RO134445A0 - Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici - Google Patents

Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici Download PDF

Info

Publication number
RO134445A0
RO134445A0 ROA202000266A RO202000266A RO134445A0 RO 134445 A0 RO134445 A0 RO 134445A0 RO A202000266 A ROA202000266 A RO A202000266A RO 202000266 A RO202000266 A RO 202000266A RO 134445 A0 RO134445 A0 RO 134445A0
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
gasification
flow
pyrolysis
reactor
organic
Prior art date
Application number
ROA202000266A
Other languages
English (en)
Other versions
RO134445B1 (ro
Inventor
Costin-Marian Frâncu
Bogdan-Sabin Frâncu
Original Assignee
Bogdan-Sabin Frâncu
Costin-Marian Frâncu
Frâncu Marius-Andrei
Frâncu Vlad
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bogdan-Sabin Frâncu, Costin-Marian Frâncu, Frâncu Marius-Andrei, Frâncu Vlad filed Critical Bogdan-Sabin Frâncu
Priority to RO202000266A priority Critical patent/RO134445B1/ro
Publication of RO134445A0 publication Critical patent/RO134445A0/ro
Priority to US18/246,249 priority patent/US20240010941A1/en
Priority to PCT/RO2021/050005 priority patent/WO2021235963A1/en
Priority to CA3193438A priority patent/CA3193438A1/en
Priority to EP21730303.1A priority patent/EP4153701A1/en
Publication of RO134445B1 publication Critical patent/RO134445B1/ro

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72Other features
    • C10J3/723Controlling or regulating the gasification process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/466Entrained flow processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J6/00Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
    • B01J6/008Pyrolysis reactions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09BDISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/40Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless involving thermal treatment, e.g. evaporation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09BDISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/70Chemical treatment, e.g. pH adjustment or oxidation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10BDESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B47/00Destructive distillation of solid carbonaceous materials with indirect heating, e.g. by external combustion
    • C10B47/18Destructive distillation of solid carbonaceous materials with indirect heating, e.g. by external combustion with moving charge
    • C10B47/20Destructive distillation of solid carbonaceous materials with indirect heating, e.g. by external combustion with moving charge according to the moving bed type
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48Apparatus; Plants
    • C10J3/482Gasifiers with stationary fluidised bed
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • C10J3/60Processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • C10J3/60Processes
    • C10J3/64Processes with decomposition of the distillation products
    • C10J3/66Processes with decomposition of the distillation products by introducing them into the gasification zone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0272Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a non-catalytic decomposition step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0833Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00Details of gasification apparatus
    • C10J2200/15Details of feeding means
    • C10J2200/152Nozzles or lances for introducing gas, liquids or suspensions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00Details of gasification apparatus
    • C10J2200/39Gasifiers designed as centrifuge
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00Details of gasification processes
    • C10J2300/09Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0946Waste, e.g. MSW, tires, glass, tar sand, peat, paper, lignite, oil shale
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00Details of gasification processes
    • C10J2300/09Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953Gasifying agents
    • C10J2300/0956Air or oxygen enriched air
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00Details of gasification processes
    • C10J2300/09Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953Gasifying agents
    • C10J2300/0973Water
    • C10J2300/0976Water as steam
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00Details of gasification processes
    • C10J2300/12Heating the gasifier
    • C10J2300/1246Heating the gasifier by external or indirect heating

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Treatment Of Sludge (AREA)

Abstract

Invenţia se referă la un procedeu şi la o instalaţie de gazeificare în flux continuu a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici de genul deşeurilor de biomasă, forestiere, deşeuri urbane solide şi lichide, nămoluri de la staţiile de epurare a apelor menajere şi alte deşeuri asemenea. Procedeul conform invenţiei are următoarele etape: a) materia primă organică în amestec eterogen este introdusă în reactorul (2) de piroliză unde este încălzită treptat, prin convecţie termică, până la o temperatură de 900...1000°C, fiind menţinută în contact cu suprafeţele metalice care transportă, prin conducţie, energia termică din zona exotermă de la pereţii reactorului de gazeificare, b) rezultatele procesului de piroliză cu fazele solidă, lichidă şi gazoasă, sunt transferate gravitaţional în reactorul (2) de gazeificare unde sunt amestecate cu agentul de gazeificare, respectiv aer/O2 şi abur, acestea fiind introduse prin curgere turbionară pentru ca schimbul de energie termică să se realizeze prin convecţie forţată şi radiaţie între suprafeţele metalice din interiorul reactorului (2), aşezate în poziţii fixe diferite, astfel încât suprafaţa de contact să se schimbe după 5...20 cm parcurşi de fluxul de materiale, fiecare grup de lamele metalice din interiorul pirolizorului formând 2...8 plane de separaţie în fluxul de materie primă organică, oxidarea carbonului având loc în cascadă, în două incinte diferite, prima incintă cu curgere turbionară şi a doua cu curgere laminară, fiecare etapă având control independent al parametrilor de proces. Instalaţia conform invenţiei este constituită din unul sau mai multe reactoare de piroliză fixe, de formă cilindrică sau prismatică, având la interior, sudate transversal de pereţii interiori, 4...14 grupuri de lamele metalice cu înălţimea de 5...20 cm, un sistem de duze pentru introducerea aerului/O2 şi a aburului şi un sistem de ecluză cu robinetul (3) şi containerul (4) pentru eliminarea zgurii.

