PL227133B1 - Sposób i układ reaktora do wytwarzania gazu o wysokiej zawartosci tlenku wegla ze zgazowania paliw stałych zawierajacych wegiel zwłaszcza ze zgazowania wegla kamiennego, brunatnego, karbonizatów, biomasy lub odpadów energetycznych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ reaktora do wytwarzania gazu o wysokiej zawartości tlenku węgla ze zgazowania paliw stałych zawierających węgiel, zwłaszcza ze zgazowania węgla kamiennego, brunatnego, karbonizatów, biomasy lub odpadów energetycznych, pozwalających na uzyskanie tlenku węgla o niezmiennej zawartości w gazie od 70% do 100% molowych, znajdujących zastosowanie w wytwarzaniu paliw zasilających ogniwa paliwowe, kotły energetyczne, turbiny gazowe, silniki gazowe.

W znanych ze stosowania w ciepłownictwie energetycznym procesach temperaturowego zgazowania rozdrobnionego węgla lub rozdrobnionej biomasy przy pomocy powietrza, mieszanina wylotowa z gazogeneratorów zawiera tlenek węgla CO występujący na poziomie 20% wraz z dwutlenkiem węgla, wodorem, parą wodną, metanem przy wysokiej zawartości azotu dochodzącej do 50%. Znane jest wykorzystanie w procesie zgazowania rozdrobnionej biomasy jako czynnika zgazowującego pary wodnej wraz z powietrzem, jak to ma miejsce w reaktorze z cyrkulującym złożem fluidalnym, austriackiej firmy Biomassekraftwerk Gussing GmbH, zapewniającym w mieszaninie gazów wylotowych występowanie tlenku węgla CO na poziomie 20-30% przy obniżonej zawartości azotu na poziomie 3-5%. Proces zgazowania biomasy charakteryzuje się wzajemnie odseparowanymi strefami, strefą zgazowania i strefą spalania, pomiędzy którymi cyrkuluje materiał złoża, działający jako nośnik ciepła. Biomasa jest podawana do strefy zgazowania wraz z przegrzaną parą wodną, która stanowi czynnik zgazowujący a strumienie gazowe powstające w obu strefach, odbierane są osobno. Tlenek węgla CO odbierany z górnej części strefy zgazowania, występuje na poziomie 40% obok innych gazów jak dwutlenek węgla CO2, para wodna, metan, azot i wodór.

Znany jest również proces temperaturowego zgazowania biomasy przy wykorzystaniu pary wodnej w reaktorze Energy Research Centre of the Netherlands, w którym ciepło do reakcji zgazowania przekazywane jest przeponowo ze strefy spalania przez ściany reaktora. Wewnątrz strefy spalania reaktora z wbudowaną rurą pirolityczną do której wprowadzana jest biomasa, para wodna, materiał inertny, następuje fluidalny przepływ masy reakcyjnej pod wpływem podawanej pary wodnej i wydzielanego gazu pirolitycznego. Mieszanina gazowa odbierana z górnej części reaktora, w postaci tlenku węgla CO i dwutlenku węgla CO2, charakteryzuje się stężeniem tlenku węgla na poziomie 33-40% i obniżoną zawartością azotu rzędu 4%.

