RO132583B1 - Instala- ţie de gazificare atmosferică a biomasei/ deşeurilor solide, cu control avansat al regimului gazodinamic şi termic - Google Patents

Description

Invenția se referă la o instalație de gazificare atmosferică biomasă/deșeuri solide.

Se cunoaște din documentul BG 1944 U1 o instalație de carbonizare termochimică și de gazificare a biomasei, care constă dintr-un reactor de carbonizare (1), conectat în partea sa superioară la un rezervor receptor (2), în care este stocată biomasă umedă și/sau uscată. Reactorul de carbonizare (1) este conectat la un recipient de răcire (9), adesea numit container tampon pentru stocarea temporară a purtătorului de energie rezultat. Containerul de răcire (9) este conectat la un reactor de gazificare (16). Reactorul de carbonizare (1), recipientul de răcire (9) și reactorul de gazificare (16) sunt conectate direct și/sau indirect prin conducte (28 și 30), cu un rezervor pentru stocarea gazului de reacție (21), obținut ca rezultatul proceselor supuse carbonizării în reactorul (1) și reactorul de gazificare (16). Acestea sunt conectate direct printr-o conductă (31). Reactorul de gazificare (16) este conectat printr-o conductă (34) la un dispozitiv de procesare (36), pe de o parte, și pe de altă parte - cu un consumator de energie diferit (48), este acoperit cu un element de încălzire (4), iar recipientul de răcire (9), reactorul de gazificare (16) și rezervorul pentru stocarea gazului de reacție (21) sunt acoperite cu mante de răcire (51 și 52). Reactorul de carbonizare (1) și recipientul de răcire (9), în părțile lor superioare și inferioare, sunt echipate cu dispozitive (13) pentru deschidere și închidere, asigurând o izolare completă a sistemului.

Se cunoaște din brevetul R0125451 B1, o instalație pentru gazificarea biomasei cum ar fi, de exemplu, deșeuri lemnoase, inclusiv rumeguș, deșeuri vegetale și animale etc. Instalația are un buncăr (1) pentru depozitarea biomasei care este transportată către un reactor (R) pentru gazificare, prin intermediul unui transportor (2) elicoidal de biomasă și al unui dispozitiv (3) rotativ, aflat în legătură cu o supapă (4) de tip puise jet valve, sau este transportată prin intermediul unei supape (6) de tip puise jet valve, ce realizează alimentarea/injectarea pulsatorie cu biomasă a reactorului (R) și care injectează biomasa pulsatoriu și tangențial, printr-o conductă (7) de alimentare; reactorul (R) are un corp format dintr-o cameră (9) de ardere centrală, un corp (10) inferior conic, precum și un corp (11) superior cilindric, și este prevăzut cu un tub (8) central, căptușit cu beton refractar și închis la partea superioară cu un capac (a) sudat, aflat în legătură cu conducta (7) de alimentare cu biomasă, concentric cu un tub (12) intermediar; pe tubul (12) intermediar se sprijină o sită (13) conică inferioară, concentrică cu o sită (14) conică superioară, care se sprijină pe corpul (11) superior cilindric și este în legătură cu un ciclon (15) de separare; la partea superioară a corpului (11) superior cilindric este prevăzută o conductă (16) pentru evacuarea gazului de sinteză obținutîn reactor (R); spațiul dintre corpul reactorului (R), cilindrul (12) intermediar, sitele (13 și 14) conice și baza ciclonului (15) de separare se umple cu un material (18) refractar, cu granulație controlată, în tubul (8) central este prevăzut un injector (19) pentru aer de ardere, la baza corpului (10) inferior conic este prevăzut un dispozitiv (20) cu o supapă, de tip puise jet valve, de transport pneumatic a materialului granular, a cenușii și cărbunelui, rezultate în urma procesului de gazificare către ciclon (15).

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în realizarea conversiei biomaselor și/sau deșeurilor cu umiditate ridicată și potențial risc biologic din descompunerea lor, în vederea obținerii unui gaz combustibil de sinteză curat, care poate fi valorificat în motoare cu ardere internă.