Description

DESCRIEREA INVENȚIEI
PROCEDEU SI INSTALAȚIE DE GAZEIFICARE A ANESTECURILOR ETEROGENE DE SUBSTANȚE SI COMPUȘI ORGANICI
DOMENIUL TEHNIC
Prezenta invenție se referă la un procedeu și o instalație de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanțe și compuși organici de genul deșeurilor de biomasa, forestiere, deșeuri urbane solide și lichide, nămoluri de la stațiile de epurare a apelor menajere, etc.
STADIUL TEHNICII ACTUALE
Gazeificarea este un proces fizico-chimic de transformare ireversibilă a compușilor organici solizi/lichizi/gazoși într-un gaz de sinteză care conține în principal H2, CO și CO2. Fenomenul fizic este cunoscut de peste 300 de ani iar aplicații industriale în principal în domeniile energetic și petrochimie există de 150 de ani.
Literatura de specialitate scindează procesul de gazeificare în 2 etape distincte :
1. Etapa endotermă, numită PIROLIZA
2. Etapa exotermă, numită GAZEIFICARE
Etapa 1, Piroliza, este un procedeu de transformare sau de descompunere termică a compușilor sau a substanțelor chimice organice în condiții de temperaturi înalte și fără oxigen/aer. Acest procedeu implică schimbarea simultană a compoziției chimice și a fazei fizice a compusului, și este ireversibilă. In principiu, în această etapă, datorită temperaturii se rup majoritatea legăturilor carbon-hidrogen. Rezultatul este o fază gazoasă formată din hidrogen și compușii volatili ai materialelor supuse pirolizei, o fază lichidă care este un amestec de hidrocarburi și radicali organici numită generic „ulei de piroliza și o fază solidă formată în principal din carbon, resturi minerale și metale funcție de compoziția materialului inițial. Ruperea legăturii carbon-hidrogen are loc la o temperatură fixă funcție de formula chimică a compusului organic și este o caracteristică fizică a compusului respectiv. Domeniul de temperaturi este 200-1250°C, cu o pondere mare de compuși pirolizați în domeniu 200-600°C.
Etapa 2, Gazeificarea, constă în principal în transformarea carbonului solid în gaz prin oxidare parțială la temperaturi mai mari 850°C, conform următoarelor reacții exoterme:
a 2020 00266
18/05/2020 • C+1/2O2=CO-123,1 Kj/Kmol carbon • C+O2=CO2-398,3 Kj/Kmol carbon
Cele 2 etape au loc într-un reactor comun, în care energia termică produsă în reacțiile exoterme de oxidare a carbonului este în mare parte consumată pentru încălzirea materialelor organice în faza 1 de piroliză. Singazul rezultat conține 5-100 mg/m3 macromolecule organice cu peste 100 de formule chimice diferite, amestec numit generic „gudroane.
Toate brevetele de invenție, studiile academice, instalațiile experimentale sau instalațiile industriale de gazeificare actuale, prevăd introducerea materiei prime la temperatură ambiantă în reactorul de gazeificare pentru a crea un pat fix, mobil sau fluidizat. Prin patul de materie primă este trecut updraft, downdraft sau crossdraft, singazul cald rezultat în reacțiile exoterme din zona de gazeificare pentru a încălzi materia primă și a o aduce la parametrii de piroliză.