Znany jest ponadto ze stosowania, sposób otrzymywania tlenku węgla CO wspólnie z dwutlenkiem węgla CO2 z paliwa węglowego w reaktorach gazowych w wyniku endotermicznej reakcji Boudouarda C + CO₂ 2CO, polegającej na zgazowaniu złoża węgla dwutlenkiem węgla CO₂ w obecności katalizatora, w wyniku czego uzyskuje się tlenek węgla CO. Ciepło niezbędne do przeprowadzenia reakcji Boudouarda zapewnia tlen O2 występujący w mieszaninie czynnika zgazowującego, który reaguje z węglem w reakcji egzotermicznej, jak to zostało opisane na przykład w polskim opisie zgłoszeniowym P-389372. Reaktor w którym przebiega proces chemicznego zgazowania rozdrobnionego węgla przy pomocy dwutlenku węgla CO2, zawiera rurę reakcyjną wypełnioną rozdrobnionym węglem oraz katalizator zwiększający powierzchnię reakcyjną i przyspieszający wymianę ciepła. Gorący, ogrzany poza rurą reakcyjną do temperatury około 1000°C, dwutlenek węgla CO2 jest podawany z dołu rury reakcyjnej reaktora do złoża węglowego w przeciwprądzie do jego opadania w rurze reakcyjnej. Powstały w wyniku przepływu dwutlenku węgla CO2 przez złoże węglowe, gaz wylotowy stanowi mieszaninę tlenku węgla CO oraz dwutlenku węgla CO2, przy czym tlenek węgla CO, stanowiący produkt końcowy procesu zgazowania, występuje na poziomie poniżej 40%. Brak kontroli parametrycznej procesu zgazowania, zwłaszcza w zakresie utrzymania stałości temperatury węglowego złoża paliwowego, brak jednorodności czynnika zgazowującego mającej wpływ na przebieg reakcji Boudouarda, są przyczyną zarówno niewystarczająco wysokiej zawartości tlenku węgla CO w gazie wylotowym z reaktora, jak i niestabilnej wartości jego stężenia.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i reaktora do wytwarzania w procesie zgazowania paliwa stałego zawierającego węgiel C, gazu o wysokiej zawartości tlenku węgla CO od 70%-100% molowych, i stałej wartości stężenia, spełniającego standardy paliwa zasilającego ogniwa paliwowe, kotły energetyczne, turbiny gazowe, silniki gazowe.

Istota sposobu wytwarzania gazu o wysokiej zawartości tlenku węgla ze zgazowania rozdrobnionych paliw stałych zawierających węgiel C, zwłaszcza ze zgazowania węgla kamiennego, brunatnego, karbonizatów, biomasy lub odpadów energetycznych, wykorzystujący gorący dwutlenek węgla wprowadzany przeciwprądowo do kierunku opadania złoża paliwowego w reaktorze oraz reakcję zgaPL 227 133 B1 zowania złoża paliwowego gorącym dwutlenkiem węgla, według wynalazku polega na tym, że rozdrobnione paliwo stałe zawierające węgiel C, jest podawane przez górną część rurowego reaktora do osadzonej w pokrywie rurowego reaktora koncentrycznej rury separacyjnej a dwuskładnikowy czynnik zgazowujący w postaci dwutlenku węgla CO2 i tlenu O2 jest poddawany ujednorodnieniu przestrzennemu w komorze mieszającej, skąd przez skrzynię gazowego czynnika zgazowującego jest podawany do usytuowanego nad rusztem korzystnie szczelinowym, złoża paliwowego zawierającego węgiel C, przeciwprądowo do kierunku jego opadania, przy czym temperatura dolnej części złoża paliwowego usytuowanej bezpośrednio nad rusztem, jest utrzymywana w przedziale 700-1000°C poprzez zmianę wielkości dopływu tlenu O2 przy pomocy pierwszego zaworu regulacyjnego. Ponadto do złoża paliwowego zawierającego węgiel C usytuowanego nad rusztem korzystnie szczelinowym jest doprowadzane ciepło, utrzymujące temperaturę górnej części złoża paliwowego w przedziale 700-1000°C, uzyskane ze spalania gazu niskokalorycznego, korzystnie odpadowego w walcowym dopalaczu usytuowanym na zewnątrz reaktora rurowego, przenoszone w przestrzeni między zewnętrzną ścianą reaktora rurowego a wewnętrzną ścianą walcowego dopalacza, przy czym ilość ciepła przenoszonego jest regulowana wielkością dopływu powietrza dodatkowego do przestrzeni między zewnętrzną ścianą reaktora rurowego i wewnętrzną ścianą walcowego dopalacza przy pomocy drugiego zaworu regulacyjnego, po czym wydzielony po przejściu przez złoże paliwowe tlenek węgla CO stanowiący produkt wyjściowy, jest kierowany do przestrzeni między zewnętrzną ścianą rury separacyjnej i wewnętrzną ścianą reaktora rurowego, skąd po separacji cząstek stałych jest odbierany w górnej części reaktora rurowego i poddawany oczyszczaniu z zanieczyszczeń stałych w cyklonie, oraz z zanieczyszczeń lotnych w układzie filtrów, a następnie pozostałość procesu zgazowania jest poprzez szczeliny rusztu wydalana do odbieralnika pozostałości zgazowania, skąd przy pomocy podajnika pozostałości zgazowania jest kierowana do zbiornika magazynującego.