Instalația de gazificare atmosferică biomasă/deșeuri solide care este constituită dintro unitate A de conversie a deșeurilor organice în gaz de sinteză, formată dintr-un tocător (1) pentru mărunțire până la o granulație de 10...18 mm, un sas (2) pentru alimentarea controlată cu deșeu a unui uscător (3) pentru reducerea conținutului de umiditate higrosopică și de îmbibație al deșeului, un șnec (4) transportor, un ventilator (5) aer pentru circulația generală a substanțelor gazoase, un preîncălzitor (6) de aer în legătură cu un reactor (7) de gazificare

RO 132583 Β1 deșeuri solide în pat fix înlătură dezavantajele de mai sus prin aceea că, ventilatorul de 1 recirculare (8) preia gazele umede din zona superioară a reactorului și le introduce în zona inferioară a acestuia , astfel încât circulația relativă a fluxurilor de combustibil-cenușă și de 3 gaze-vapori are loc în partea superioară a reactorului în contracurent, iar în partea inferioară a acestuia în echicurent. 5

Analiză simplificată („proximă) a combustibililor solizi în „stare inițială are loc în 3 etape, în cadrul cărora sunt puse în evidență o serie de componente, după cum urmează: 7

- uscarea controlată, termică, la presiune atmosferică și la o temperatură ușor superioară celei de 100°C (uzual 105°C). în cadrul acestei faze se elimină, sub formă de 9 vapori, umiditatea de îmbibație și higroscopică, partea rămasă fiind proba anhidră.

- termoliza probei anhidre, prin încălzire anaerobă de la 105°C până la 800°C; în 11 cursul ei se degajă „volatile. Partea rămasă este „reziduul solid de termoliză. Amintim că fracțiile volatile se clasifică după temperaturile la care se degajă, și, mai important, după 13 temperaturile lor de condensare la presiunea atmosferică. După al doilea criteriu deosebim volatile tip: „gaze (care condensează la temperaturi comparabile cu cele ambientale) și 15 „gudroane (care condensează la temperaturi mai mari);

- arderea în O₂ a reziduului solid de termoliză. Partea care nu arde este „cenușa, iar 17 partea combustibilă este numită convențional „cocs sau „carbon fix.

Analiza avansată, „elementală a combustibililor solizi detaliază compoziția acestora,19 determinând, prin procedee chimice, ponderile procentuale ale elementelorîn componentele probei anhidre.21

Scopul gazeificării combustibililor solizi este producerea de combustibili gazoși, pornind de combustibili solizi. Principalul proces prin care se produc din carbon, gaze 23 combustibile e reacția de reducere dintre C și vaporii de H₂O:

C +H₂O-CO+H₂(E1).25

Reacția are loc la temperaturi ridicate și este endotermă. O parte a H₂ din (E1) se poate combina cu carbonul. Reacția de „metanizare:27

2H₂ + C - CH₄ (E2) este exotermă, dar nu acoperă cererea de căldură a (E1). Pentru a satisface cererea de căldură a reacției endoterme, se poate oxida parțial o cotă din carbon: 29

C + 1 /2(O₂) - CO, (E3), și, eventual, se oxidează în continuare CO rezultat din (E1) și (E2):31

CO + 1/2(O₂) - CO₂ (E4).

Gazificarea nu este un procedeu tehnic nou. Primele instalații de gazificare a 33 cărbunilor superiori sau cocsului au fost realizate în urmă cu 150 de ani [1,2], iar rețelele de transport și distribuție a gazului de gazogen au apărut cu mult înaintea celor de gaz natural. 35 în acest timp s-au dezvoltat diferite tehnologii de gazificare. în literatura de specialitate [1, 2] acestea sunt clasificate după diferite criterii: 37

C.1. După prezența (sau lipsa) O₂ în mediul de gazificare, deosebim: (C.1.1.) gazificare în atmosferă ce conține doar vapori de H₂O și (C. 1.2.) gazificare cu vapori de H₂O 39 Și O₂.

C.2. După agentul de oxidare (în cazul 2 de mai sus), deosebim:(C.2.1.) Oxi- 41 gazeificare cu O₂ cvasi pur), (C.2.2.) gazificare cu aer „îmbogățit (în O₂) și (C.2.3.) cu aer.

C.3. După presiunea de lucru, avem: (C.3.1.) procese de gazificare la presiune 43 atmosferică, sau (C.3.2.) gazificare sub presiune.

C.4. După modul de menținere a masei solide în gazificator, deosebim: (C.4.1.) 45 gazificare pe grătar („pat fix), (C.4.2.) în pat fluidizat și (C4.3.) în flux pulverizat.