US 006902711 Bl prezintă un procedeu și un echipament cu aplicare industrială, dezvoltat de EBARA Corporation si UBE Industries din Japonia. Brevetul prezintă un proces de gazeificare cu pat fluidizat în 2 reactoare, primul cu temperaturi sub 800°C și al doilea cu temperaturi peste 1.300°C.
US 2010/0037519 Al prezintă un procedeu și o instalație de gazeificare downdraft, cu pat fix. Pentru diminuarea fenomenului de „channeling rectorul este prevăzut cu un amestecător central, ceea ce conduce la creșterea consumului energetic și complică operarea și mentenanța.
Din punct de vedere fizic, conceptul tehnicii actuale prevede schimbul de căldură prin convecție și radiație între un gaz preponderent biatomic, care din punct de vedere radiație este un corp transparent iar din punct de vedere convecție este un material izolant, către un pat eterogen de materiale organice care din punct de vedere conducție și convecție sunt materiale izolatoare, cu coeficient de conducție termica mai mic de 0,1 W/m*K.
In cadrul studiilor și experimentelor personale privind gazeificarea diferitelor amestecuri de materiale organice, am observat o deficiență majoră în ceea ce privește modalitatea de transfer a energiei termice între agentul de transport al energiei termice și patul de materie organica aflat în zona de piroliză. In mod natural gazul de sinteză se va deplasa în masa patului de material organic prin a 2020 00266
18/05/2020 spatiile libere ramase între bucățile de marital, fără posibilitatea operatorului de a controla altceva decât eventual viteza de deplasare. La limită, avem deci un „tub cu pereții din material organic cu coeficient de transfer termic prin conducție <0,1 W/m*K prin care se deplasează un gaz preponderent biatomic, cu temperatură mai mare decât pereții tubului. Din punct de vedere transfer prin radiație, gazul biatomic este corp transparent, deci nu primește și nu cedează energie termică. Prin convecție, gazul va ceda energie termică la perete, energie care se va acumula în suprafață datorită coeficientului mic de conducție al pereților din material organic. Astfel moleculele organice din suprafață vor ajunge la temperatura critică de rupere a legăturii carbon-hidrogen, hidrogenul va fi antrenat în fluxul de gaz, iar carbonul se va acumula în suprafață îngreunând și mai mult transferul termic către masa de material. Aceste fenomene nedorite de channelling sunt eliminate în procedeele de gazeificare cu pat fluidizat, dar eficienta transferului termic este mult scăzută față de procedeele cu pat fix datorită vitezelor mari ale gazelor, impuse de condiția de levitație a patului fluidizat. Noile procese „bubbling fluidised bed - pat fluidizat cu bule îmbunătățesc transferul termic prin convecție și aduc o mică componentă de transfer prin radiație, dar cresc consumurile energetice și complică foarte mult procesul prin introducerea și recuperarea unor cantități mari de nisip cuarțos în masa de material organic ca agent de fluidizare.
Problemele tehnice pe care le rezolva prezenta invenție sunt:
1. Eliminarea fenomenelor de „channeling în patul de materie primă organică 2. Mărirea randamentului de transport și transfer a energiei termice din zona exotermă în zona endotermă
3. Mărirea randamentului de transformare a carbonului solid în gaze CO si CO2 cu consecința reducerii carbonului rezidual în zgură
Scopul invenției este:
1. Eliminarea patului de materie primă organică
2. Schimbarea agentului de transport al energiei termice precum si a fenomenului fizic utilizat pentru transferul energiei termice către materia primă organică
3. Controlul fluxului de agent de gazeificare astfel încât în prima fază să creeze o curgere turbionară, iar în a doua fază să creeze o curgere laminară cu viteză a 2020 00266
18/05/2020 mică. Aceste două modalități de curgere ale agentului de gazeificare vor facilita contactul între moleculele de gaz și atomii de carbon solid.
Prezenta invenție constă într-un procedeu de gazeificare fără pat de piroliză/gazeificare care permite gazeificarea amestecurilor eterogene de materiale organice.
Conform Desenului 1, materia primă organică este introdusă la temperatură ambiantă în reactoarele de piroliză - poziția 2 - și este încălzită gradual, până la 800°C, prin punte termică metalică, cu energia termică produsă în reactorul de gazeificare 1. Rezultatele pirolizei, respectiv fracțiile gazoasă, lichidă și solidă sunt transferate în reactorul de gazeificare unde la temperaturi de până la 1.100°C, cu agent de gazeificare aer sau oxigen se produc reacțiile exoterme de transformare a carbonului solid în CO și CO2, componente gazoase. Fracția solidă rămasă în reactorul de gazeificare, care conține în principal molecule și elemente minerale provenite din compoziția chimica a lanțurilor de macromolecule organice, este separată de fracția gazoasa si eliminată printr-un sistem ecluza format din robinetul 3 si containerul 4.