Istota układu reaktora do wytwarzania gazu o wysokiej zawartości tlenku węgla CO ze zgazowania rozdrobnionych paliw stałych zawierających węgiel C, zwłaszcza ze zgazowania węgla kamiennego, brunatnego, karbonizatów, biomasy lub odpadów energetycznych, zawierającego zbiornik paliwa wsadowego, podajnik paliwa wsadowego, ruszt, zbiornik dwutlenku węgla jako czynnika zgazowującego, podajnik pozostałości zgazowania i zbiornik pozostałości zgazowania według wynalazku polega na tym, że w górnej pokrywie reaktora rurowego, połączonej przez podajnik węglowego paliwa wsadowego z ciśnieniowym zbiornikiem węglowego paliwa wsadowego, zamontowana jest koncentrycznie rura separacyjna, której wysokość wynosi od 0,15 do 0,5 wysokości reaktora rurowego, przy czym zewnętrzna ściana reaktora rurowego jest otoczona walcową powierzchnią dopalacza korzystnie na całej wysokości reaktora rurowego, a przestrzeń między zewnętrzną ścianą reaktora rurowego i wewnętrzną ścianą walcowego dopalacza jest wypełniona medium gazowym. Ponadto w dolnej części reaktora rurowego, pod rusztem korzystnie szczelinowym znajduje się skrzynia czynnika zgazowującego połączona rurą pośredniczącą z komorą mieszającą składniki gazowego czynnika zgazowującego oraz odbieralnik pozostałości zgazowania wydzielony korzystnie w skrzyni gazowego czynnika zgazowującego, połączony przez podajnik pozostałości zgazowania ze zbiornikiem magazynującym stałej pozostałości zgazowania.

Dzięki zastosowaniu według wynalazku ujednorodniającego mieszania składników czynnika zgazowującego oraz utrzymaniu stałej wysokiej temperatury złoża paliwowego w jego części dolnej i górnej, stanowiący produkt wyjściowy gaz wylotowy zawiera tlenek węgla CO na poziomie 70%-100% molowych.

Wynalazek został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schematycznie reaktor chemiczny wytwarzający w wyniku zgazowania rozdrobnionego paliwa węglowego gaz końcowy o zawartości tlenku węgla CO na poziomie 80% molowych.

Przedstawiony na rysunku reaktor rurowy 1 posiada zamocowaną w jego pokrywie górnej rurę separacyjną 4 usytuowaną koncentrycznie do ścian reaktora. Rura separacyjna 4 jest połączona przy pomocy podajnika ślimakowego 2 z ciśnieniowym zbiornikiem 3 wsadowego paliwa węglowego.

Według wynalazku długość rury separacyjnej 4 wynosi 0,15-0,5 wysokości reaktora rurowego 1 przykładowo 0,3 jego wysokości. Na zewnątrz, reaktor rurowy 1 jest otoczony powierzchnią walcową dopalacza 5, przy czym między ścianą zewnętrzną reaktora rurowego 1 a wewnętrzną powierzchnią walcową dopalacza 5 znajduje się przestrzeń, poprzez którą jest przenoszone ciepło wytworzone w dopalaczu 5 w wyniku spalania niskokalorycznego gazu odpadowego z innych reakcji. W dolnej części reaktora rurowego 1 jest zainstalowany ruszt szczelinowy 6, pod którym umieszczona jest skrzynia 7 gazowego czynnika zgazowującego połączona z wylotem komory mieszającej 10 dwu4

PL 227 133 B1 składnikowego według wynalazku czynnika zgazowującego w postaci dwutlenku węgla CO2 i tlenu O2.