RO 132583 Β1 în paralel cu dezvoltarea procedeelor de gazificare a cărbunilor superiori (antracit, huilă antracitoasă ș.a.), s-au dezvoltat tehnologii de gazificare a cărbunilor mai “tineri” (cărbune brun, lignit, turbă ș.a.), a biomasei și a unor deșeuri combustibile (sau măcar incinerabile), care au cote de carbon combustibil “fix” mai mici decât cărbunii superiori, cote de volatile mai mari și umidități mai ridicate. Conversia în syngaz a masei organice din asemenea materii prime se face într-un proces combinat de piroliză + gazificare (denumire completă: “piro-gazificare”, denumire prescurtată: “gazificare”), în următoarele etape:

- uscarea (vaporii de H₂O din acest proces fiind redirecționați spre zona de gazificare);

- piroliză (din care rezultă volatile combustibile și reziduul solid care conține cocsul);

- arderea (în principal a „volatilelor; ea dezvoltă căldura pentru uscare și reducere); - reacția de reducere dintre vaporii de H₂O și carbonul din cocs.

Folosirea gazificării ca tehnologie de tratare și neutralizare a deșeurilor permite, la fel ca arderea directă și ca incinerarea cu combustibil suport ajutător, recuperarea unei cote din potențialul lor energetic și minimizarea emisiilor poluante, inclusiv a deșeurilor “finale”. Față de ardere/incinerare, gazeificarea poate elimina cererea de combustibil suport și produce combustibili gazoși, mai “curați” ecologic, mai ușor de transportat și stocat și valorificabili în mașini termice cu ardere internă, de tip Instalații de Turbine cu Gaze (ITG) sau Motoare cu Piston (MP). Cum efectul de scală asupra randamentului este mai redus, acestea ating la puteri unitare de zeci sau sute de kW randamente superioare ciclurilor cu abur de câțiva MW.

Reactorul instalației de gazificare a biomasei/deșeurilor solide ce face obiectul prezentei propuneri de invenție se încadrează după criteriul C.1. în categoria C.1.2, cu gazeificare în atmosferă cu vapori de H₂O și O₂, după criteriile C.2. și C.3. în categoria celor „atmosferice, pentru că agentul de oxidare este aerul (C.2.3.) și pentru că procesul are loc la presiunea atmosferică (C.3.1.), iar după criteriul C.4. printre cele pe grătar, sau cu „pat fix (C.4.1.).

La gazificarea pe grătar, materiile solide granulate (combustibil-cenușă) circulă descendent gravitațional. în cele două exemple din fig. 1. și fig. 2. [1,2, 3, 4, 5] se observă că masa combustibilă gazificabilă intră prin racordul superior (a), iar cenușa care cade prin ochiurile grătarului este preluată de un schneck și evacuată prin racordul inferior (b). Adâncirea clasificării acestor gazificatoare se face urmărind circulația relativă a celor două fluxuri masa solidă și substanțele în stare gazoasă sau de vapori (aerul, vaporii de H₂O și gazul de sinteză) [1,2], Pentru descrierea construcției și funcționării reactorului instalației ce face obiectul prezentei propuneri de invenție vom porni de la analiza a două tipuri de gazificatoare care sunt cele mai asemănătoare cu el, la care vaporii și gazele au circulația pe direcție verticală. în funcție de sensul de circulație a gazelor în raport cu cel al substanțelor solide, acestea din urmă pot fi [1, 2]:

- cu circulație în echicurent, sau „downdraft (fig. 1.) [1, 2, 3, 4], La acesta fluxul de combustibil-cenușă parcurge pe rând zonele de: uscare (c), piroliză (d), oxidare (e) și reducere (f). Aerul e introdus prin racordurile (g) aflate în dreptul zonei de oxidare iar fluxul de gaze și vapori de H₂O circulă doar prin zonele (e) și (f) ale reactorului, în sens descendent ca și materiile solide. Gazul de sinteză fierbinte trece prin grătar și se evacuează din reactor prin racordul (h). Principalele avantaje ale gazificatoarelor cu această schemă relativă de curgere sunt acelea că permit transferul direct al căldurii dezvoltate prin ardere în zona (e) către zonele imediat vecine, care necesită căldură de proces: zona de piroliză (d) și cea de reducere (f). în plus gazul, fiind evacuat din zona de temperaturi ridicate, nu conține

RO 132583 Β1 gudroane și poate fi folosit în mașini termice cu ardere internă (ITG sau MP). Această 1 schemă de curgere are însă și două dezavantaje mai importante. Primul este că vaporii de H₂O degajați în zona de uscare (c) ajung greu în zona de reducere (f), unde sunt necesari 3 în reacția de gazificare. Al doilea este că transferul căldurii dezvoltate în zona (e) spre zona de uscare (crește dificil, fapt ce reduce eficiența uscării și duce la intrarea în zona de piroliză 5 a masei solide în stare umedă);