Procedeul conform prezentei invenții constă în transportul energiei termice din zona de gazeificare exotermă (Desenul 1 poziția 1) în zona de piroliză endotermă (Desenul 1 poziția 2), prin puntea termică metalică formată, conform Desenului 4, din pereții reactorului de gazeificare (poziția 1 si 12) și incinta metalică 2 în care este poziționat reactorul de piroliză, flanșa și pereții exteriori ai reactorului de piroliză, respectiv pozițiile 1-5 din Desenul 2 . Din punct de vedere fizic, agentul de transfer al energiei termice cu coeficient de conducție termica 0,02-0,1 W/m*K, respectiv singazul, este înlocuit cu o punte termică metalică cu coeficient de conducție mai mare de 45 W/m*K, deci de 400-1.000 de ori mai mare și în plus cu capacitatea de a transfera energie termică prin convecție și radiație, nu doar prin convecție. Acest nou procedeu va mari semnificativ eficienta transportului energiei termice din zona exotermă în zona endotermă fără pierderi energetice suplimentare și va mari eficiența transferului energiei termice către masa de materie primă organică cu eliminarea fenomenului de channeling. In plus, puntea termică formată din pereții reactoarelor de piroliză și gazeificare va funcționa ca un acumulator de energie termică care va livra energia funcție de capacitatea de a 2020 00266
18/05/2020 absorbție a masei eterogene de materiale organice. Altfel spus, în tehnica actuală, singazul cald, purtător al unei cantități de energie termică, în mișcare către ieșirea din reactorul de gazeificare, trece prin patul de materiale organice mai reci și cedează căldură funcție de capacitatea de absorbție a materialelor întâlnite în timpul de rezidență. La final, singazul părăsește gazeificatorul cu energia termică rămasă. Conform procedeului descris în prezenta invenție, energia termică este transportată prin pereții metalici ai reactoarelor până la suprafețele metalice fixe prin care se face schimbul de căldură către materia primă organică în mișcare. In acest fel, fiecare bucată de material organic, în mișcare prin reactorul de piroliza, absoarbe câtă energie îi permit proprietățile sale fizice. Acest nou procedeu de transport al energiei termice precum și proprietatea de acumulator de energie al pereților metalici, permite tratarea simultană a unor materiale organice cu proprietăți fizice diferite și implicit cu conținut de apa diferit. Pe cale de consecință, materia primă nu mai trebuie uscată pentru omogenizare, ci poate fi procesată așa cum este, indiferent de conținutul de apă. Evident, materialele cu procent ridicat de apă vor absorbi din pereți mai multă energie și vor produce în reactorul de gazeificare o cantitate corespunzătoare de abur ceea ce va corespunde în procesul de gazeificare cu o reducere a necesarului de abur furnizat din exterior ca agent de control al temperaturii, deci costuri de procesare mai mici.
Procedeul descris în prezenta invenție realizează transferul controlat al energiei termice prin convecție forțată și prin radiație între pereții metalici ai reactoarelor și materialul organic în mișcare controlată. Conform studiilor experimentale, la deplasarea cu viteze mici a unui solid organic în contact cu un perete metalic cald, după 10 cm suprafața solidului organic se dopează cu carbon molecular și fluxul termic Φ tinde la zero. Conform acestei observații, procedeul conform prezentei invenții prevede schimbarea suprafeței de contact dintre materialul organic în mișcare cu viteze mici si peretele metalic cu temperatură ridicată, după fiecare 10 cm parcurși.
O alta observație experimentala importanta este ca pentru a încălzi 1 Kg de amestec organic provenit din deșeuri urbane solide cu 700°C este necesară o energie termică de 1.600-2.200 Kj/Kg, funcție de compoziția chimică și conținutul de apă al materiei prime. Această ultimă condiție este folosită pentru determinarea suprafeței de contact necesară și a vitezei de deplasare, funcție de valorile minime ale coeficienților λ/α de transfer termic prin conducție/convecție ai materiei prime a 2020 00266
18/05/2020 organice. Cu cât coeficienții λ si a sunt mai mici, trebuie mărită suprafața totală de contact metal-material organic, păstrând condiția ca la fiecare 10 cm pe direcția de deplasare a materialului organic să se schimbe suprafața de contact.