Komora mieszająca 10 zapewnia przestrzenną jednorodność dwuskładnikowego czynnika zgazowującego przed skierowaniem go do węglowego złoża paliwowego, nad rusztem szczelinowym 6. Poniżej rusztu szczelinowego 6 znajduje się odbieralnik pozostałości procesu zgazowania w postaci popiołu, wydzielony w skrzyni 7, połączony przez podajnik 8 ślimakowy ze zbiornikiem popiołu 9. Objętość odbieralnika popiołu stanowi od 20% do 50% objętości zbiornika 3 węglowego paliwa wsadowego. Rozdrobnione paliwo węglowe zmagazynowane w ciśnieniowym zbiorniku 3 węglowego paliwa wsadowego jest podawane podajnikiem ślimakowym 2 do osadzonej koncentrycznie w górnej pokrywie reaktora rurowego 1, rury separacyjnej 4, stanowiącej 1/3 długości reaktora rurowego 1. Czynnik zgazowujący według wynalazku złożony z dwutlenku węgla CO2 i tlenu O2 jest podawany do komory mieszającej 10, w której jego skład podlega ujednorodnieniu przestrzennemu, po czym ujednorodniony czynnik zgazowujący podawany jest do skrzyni 7 gazowego czynnika zgazowującego. Składniki czynnika zgazowującego w postaci dwutlenku węgla CO2 i tlenu O2 przepływając przez węglowe złoże paliwowe utworzone nad szczelinowym rusztem 6, wchodzą w reakcję z węglem C zawartym w węglowym złożu paliwowym, odpowiednio dwutlenek węgla CO2 w reakcję C + CO2 = 2CO i tlen O2 w reakcję C + O2 = CO2. Ujednorodnienie składu czynnika zgazowującego według wynalazku przez przestrzenne wymieszanie tlenu O₂ i dwutlenku węgla CO₂ w komorze mieszającej 10 zapewnia wyeliminowanie zakłóceń procesu zgazowania spowodowanych niejednorodnym rozkładem temper atur w węglowym złożu paliwowym. Temperatura Ti dolnej części węglowego złoża paliwowego usytuowanej bezpośrednio nad rusztem szczelinowym 6 jest kontrolowana według wynalazku wielkością przepływu tlenu O₂, regulowanego przy pomocy zaworu regulującego Z2. W wyniku tego średnia temperatura T2 dolnej części węglowego złoża paliwowego w obszarze usytuowanym bezpośrednio nad rusztem szczelinowym 6, jest utrzymana na wysokim poziomie i stała w przedziale 700°C-1000°C. Podgrzany dwutlenek węgla CO₂ reaguje z węglem C złoża paliwowego powyżej rusztu szczelinowego 6 w reakcji Bouduarda C + CO₂ = 2CO. Ponieważ reakcja ta jest silnie endotermiczna, do podtrzymania jej przebiegu doprowadzane jest ciepło z dopalacza walcowego 5 obejmującego na całej wysokości reaktora zewnętrzną powierzchnię rurowego reaktora 1.

Według wynalazku do górnej części walcowego dopalacza 5 podawany jest gaz palny niskokaloryczny, na przykład gaz odpadowy z innych procesów ciepłowniczych, który spalany wytwarza ciepło przenoszone w przestrzeni utworzonej między zewnętrzną ścianą reaktora rurowego 1 a wewnętrzną ścianą walcowego dopalacza 5, do której wprowadzane jest z góry powietrze dodatkowe. Przekazywanie ciepła według wynalazku odbywa się przez promieniowanie cieplne i konwekcję. Jeżeli prędkość przepływu powietrza dodatkowego jest mała, przykładowo poniżej 300 Re, przepływ ciepła odbywa się głównie przez promieniowanie cieplne, ogrzewające powierzchnię reaktora rurowego 1 na całej wysokości, natomiast gdy prędkość przepływu powietrza dodatkowego jest znaczna, przykładowo powyżej 2000 Re, przepływ ciepła odbywa się przez promieniowanie cieplne i przez konwekcję, a część ciepła jest wynoszona na zewnątrz reaktora rurowego i w strumieniu powietrza wylotowego. Węglowe paliwo wsadowe podawane jest do reaktora rurowego 1 przez rurę separacyjną 4 i w górnej części złoża paliwowego ulega wstępnemu odgazowaniu w temperaturze T1 w zakresie 700°C-1000°C, przykładowo 900°C, co powoduje przejście węgla C w węglowym paliwie wsadowym, z fazy stałej do fazy gazowej.