- cu circulație în contracurent, sau „updraft (fig. 2.) [1, 2, 5], La acesta aerul e 7 introdus pe sub grătar prin racordul (g) poziționat în partea inferioară a reactorului, iar racordul (h) de evacuare a gazului de sinteză, este în partea superioară a vasului. Ca urmare 9 fluxul de gaze și vapori de H₂O circulă în sens ascendent, în contracurent cu materiile solide, prin toate zonele reactorului. Fluxul de combustibil introdus pe la partea superioară parcurge 11 pentru început zonele de uscare (c) și piroliză (d) în aceeași ordine ca mai sus. în continuare produsul de piroliză trece prin zona de reducere și apoi prin cea de oxidare (e), iar cenușa 13 rămasă se evacuează, ca mai sus, de sub grătar. Principalul avantaj ale acestei scheme de curgere relativă este acela că asigură atât transferul direct al căldurii dezvoltate prin 15 ardere în zona (e) către zona de reducere (f), cât și transferul indirect, prin fluxul de gaze fierbinți, al acestei călduri spre zonele de piroliză și uscare (c), mărind eficiența uscării și 17 permițând intrarea în zona de piroliză a masei solide mai uscate. Un prim dezavantaj al schemei, prezent și în cazul anterior, este acela că nu asigură transferul vaporilor de H₂O 19 degajați la uscare spre zona de reducere (f), unde sunt necesari în reacția de gazificare. Un alt dezavantaj este acela că gazul evacuat din zona de temperaturi coborâte, după zonele 21 de piroliză și uscare conține gudroane. El poate fi valorificat prin ardere directă în vecinătatea sursei, dar nu poate fi folosit în mașini termice cu ardere internă (ITG sau MP) și nu poate 23 fi transportat la distanță.

Descrierea mai sus a celor două tipuri de gazificatoare mai apropiate de cel cu care 25 este prevăzută instalația din prezenta propunere de invenție, ne va permite să evidențiem, în subcapitolul următor, elementele originale ale gazificatorului cu care propunem să fie 27 dotată instalația, precum și avantajele acestuia în raport cu reactoarele uzuale de gazificare „pe grătar. în plus, instalația propusă spre brevetare în ansamblul ei, concepută pentru 29 gazificarea unor biomase/deșeuri organice cu potențial risc biologic, conținut ridicat de umiditate, mai are și alte elemente originale care vor fi prezentate în continuare. 31

Descrierea construcției și funcționării instalației ce face obiectul cererii de brevet: Funcționarea instalației este următoarea: se introduce biomasă/deșeuri solide 33 în tocătorul (1) în care se mărunțește mecanic masa organică până la o la o granulație de 10...18 mm. Masa organică mărunțită trece prin sasul (2) din care se alimentează în mod 35 constant uscătorul (3) unde se reduce conținutul de umiditate higroscopică și de îmbibație al acesteia prin încălzire directă cu gaz de sinteză. Deșeul este introdus cu ajutorul unui șnec 37 (4) în reactorul (7) de gazificare. Aerul pentru proces este introdus cu ventilatorul de aer (5) în preîncalzitorul (6) de aer unde este preîncalzit cu gaz de sinteză fierbinte care provine din 39 reactorul (7) de gazeificare. Ventilatorul (8) de recirculare gaze preia gaze de proces (substanțe volatile si vapori de apa) degajate prin încălzirea deșeului în partea superioara 41 a reactorului (7) și le introduce în partea inferioară a acestuia în zona de reacție oxido-reducătoare. Gazul de sinteză produs în reactorul (7) este evacuat către preîncălzitorul (6) de aer 43 unde cedează căldură sensibilă în vederea preîncălzirii aerului de alimentare și către snecul (4) de alimentare unde cedează căldură sensibilă în vederea preîncălzirii deșeului înainte 45 de introducere în reactor. După parcugerea snecului (4) de alimentare, gazul de sinteză este introdus în uscătorul (3) unde, prin contact direct cu deșeul reduce umiditatea acestuia. După 47 parcurgerea preîncălzitorului (6) de aer si a uscătorului (3) gazul de sinteză este introdus în

RO 132583 Β1 răcitorul (9) de gaz de sinteză treapta 1 unde este răcit cu apă si sunt reținuți compușii volatili condensabili (gudronul) într-un sistem de 3 site metalice. Gazul răcit la temperatura de condensare a vaporilor de apă este introdus în scruberul (10) unde are loc reținerea eventualilor compuși poluanți acizi. Gazul de sinteză curățat este introdus în răcitorul (11) treapta 11 în vederea reținerii vaporilor de apă utilizând un schimbător de căldură de suprafață răcit cu apă. Gazul de sinteză este introdus în gazometrul (12) care are rol de rezervor tampon cu funcție de stocare și atenuare a eventualelor fluctuații de presiune și debit. La ieșirea din gazometrul (12) gazul de sinteză trece printr-un filtru (13) de particule de tip sac în vederea reținerii pulberilor foarte fine, dacă acestea există, fiind gata pentru utilizare drept combustibil gazos în motoare cu ardere internă sau turbine cu gaze.

