartym pomiędzy 5 i 30 minut, przy całkowitym braku powietrza, uzyskując mieszaninę gazów palnych, gazów niepalnych i gazów obojętnych w co najmniej dwóch, prowadzonych kolejno, etapach zgazowania. Utrzymuje się stałą temperaturę przez zastosowanie co najmniej jednej lancy cieplnej, w każdym z etapów zgazowania. Tak otrzymaną mieszaninę gazów palnych i niepalnych poddaje się oczyszczaniu i obróbkom odzyskiwania energii. Następnie gazy obojętne lub udział substancji nieorganicznych i mineralnych uzyskuje się w stanie zeszklonym. Reaktor podzielony jest na dwie sekcje:

- jedną (lub więcej) pierwotną komorę (komory) zgazowania

- wtórną komorę zgazowania i topienia.

Pierwotna komora zgazowania składa się z pionowego cylindra zaopatrzonego w otwór lub ujście do ładowania odpadów na środku pokrywy wspomnianego cylindra. Zawsze w górnej części cylindra, ale ze stycznym sprzęgłem, umieszczone jest miejsce wprowadzenia lancy cieplnej. Dolna część cylindra jest zbieżna jak stożek ścięty tak, aby łączyć cylinder z przewodem rurowym łączącym go z wtórną komorą zgazowania i topienia. Objętość i długość cylindra oraz przewodu rurowego określają czas pozostawania odpadów w zetknięciu z gorącymi gazami wytwarzanymi przez lancę cieplną i z powierzchnią ogniotrwałej powłoki utrzymywanej w przewidywanej temperaturze roboczej (1300-1500°C). Przepływ gazu wytwarzany w pierwotnej komorze zgazowania tworzy przepływ zstępujący, który stycznie wchodzi do wtórnej komory zgazowania i topienia razem z częścią doprowadzanych odpadów do zgazowania i stopienia. Również wtórna komora zgazowania i topienia składa się z pionowego cylindra usytuowanego na niższym poziomie w odniesieniu do pierwszej komory. Dolna część wspomnianego cylindra stanowi dno lub basen topienia mineralnych pozostałości odpadów. Powłoka ogniotrwała wspomnianego dna ułożona jest tak, aby uzyskać nachylenie lub pochyłość zawartą pomiędzy 5 i 30%, korzystnie 20%, pomiędzy najwyższym punktem (obszar wlotowy gazów z poprzedniej komory) i najniższym punktem, diametralnie przeciwległym (obszar wylotowy stopionych popiołów). Długość i nachylenie tego toru wyznaczają czas trwania i odpowiednio topienie pozostałości zgazowania. Na ścianie cylindra wtórnej komory zgazowania i topienia, zawsze w pobliżu dna, umieszczona jest druga lanca cieplna, której zadaniem jest utrzymywanie temperatury roboczej zgodnie z zadanym warunkiem (1300-1500°C). W ten sposób, oprócz przeprowadzenia stopienia, doprowadzane jest do końca zgazowanie i, jako, że zachodzi ono w dwóch kolejnych etapach, odznacza się ono bardzo wysokimi poziomami skuteczności.

Znanych jest także szereg innych wynalazków dotyczących procesu zgazowania, które realizowane są przy pomocy powietrza, tlenu, pary wodnej lub ich mieszanek. Najpowszechniejsze są procesy prowadzone w przeciwprądowych reaktorach szybowych lub reaktorach fluidalnych, a także palnikach zgazowujących z wykorzystaniem powietrza. Zasadniczym problemem procesu zgazowania jest minimalizacja w finalnym gazie substancji smolistych, jak najpełniejsze przereagowanie węgla oraz uzyskanie jak najmniejszej ilości składników inertnych w gazie. Dotychczasowe metody charakte4

PL 224 212 B1 ryzuje albo wysoka koncentracja składników smolistych w gazie albo wysoki poziom zawartości składników inertnych wytwarzanego gazu.

Sposób realizacji zgazowania surowców węglonośnych, karbonizatów i węgli polega na prowadzeniu go w układzie współprądowym z korzystnie burzliwym przepływem gazu. Sposób według wynalazku realizowany jest w szeregu na przemian homogenicznych i heterogenicznych stref reakcji przy pomocy mieszanki pary wodnej, par węglowodorów i/lub gazów palnych, z wtryskiem do strefy reakcji homogenicznych ilości tlenu lub tlenu z parą wodną, która zapewnia podniesienie temperatury strefy homogenicznej do nie więcej niż 1000°C, przy czym będący wsadem węgiel lub materiał węglonośny o drobnej granulacji, korzystnie poniżej 2 mm, rozprowadzany jest w objętości strefy reakcji heterogenicznej w sposób mechaniczny, zapewniający nieprzerwane rozwinięcie powierzchni kontaktu rozpraszanej w formie kurtyn fazy stałej z dwutlenkiem węgla i parą wodną. Temperatura gazu pomiędzy kolejnymi strefami reakcji heterogenicznych podnoszona jest do nie więcej niż 1000°C poprzez wtrysk tlenu lub tlenu z parą wodną i regulowany dla każdej strefy reakcji homogenicznej. Do mieszaniny pary wodnej i tlenu podawanej do pierwszego reaktora homogenicznego dodawana jest ilość par węglowodorów i/lub gazów palnych, pozwalająca na podniesienie temperatury całości gazów w tym reaktorze powyżej przynajmniej 700°C, korzystnie do 1000°C. Gazowi przy przejściu ze strefy homogenicznej do heterogenicznej nadaje się korzystnie ruch wirowy, postępowy. Zsypywanie fazy stałej z półek reaktorów heterogenicznych prowadzi w sposób nieprzerwany, tak aby zsyp dokonywał się z co najmniej jednej półki, a korzystnie z trzech jednocześnie.