Prin schimbarea agentului de transport al energiei termice și absența patului de material organic, procedeul de gazeificare se simplifica semnificativ, ceea ce permite un control eficient al vitezei singazului și implicit al timpului de rezidență pentru micșorarea procentului de carbon rezidual rămas în zgură. Deși la temperaturi mai mari de 900° C oxidarea carbonului este instantanee, s-a observat în practică o limită a timpului de contact dintre carbonul solid și oxigenul gazos sub care creste procentul de carbon rezidual în zgură. Altfel spus, deși oxidarea este instantanee, la viteze relative crescute între fluxul de agent de gazeificare/singaz și materialele solide din reactorul de gazeificare, rămâne carbon neoxidat în zgură. Acest fenomen apare dacă carbonul nu se întâlnește cu oxigenul. Este cunoscut ca volumul molar al carbonului este de ordinul 0,00000529 dm3/mol iar volumul molar al oxigenului este de ordinul 22,42 dm3/mol ceea ce înseamnă că distanța dintre 2 molecule de oxigen este de 4.000.000 de ori mai mare decât distanța dintre 2 atomi de carbon. In aceste condiții, într-o curgere laminara a oxigenului este necesară o viteză foarte mică pentru a obține contactul aleator doar datorită agitației browniană a gazului. Procedeul de gazeificare conform prezentei invenții (Desenul 4) constă în incinta 1 în care agentul de gazeificare este amestecat prin curgere turbionară, datorita poziționării duzelor 4, cu carbonul solid pentru a facilita amestecul și contactul. Aburul este de preferat să fie introdus împreună cu oxigenul, deoarece moleculele de apă sunt mai ușoare dar mai mari iar amestecul facilitează curgerea turbionară. Din incinta turbionară carbonul solid neoxidat și materialele minerale cad pe un grătar rotitor (Desenul 3) unde sunt în contact laminar cu amestecul de singaz și oxigen. Această zonă constituie a doua zonă de oxidare a carbonului în condiții de curgere laminară la viteză mică.
Pentru simplificarea etanșărilor în zona de alimentare cu materie prima a pirolizei, procesul de piroliză și gazeificare se va desfășura la presiuni mici în domeniul -0.54-2 bari. Agentul de gazeificare poate fi aer sau oxigen, însoțit de abur pentru controlul temperaturii prin reacții endoterme. Datorită materiei prime eterogene, procesul este controlat prin soft de proces, care permite reglarea în timp real ai parametrilor de proces funcție de parametrii de stare.
a 2020 00266
18/05/2020
Procedeul conform prezentei invenții, are flexibilitate foarte mare în ceea ce privește proprietățile fizico-chimice ale materiei prime și permite practic procesarea oricărui tip de deșeu organic, inclusiv dar nu limitativ, de la deșeuri din agricultură, deșeuri forestiere, deșeuri municipale și asimilate și nămol de la stațiile de epurare a apelor reziduale municipale. Dat fiind faptul ca procedeul poate procesa materiale organice eterogene fără deversări de gaze în mediul ambiental, acest procedeu poate fi aplicat procesării materialelor organice contaminate din categoria „periculoase fără modificări de procedeu. De asemenea procesul poate fi controlat pentru obținerea singazului cu compoziție condiționată, pornind de la un procent nesemnificativ de CO, care permite obținerea de hidrogen tehnic pur, la diferite rapoarte CO/H2 pentru aplicații ulterioare în energetica sau petrochimie.
Pentru aplicarea procedeului prezentat și îndeplinirea tuturor condițiilor tehnice, prezenta invenție utilizează instanțiile prezentate în desenele 1-4.
In Desenul 1 este prezentat reactorul de gazeificare 1 de formă cilindrică, detaliat în desenele 3 si 4, în care sunt fixate mecanic 1 sau mai multe reactoare de piroliză (poziția 2). Mărirea capacității de procesare se face de preferință prin mărirea numărului de reactoare de piroliză și mărirea dimensională a reactorului de gazeificare. Eliminarea zgurii se realizează prin intermediul sistemului de ecluză format din robinetul 3 și containerul 4.