Fig. 1, reprezintă reactorul de gazificare a combustibililor solizi cu “pat fix” și circulație în echicurent (“downdraft”).

Fig. 2, reprezintă reactorul de gazificare a combustibililor solizi cu “pat fix” și circulație în contracurent (“updraft”).

Fig. 3, reprezintă schema de principiu a instalației cu control avansat al regimului gazodinamic și termic, pentru gazificarea atmosferică a biomasei/deșeurilor solide. Menționăm că această instalație a fost realizată în cadrul proiectului finanțat prin UEFISCDI cu Nr. 62/2012, având titlul „Linie tehnologică operațională pentru conversia deșeurilorîn gaz de sinteză superior și producere de energie electrică - CONTECH, și se află în probe funcționale la Universitatea „Politehnica din București.

Instalația este alcătuită din două subansambluri majore, care sunt parcurse de fluxul de materie primă-produs finit în următoarea ordine:

A. Unitatea de conversie a biomasei/deșeurilor organice în gaz de sinteză. Aceasta poate fi împărțită pe 3 grupe de funcțiuni, în: A. 1. modulul de preparare a deșeurilor organice (tocătorul, ecluza, uscătorul și schneckul); A.2. gazificatorul propriu-zis, și A.3. circuitul de aer-syngaz brut (netratat) cu recuperare internă de căldură.

B. Unitatea de epurare a gazului de sinteză (prevăzută și cu posibilitate de recuperare externă a căldurii).

Componentele unității de conversie a deșeurilor organice în gaz de sinteză și funcțiile lor sunt:

1. Tocătorul care mărunțește mecanic masa organică până lao granulație de 10...18 mm, comparabilă cu cea ale peletelor de lemn folosite la arderea pe grătar. Reducerea mărimii particulelor ușurează manipularea lor și mărește suprafața de contact dintre acestea și gaze, intensificând procesele termochimice. Tocătorul este un concasor cu valțuri.

2. Sasul (ecluza). Acesta se află între tocătorul de preparare pentru gazificare, prin mărunțire, a materiei prime și uscător, asigurând etanșarea pe partea de gaze între tocător (în care se află aer la temperatura și presiunea ambiantă) și uscător (prin care circulă gaz de sinteză fierbinte, la ușoară suprapresiuneîn raport cu atmosfera și o temperatură ridicată, de circa 600...300°C) realizând totodată alimentarea controlată cu deșeu/biomasă a uscătorului.

3. Uscătorul de deșeu/biomasă reduce conținutul de umiditate higroscopică și de îmbibație. Acesta este cu agitare mecanică, talere fixe și raclete rotative. Particulele cad gravitațional de pe un taler pe altul. Pe fiecare taler se realizează o agitare mecanică cu ajutorul unor raclete rotative; aceasta asigură: a) evitarea colmatării, b) creșterea duratei de staționare a masei granulate în uscător și c) intensificarea schimbului de căldură și masă între materia primă și agentul de pre-uscare (care circulă ascendent, în contracurent în raport cu materialul mărunțit). Caracteristic instalației propuse spre brevetare este modul de integrarea procesului de pre-uscare în ansamblul proceselor energo-tehnologice: agentul de

RO 132583 Β1 pre-uscare este o cotă din syngazul fierbinte. Menționăm că această cotă depinde în 1 principal de: a) necesarul de căldură pentru preîncălzirea aerului (o altă particularitate a instalației fiind aceea că preîncălzitorul de aer e legat în paralel pe partea de syngaz fierbinte 3 cu ansamblul format de carcasa schneck-ului și uscătorul de deșeu organic) și b) de starea inițială a combustibilului (umiditate și compoziție elementală). Pentru biomase/deșeuri cu 5 umiditate mare, cota de agent de uscare atinge circa 50%. în urma schimbului de căldură și masă prin contact se realizează reducerea temperaturii syngazului și îmbogățirea lui cu 7 vapori de apă, precum și încălzirea și pre-uscarea fracției solide amonte de gazogen.