W dolnej części, węglowe złoże paliwowe jest zubożone w węgiel C ponieważ nieprzereagowany węgiel C ulega zgazowaniu w obecności czynnika zgazowującego dzięki wysokiej temperaturze T2 w zakresie 700°C-1000°C, przykładowo 900°C, utrzymywanej nad rusztem szczelinowym 6 zapewniającej wysoki stopień konwersji paliwa. Wydzielony podczas przepływu czynnika zgazow ującego przez węglowe złoże paliwowe nad rusztem szczelinowym 6 gaz, stanowiący produkt wyjściowy reakcji zgazowania, wpływa do wylotowej przestrzeni rurowej utworzonej między zewnętrzną ścianą rury separacyjnej 4 i wewnętrzną ścianą reaktora rurowego 1, gdzie następuje separacja cząstek stałych porywanych przez gaz wylotowy, który po wstępnym oczyszczeniu jest odbierany w górnej części rurowego reaktora 1 króćcem bocznym, a następnie poddany oczyszczaniu z zani eczyszczeń stałych w cyklonie 11 oraz zanieczyszczeń lotnych w układzie filtrów 12. Stała pozostałość po procesie zgazowania w postaci popiołu, zawierająca głównie części nieorganiczne, spada przez szczeliny rusztu 6 do odbieralnika popiołu stanowiącego przykładowo wydzieloną część skrzyni 7 czynnika zgazowującego, skąd przy pomocy podajnika 8 przykładowo ślimakowego jest transportowany do magazynującego zbiornika popiołu 9.