Układ urządzeń zawierający współprądowe reaktory homogeniczne i heterogeniczne zestawiony jest według wynalazku z szeregu par reaktorów homogenicznych i heterogenicznych rozpoczynających się reaktorem homogenicznym, przy czym faza stała oraz gazy przemieszczane są pomiędzy reaktorami heterogenicznymi oddzielnymi drogami.

Takie prowadzenie procesu umożliwia uzyskanie gazu syntezowego praktycznie wolnego od substancji smolistych, założone przereagowanie węgla zawartego we wsadzie a także umożliwia stosowanie niższych temperatur zgazowania zdecydowanie ograniczających redukcję siarczanów węglem do dwutlenku siarki oraz obniżających prężność par ewentualnych metali ciężkich.

P r z y k ł a d 1:

Do współprądowego wielostopniowego reaktora zestawu laboratoryjnego wprowadzano 5 kg/h węgla o zapopieleniu 40% pochodzącego z instalacji karbonizacji odpadów komunalnych, mającego średnią granulację 1,1 mm (fig. 3). Węgiel podgrzewany był wstępnie do temperatury 450°C. Do kaskady reaktorów doprowadzano równocześnie 5,6 kg/h pary wodnej w mieszance z 0,56 kg/h propanu, całość o temperaturze 250°C. Przed wprowadzeniem do pierwszego stopnia reaktora do mieszanki gazowej dodano tlen 93% podnosząc jej temperaturę do 1000°C. W kolejnych reaktorach homogenicznych kaskady reaktorów podnoszono wtryskiem tlenu temperaturę gazu do 870°C. Po piątym ₃ reaktorze heterogenicznym i chłodzeniu gazu do 30°C uzyskano ok. 9,4 Nm³/h gazu o składzie: CO2 16,9%, CO 40,6%, H2 35,5%, CH4 2%, N2 5% przy przereagowaniu ponad 95% wprowadzanego węgla.

P r z y k ł a d 2:

Do współprądowego wielostopniowego reaktora zestawu laboratoryjnego wprowadzano 5 kg/h węgla o zapopieleniu 40% pochodzącego z instalacji karbonizacji odpadów komunalnych, mającego średnią granulację 1,1 mm. Węgiel podgrzewany był wstępnie do temperatury 450°C. Do kaskady reaktorów doprowadzano równocześnie 5,6 kg/h pary wodnej w mieszance z 0,56 kg/h propanu, całość o temperaturze 250°C. Przed wprowadzeniem do pierwszego stopnia reaktora do mieszanki gazowej dodano tlen 93% podnosząc jej temperaturę do 1000°C. W kolejnych reaktorach homogenicznych kaskady reaktorów podnoszono wtryskiem tlenu temperaturę gazu do 950°C. Po czwartym reak₃ torze heterogenicznym i chłodzeniu gazu do 30°C uzyskano ok. 10,3 Nm³/h gazu o składzie: CO2 11,7%, CO 42,8%, H2 39,5%, CH4 1%, N2 5% a przereagowanie węgla blisko 97%.

Energia zewnętrzna potrzebna do pokrycia deficytu energetycznego reakcji dwutlenku węgla z węglem oraz pary wodnej z węglem dostarczana jest porcjami poprzez ciepło fizyczne gazu wydzielane w reakcji tlenu ze składnikami palnymi gazu w objętościach poprzedzających kontakt tego gazu z fazą stałą zawierającą węgiel pierwiastkowy. Przy takim postępowaniu korzystne jest wstępne wprowadzenie do pary wodnej kierowanej do zgazowania określonych ilości par węglowodorów lub/i gazów palnych i poprzez wtrysk tlenu podniesienie temperatury do technologicznie wybranej. Działanie takie jest efektywniejsze od nagrzewania przeponowego samej pary wodnej. Zgodnie z tą zasadą ciąg urządzeń, w których realizowane jest zgazowanie według wynalazku, rozpoczyna komora będąca reaktorem homogenicznym, w której gazy do procesu zgazowania są autotermicznie podgrzewane.