Rezultă că uscarea realizează și o recuperare internă de căldură fapt care reduce consumul 9 de energie pentru procesele endoterme din reactor conducând la scăderea cotei de CO₂ din syngaz și, implicit, la creșterea puterii calorifice a acestuia. Pe de altă parte, deoarece 11 uscarea biomasei/deșeului se realizează prin contact direct cu un agent de temperatură ridicată, efficiența sa este superioară celei realizabile cu agent intermediar și/sau în schim- 13 bătoare de căldură de suprafață. La această temperatură ridicată, eventualele substanțe cu potențial risc biologic din materialul solid sunt parțial neutralizate. Cele rămase în materialul 15 solid intră în reactorul de gazificare unde sunt neutralizate în zona de oxidare. Chiar dacă unele substanțe nedorite (grăsimi, gudroane) sunt antrenate în gazul de sinteză în procesul 17 de uscare, ele vor fi reținute în unitatea de epurare a syngazului, acesta din urmă ajungând “curat” la consumator. Dacă totuși în gazul de sinteză mai sunt prezente substanțe cu 19 potențial risc biologic, acestea vor fi complet neutralizate prin ardere la temperatură înaltă în motorul cu ardere internă. 21

4. Schneckul (transportor tip șurub), antrenat electric cu turație variabilă, pentru reglajul debitului de alimentare cu biomasă, face legătură între uscător și zona superioară 23 a reactorului de gazeificare. Pentru creșterea temperaturii fracției solide la intrarea în reactorul de gazeificare, cilindrul schneck-ului are dublă anvelopă, iar în spațiul dintre cele două 25 “cămăși” trece acea cotă de circa 50% din syngazul fierbinte care se trimite apoi în uscător.

5. Ventilatorul de aer, cu reglaj prin turație variabilă, asigură prin suprapresiunea 27 creată, circulația generală a substanțelor în fază gazoasă (aer-syngaz) după schema “tiraj suflat”. Aerul pentru arderea parțială este vehiculat prin preîncălzitorul de aer către zona 29 submediană a reactorului.

6. Preîncălzitorul de aer, schimbător de căldură de suprafață în care un debit 31 aproximativ egal cu cel de aer (în instalația de la UPB, proiectată pentru biomase/deșeuri cu umiditate mare, cota reprezintă circa 50% din syngazul fierbinte) realizează o recuperare 33 internă de căldură, cedând aerului o cotă din căldura sensibilă. Datorită creșterii temperaturii aerului intrat în reactor se reduce consumul de energie pentru procesele endoterme din 35 acesta, fapt care îmbunătățește calitatea syngazului.

7. Reactorul de gazificare propriu-zis este un vas de formă cilindrică cu axă verticală 37 având carcasă dublă în zona fierbinte (circa 2/3 de la bază din înălțimea totală). în vas deșeul organic solid formează un “pat fix” care se sprijină la partea inferioară pe un grătar, 39 circulând lent gravitațional descendent. în zona superioară a reactorului are loc uscarea finală a masei solide folosind o parte din căldura dezvoltată prin oxidarea parțială. în 41 continuare biomasa/deșeul trece în zona de piroliză, zonă aflată în carcasa interioară. Din acest proces rezultă reziduul solid (ce conține cocs) și volatile combustibile. Inițierea 43 proceselor termochimice din reactor se face cu un arzător care utilizează combustibil lichid ușor. în continuare procesele se automențin. Aerul se introduce radial centripet, la circa 1/3 45 din înălțimea reactorului, în zona de oxidare, unde ard volatilele tip gudroane și o parte din cocs, dezvoltând căldura pentru uscare și reducere. în partea inferioară a reactorului, 47 deasupra grătarului, are loc reacția de reducere dintre vaporii de H₂O și carbon din care

RO 132583 Β1 rezultă syngazul. Acesta din urmă străbate grătarul, circulă ascendent printre cele două carcase, participând la încălzirea zonelor de piroliză și uscare, apoi se evacuează pe la partea superioară a reactorului. Pe grătar se află sistemul mecanic de curățare a acestuia, iar sub acesta cel de evacuare a cenușii, care este etanșat cu apă.