PL 227 133 B1

Zastosowanie w sposobie zgazowania paliwa węglowego według wynalazku, przeponowego dostarczania ciepła ze spalenia produktów odpadowych, do reakcji Boudourda, pozwala na wykorzystanie dwutlenku węgla CO2 w ilości 1 kmola, w stosunku do 1 kmola węgla C zawartego w węglowym paliwie wsadowym oraz wytwarzanie gazu o wysokiej do 100% molowych zawartości tlenku węgla CO. Ponadto zaletą wynalazku jest znaczne wydłużenie okresu czasu pracy reaktora bez dostarczania węglowego paliwa wsadowego.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób wytwarzania gazu o wysokiej zawartości tlenku węgla ze zgazowania rozdrobnionych paliw stałych zawierających węgiel C, zwłaszcza ze zgazowania węgla kamiennego, brunatnego, karbonizatów, biomasy lub odpadów energetycznych, wykorzystujący gorący dwutlenek węgla wprowadzony przeciwprądowo do kierunku opadania złoża paliwowego w reaktorze oraz reakcję zgazowania złoża paliwowego przez przepływ gorącego dwutlenku węgla, znamienny tym, że rozdrobnione paliwo stałe zawierające węgiel C jest podawane przez górną część rurowego reaktora (1) do umieszczonej korzystnie koncentrycznie w pokrywie reaktora rurowego (1) rury separacyjnej (4), a dwuskładnikowy czynnik zgazowujący w postaci dwutlenku węgla CO₂ i tlenu O₂ jest poddawany ujednorodnieniu przestrzennemu w komorze mieszającej (10) a następnie przez skrzynię (7) gazowego czynnika zgazowującego jest podawany do usytuowanego nad rusztem (6) korzystnie szczelinowym, złoża paliwowego zawierającego węgiel C, przeciwprądowo do kierunku jego opadania w reaktorze rurowym (1), przy czym temperatura (T₂) dolnej części złoża paliwowego zawierającego węgiel C, usytuowanej bezpośrednio nad rusztem (6) korzystnie szczelinowym, jest utrzymywana w przedziale 700°C-1000°C poprzez zmianę wielkości dopływu tlenu O₂ przy pomocy zaworu regulacyjnego Z2, ponadto do złoża paliwowego zawierającego węgiel C, usytuowanego nad rusztem (6), korzystnie szczelinowym jest doprowadzane ciepło utrzymujące temperaturę (Ti) górnej części złoża paliwowego w przedziale 700°C-1000°C, uzyskane ze spalania gazu niskokalorycznego korzystnie odpadowego w walcowym dopalaczu (5), usytuowanym na zewnątrz reaktora rurowego (1), przenoszone między zewnętrzną ścianą reaktora rurowego (1) i wewnętrzną ścianą walcowego dopalacza (5), przy czym ilość przenoszonego ciepła regulowana jest wielkością dopływu powietrza dodatkowego do przestrzeni między zewnętrzną ścianą reaktora rurowego (1) i wewnętrzną ścianą walcowego dopalacza (5) przy pomocy zaworu regulacyjnego (Z1), po czym wydzielony po przejściu przez złoże paliwowe, tlenek węgla CO stanowiący produkt wyjściowy, jest kierowany do przestrzeni między zewnętrzną ścianą rury separacyjnej (4) i wewnętrzną ścianą reaktora rurowego (1), skąd po separacji cząstek stałych jest odbierany z górnej części reaktora rurowego (1) i poddawany oczyszczaniu z zanieczyszczeń stałych w cyklonie (11) oraz z zanieczyszczeń lotnych w układzie filtrów (12), a następnie pozostałość procesu zgazowania jest poprzez szczeliny rusztu (6) wydalana do odbieralnika pozostałości zgazowania, skąd przy pomocy podajnika (8) pozostałość zgazowania jest kierowana do zbiornika magazynującego (9).

2. Układ reaktora do wytwarzania gazu o wysokiej zawartości tlenku węgla ze zgazowania rozdrobnionych paliw stałych zawierających węgiel C, zwłaszcza ze zgazowania węgla kamiennego, brunatnego, karbonizatów biomasy oraz odpadów energetycznych zawierający zbiornik paliwa wsadowego, podajnik paliwa wsadowego, rurę reakcyjną wprowadzającą paliwo wsadowe, ruszt, zbiornik dwutlenku węgla jako czynnika zgazowującego, podajnik pozostałości zgazowania oraz zbiornik pozostałości zgazowania, znamienny tym, że w górnej pokrywie reaktora rurowego (1) połączonej przez podajnik paliwa wsadowego (2) korzystnie ślimakowy ze zbiornikiem ciśnieniowym (3) wsadowego paliwa zawierającego węgiel C jest zainstalowana koncentrycznie rura separacyjna (4), której wysokość wynosi od 0,15 do 0,5 wysokości reaktora rurowego (1), przy czym zewnętrzna ściana reaktora rurowego (1) jest otoczona walcową powierzchnią dopalacza (5), korzystnie na całej wysokości reaktora rurowego (1) a przestrzeń między zewnętrzną ścianą reaktora rurowego (1) i wewnętrzną ścianą walcowego dopalacza (5) jest wypełniona medium gazowym, ponadto w dolnej części reaktora rurowego (1), pod rusztem (6) korzystnie szczelinowym

PL 227 133 B1 znajduje się skrzynia (7) gazowego czynnika zgazowującego, połączona rurą pośredn iczącą z komorą mieszającą (10) składniki gazowego czynnika zgazowującego oraz odbieralnik pozostałości zgazowania, wydzielony korzystnie w skrzyni (7) gazowego czynnika zgazowującego, połączony przez podajnik pozostałości zgazowania (8) ze zbiornikiem magazynującym (9).