PL 224 212 B1

Przykład wykonania wynalazku przedstawia rysunek, na którym fig. 1 ukazuje schemat ideowy układu zgazowania, fig. 2 - przykładowy rzut poziomy umieszczenia półek sekcji reaktora zgazowania dla wariantu czterech rzędów półek co 90°, fig. 3 - widok aksonometryczny przykładowego rozmieszczenia półek w reaktorze heterogenicznym, a fig. 4 - węgiel o zapopieleniu 40%, pochodzący z instalacji karbonizacji odpadów komunalnych o średniej granulacji 1,1 mm.

Jest to typowy współprądowy reaktor homogeniczny 1, w którym tlen podawany jest przez układ wielodyszowy, a konstrukcja komory zapewnia korzystnie wirowanie postępowe gazu przy przejściu do reaktora heterogenicznego 2.

Następnie tak podgrzany, korzystnie wirujący gorący gaz o temperaturze przynajmniej 970 K kierowany jest do kolejnej komory reakcyjnej, gdzie kontaktuje się i reaguje z fazą stałą. Komora reakcyjna układu heterogenicznego jest urządzeniem rurowym 3, obrotowym, korzystnie pochylonym w kierunku ruchu fazy stałej i gazu, w którym intensywność kontaktu faz zwiększana jest poprzez kurtynowe rozrzucanie rozdrobnionej fazy stałej układem półek 4 spiralnie zamocowanych do ścian reaktora (fig. 2 i 3). Przy czym istotne jest aby zsypywanie fazy stałej z półek było nieprzerwanie, następowało przynajmniej z jednej półki, korzystnie z trzech jednocześnie.

W heterogenicznym reaktorze współprądowym następują reakcje dwutlenku węgla z węglem z wytworzeniem tlenku węgla oraz pary wodnej z węglem z wytworzeniem tlenku węgla i wodoru. Reakcje te biegną dzięki pobraniu ciepła fizycznego gazu, którego temperatura spada w kierunku ruchu faz. Na końcu reaktora heterogenicznego następuje rozdzielenie fazy stałej i gazowej. Gaz kierowany jest do kolejnej komory reaktora homogenicznego, gdzie podgrzewany jest do zadanej technologicznie temperatury poprzez wtrysk kolejnej ilości tlenu i nadawany mu jest ponownie korzystnie ruch wirowy, postępowy. Podgrzany gaz kierowany jest do kolejnego reaktora heterogenicznego, do którego faza stała z poprzedniego reaktora heterogenicznego podawana jest inną drogą niż gaz, bez kontaktu z tlenem. Ciąg kolejnych reaktorów zgazowania, na przemian homogenicznych i heterogenicznych, kończony jest reaktorem heterogenicznym. Ilość urządzeń i ich indywidualne długości obliczane są w funkcji średniej temperatury procesu jaki planuje się ze względów technologicznych oraz wymaganego stopnia przereagowania węgla większego niż 95%.

Claims (5)

1. Sposób zgazowania surowców węglonośnych, karbonizatów i węgli polegający na prowadzeniu go w układzie współprądowym, z przepływem gazu korzystnie burzliwym, znamienny tym, że realizowany jest w szeregu na przemian homogenicznych 1 i heterogenicznych 2 stref reakcji, przy pomocy mieszanki pary wodnej, par węglowodorów i/lub gazów palnych, z wtryskiem do stref reakcji homogenicznych ilości tlenu lub tlenu z parą wodną, która zapewnia podniesienie temperatury strefy homogenicznej do nie więcej niż 1000°C przy czym będący wsadem węgiel lub materiał węglonośny o drobnej granulacji, korzystnie poniżej 2 mm, rozprowadzany jest w objętości strefy reakcji heterogenicznej w sposób mechaniczny, zapewniający nieprzerwane rozwinięcie powierzchni kontaktu rozpraszanej w formie kurtyn fazy stałej z dwutlenkiem węgla i parą wodną, a temperatura gazu pomiędzy kolejnymi strefami reakcji heterogenicznych podnoszona jest do nie więcej niż 1000°C poprzez wtrysk tlenu lub tlenu z parą wodną, regulowany dla każdej strefy reakcji homogenicznej.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do mieszaniny pary wodnej i tlenu podawanej do pierwszego reaktora homogenicznego dodawana jest ilość par węglowodorów i/lub gazów palnych pozwalająca na podniesienie temperatury całości gazów w tym reaktorze powyżej przynajmniej 700°C, korzystnie do 1000°C.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gazowi przy przejściu ze strefy homogenicznej do heterogenicznej nadaje się korzystnie ruch wirowy, postępowy.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zsypywanie fazy stałej z półek reaktorów heterogenicznych prowadzi w sposób nieprzerwany, tak aby zsyp dokonywał się z co najmniej jednej półki 4, a korzystnie z trzech jednocześnie.

5. Układ urządzeń zgazowania surowców węglonośnych, karbonizatów i węgli zawierający współprądowe reaktory homogeniczne i heterogeniczne, znamienny tym, że zestawiony jest z szeregu par reaktorów homogenicznych 1 i heterogenicznych 2 rozpoczynających się reaktorem homogenicznym, przy czym faza stała oraz gazy przemieszczane są pomiędzy reaktorami heterogenicznymi oddzielnymi drogami.