8. Ventilatorul de recirculare a gazelor, cu reglaj prin turație variabilă, preia gazele calde și umede partea superioară a reactorului, de deasupra zonei de uscare și le introduce în partea inferioară a acestuia, între zona de oxidare și cea de reducere. Ca urmare, circulația relativă a celor două fluxuri, cel de combustibil-cenușă și cel de gaze-vapori, are loc în partea superioară a reactorului în contracurent, iar în partea inferioară a lui în echicurent. Curentul ascendent de gaze fierbinți provenite din oxidare îmbunătățește transferul de căldură spre zona de piroliză și intensifică uscarea finală a masei solide din zona superioară a vasului. Totodată transvazarea controlată a gazelor umede din zona de uscare spre cea de gazificare asigură în aceasta din urmă o atmosferă mai bogată în vaporii de H₂O necesari procesului. Aceasta permite un control avansat al circulației și temperaturii gazelor în reactor. Astfel, instalația realizează combinarea avantajelor celor două tipuri clasice de gazificatoare pe grătar (contracurent și echicurent), cu eliminarea dezavantajelor specifice diecăruia dintre acestea.

Componentele unității de epurare a gazului de sinteză (care este prevăzută și cu posibilitatea recuperării externe a căldurii) și funcțiile acestora sunt:

9. Răcitorul de syngaz treapta I primește gazul cald rezultat din amestecul celor 3 fluxuri pe care se face recuperarea internă de căldură (de la uscător, de la preîncălzitorul de aer și de la sistemul de încălzire a schneckului). Răcirea amestecului până aproape de temperatura de condensare a vaporilor de H₂O este necesară în proces pentru a asigura o temperatură scăzută a syngazului în următoarea componentă a unității de epurare: scruberul. Procesul se realizează într-un schimbător de căldură de suprafață și se poate face: 9.1.) fără recuperarea căldurii (dacă gazificatorul nu are un grad mare de utilizare și în vecinătatea lui nu se află consumatori de căldură, se folosește un schimbător gaz-apă), sau 9.2.) cu recuperare externă de căldură (când aceasta se justifică economic prin efectele ei energetice). în a doua situație căldura se poate recupera pentru producere de apă caldă (folosind un schimbător gaz-apă), sau pentru producerea de abur de joasă presiune (într-un generator de vapori). Amintim că, deoarece gazul fierbinte este evacuat din zona de reducerea reactorului, el conține cote foarte mici de fracții volatile. Totuși, fluxul de gaz ce trece prin uscător vine în contact direct cu biomasa/deșeul, fiind posibilă o încărcare a lui cu astfel de fracții. O caracteristică specifică instalației propuse spre brevetare este aceea că răcitorul de syngaz treapta I este prevăzut și cu un set de site metalice multistrat răcite care realizează reținerea compușilor volatili condensabili. La instalațiile fără recuperare externă de căldură, sitele sunt amplasate amonte de răcitor. Dacă se optează pentru recuperarea externă de căldură, amplasamentul sitelor se stabilește în funcție de regimul termic din schimbătorul de căldură-recuperator.

10. Scruberul (reactorul de epurare) realizează „spălarea gazelor într-o „ploaie de soluție alcalină, pentru reținerea eventualilor compuși acizi ai sulfului sau clorului (dacă aceste elemente sunt prezente în deșeu) și a altor gaze acide. Scruberul are o construcție similară desulfuratoarelor umede de gaze de ardere de tip „turn-ciclon, iar soluția alcalină este una de NaOH.

11. Răcitorul treapta a-ll-a, condensator de vapori de H₂O este un schimbător de căldură de suprafață gaz-apă care asigură răcirea avansată a gazului, pentru condensarea vaporilor de apă prezenți în acesta, fără recuperarea căldurii. Astfel participațiile fracțiilor gazoase combustibile în syngaz cresc, mărind conținutul de energic pe 1 Nm³.

RO 132583 Β1

12. Gazometrul, care preia gazul curățat și uscat prin răcire (maximum 5% umiditate) 1 are rolul de tampon atenuând posibilele fluctuații de presiune și debit. Acesta este format din doi cilindri cu axe verticale, de aceeași înălțime, umpluți parțial cu apă, conectați în partea 3 inferioară printr-o conductă și prevăzuți cu sticle de nivel. Primul cilindru (rezervorul propriuzis) este etanșat la partea superioară prin capac și la partea de jos prin stratul de apă. 5

Volumul liber al lui, în care se stochează gazul de sinteză la presiune supraatmosferică, e conectat la ieșirea din răcitorul treapta a-ll-a și la următoarea componentă a liniei tehno- 7 logice: filtrul sac. Al doilea cilindru, „de expansiune, este pus în legătură în zona superioară cu atmosfera. Suprapresiunea gazului din primul cilindrul e menținută constantă prin 9 diferența dintre nivele libere ale apei în cei doi cilindri. Această mărime permite și determinarea volumului de gaz din gazometru. 11

13. Filtrul sac, treapta finală a sistemului de epurare gaz, reține pulberile antrenate. Acesta este realizat din țesătură de bumbac cu ochiuri de 50 pm. De la ieșirea din filtrul sac 13 gazul de sinteză este trimis către consumatori (exemplu: mașini termice cu ardere internă). Deoarece gazul de sinteză este curat, gazele de eșapament evacuate la coș nu vor necesita 15 echipamente speciale de tratare.

Instalația în ansamblul ei este prevăzută cu puncte și aparate de măsură a tempera- 17 turilor materialului solid în interiorul reactorului precum și a presiunilor, temperaturilor și debitelor de fluide (aer/gaze/apă răcire) pe diferite trasee. Semnalele de tip „unificat provenite 19 de la traductoare sunt centralizate într-o unitate de monitorizare și control al procesului.

Toate acționările din instalație sunt electrice și se realizează cu turație-frecvență 21 variabilă.

Bibliografie 25

[1] Prabir, Basu - Biomass Gasification and Pyrolysis - Practicai Design and Theory, 27 Academic Press, 2010, Ed. Elsevier, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford, 0X5 1GB, UK, ISBN 978-0-12-374988-8. 29

[2] Bell, D., Towler, B., Mao Hong Fan - Coal Gasification and Its Applications, William Andrew, 2011, Ed. Elsevier, The Boulevard, Langford Lane, Kidlington, Oxford OX5 31 1GB, UK, ISBN: 978-0-8155-2049-8.

[3] Kooiman C. A., McDevitt, J., J., Bow, R. - Down-draft Fixed Bed Gasifier System, 33 Brevet US Nr. 4929254/29 mai 1990.

[4] Kuntschar, W., MarzlufW., Porsch, Altbach.R., Siegenthaler, A., Wennemar, R., -35

Down-draft Fixed Bed Gasifier System and Use Thereof- Brevet US Nr. 6112677/05 oct. 2000.37

[5] Taylor, L., T. - Bottom Feed Up-pdraft Gasification System - Brevet US Nr. 5917138/29 iun. 1999.39

Claims (4)

1. Instalație de gazificare atmosferică a biomasei/deșeurilor solide care este constituită dintr-o unitate A de conversie a deșeurilor organice în gaz de sinteză, formată dintr-un tocător (1) pentru mărunțire până la o granulație de 10...18 mm, un sas (2) pentru alimentarea controlată cu deșeu a unui uscător (3) pentru reducerea conținutului de umiditate higrosopică și de îmbibație al deșeului, un șnec (4) transportor, un ventilator (5) aer pentru circulația generală a substanțelor gazoase, un preîncălzitor (6) de aer în legătură cu un reactor (7) de gazificare deșeuri solide în pat fix și o unitate B de epurare a gazului de sinteză formată dintr-un răcitor (9) de syngaz pentru răcire în trapta I, un scruber (10) pentru spălarea gazelor, un răcitor (11) pentru răcire în treapta a lia, un gazometru (12) pentru preluarea gazului curățat și uscat prin filtrare și un filtru (13) cu sac pentru epurarea gazului de pulberile antrenate, caracterizată prin aceea că, ventilatorul de recirculare (8) preia gazele umede din zona superioară a reactorului și le introduce în zona inferioară a acestuia, astfel încât circulația relativă a fluxurilor de combustibil-cenușă și de gaze-vapori are loc în partea superioară a reactorului în contracurent, iar în partea inferioară a acestuia în echicurent.

2. Instalație de gazificare atmosferică a biomasei/deșeurilor solide conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, uscătorul (3) și preîncălzitorul (6) de aer sunt poziționate în instalație astfel încât să se realizeze o recuperare internă de căldură care acoperă consumul de energie al proceselor endoterme din reactor mărind puterea calorifică a gazului produs.

3. Instalație de gazificare atmosferică a biomasei/deșeurilor solide, conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, preuscarea cu agent de proces a materialului solid se realizează fără eliminare în mediul ambiant a unor eventuale substanțe cu potențial risc biologic.

4. Instalație de gazificare atmosferică a biomasei/deșeurilor solide conform revendicării 1, caracterizată prin aceea că, răcitorul (9) de syngaz pentru răcire în treapta I este prevăzut și cu un set de site metalice multistrat răcite, pentru reținerea particulelor antrenate și a compușilor volatili condensabili.