In Desenul 2 este prezentat reactorul de piroliză care are formă cilindrică și este prevăzut cu flanșa metalică 6 pentru conectare la sistemul de alimentare cu materie primă organică și flanșa metalică 5 pentru conectare la incinta cilindrică corespunzătoare prevăzută în reactorul de gazeificare (Desenul 4 pozitia2). Prezenta invenție nu tratează procedeul și instalația de alimentare. Funcție de parametrii procesului de gazeificare poate fi folosit un echipament de alimentare în șarje cu piston hidraulic sau un sistem de alimentare continuu cu șnec de presiune și pas variabil. In ambele situații, echipamentul de alimentare va trebui să permită controlul vitezei de deplasare a materiei prime organice la intrarea in reactorul de piroliză în domeniul 10-30 mm/s. Prin intermediul flanșei 5 se realizează puntea termică cu incinta cilindrică care transportă energia termică din zona exotermă a reactorului de gazeificare (desenul 1 poziția 1) și din pereții reactorului către reactorul de piroliză (desenul 1 poziția 2). Prin intermediul flanșelor de conectare, energia termică este transferată prin conducție de la a 2020 00266
18/05/2020 reactorul de gazeificare la reactorul de piroliză. In plus, datorită formei constructive, incinta cilindrică metalică (desen 4 poziția 2) cu temperatură ridicată transmite energie termică și prin radiație pe toată lungimea sa către reactorul de piroliză (desenl poziția 2) care datorită afluxului continuu de materie primă rece, are temperatură mai scăzută. Din motive de mentenanță, reactorul este format din 4 sau mai multe secțiuni cilindrice asamblate filetat (Desenul 2 pozițiile 1-4), formând un corp comun. Fiecare tronson cilindric (Desenul 2 pozițiile 1-4) conține 2 grupuri de lamele metalice înalte de 10 cm dispuse astfel încât materia primă organică, în deplasarea sa cu viteză de maxim 30 mm/s în lungul axei cilindrului (Desenul 2 pozițiile 1-4), să intre în contact cu lamelele metalice, de fiecare dată, pe alte suprafețe ale materialului organic. Pentru un transfer termic optim prin puntea termică metalică, lamelele sunt sudate de corpul cilindric, iar pentru rezistență la coroziune sunt produse din otel inox. Din motive de fluidizare a deplasării materialului organic în lungul reactorului de piroliză, distanța dintre lamele se dimensionează astfel încât suprafața de trecere minimă să fie de 2-3 ori mai mare decât dimensiunea maxima la care a fost tocată materia primă.
Datorita coeficientului de transfer termic prin conducție mic, procesul de piroliză al materialelor organice poate fi considerat un proces de suprafață. Teoretic, pentru micșorarea timpului de rezidență și mărirea eficientei transferului energiei termice în masa de material organic, materia primă solidă ar trebui tocată la dimensiuni comparabile dimensiunilor moleculare. In practică, tocarea materialelor organice solide la dimensiuni mai mici de 2-3 cm este neeconomică. Această realitate practică conduce la limitarea inferioară a diametrului interior al reactorului de piroliză. Limita superioara a diametrului interior este influențată de dimensiunile reactorului de gazeificare. Din aceste 2 condiții, diametrul interior al reactorului de piroliză este limitat în domeniul 200-500mm, ceea ce conduce la o capacitate de procesare 0,8-2,5 t/h. In cazul în care este necesară o capacitate de procesare mai mare, într-un gazeificator pot fi montate mai multe reactoare de piroliză.
In continuare este prezentat un exemplu practic de instalație pentru aplicarea procedeului descris.
EXEMPLU - Reactorul de piroliză prezentat în desenul 2 este un reactor cu diametrul interior de 240 mm care poate procesa 0,8-1 tona/ora deșeuri municipale solide din categoriile nepericuloase și periculoase indiferent de a 2020 00266
18/05/2020 procentul de apă conținut. Reactorul conține 8 seturi de lamele metalice cu înălțimea de 10 cm sudate la peretele cilindric exterior pentru preluarea energiei termice prin conducție și realizarea transferului termic prin convecție către materia primă organică. Suprafața totală de contact a celor 8 seturi de lamele însumează 1,6 m2. Intre seturile de lamele este o distanță de 4 cm pentru reașezarea și omogenizarea fluxului de material organic. In cadrul experimentelor proprii am testat viteze de deplasare a materialelor organice de 10 pana la 30 mm/s. S-a obținut o distribuție relativ uniformă a temperaturii pe lamelele de contact, de la 100°C la intrarea în reactor la 800°C pe ultimul set de lamele, fenomen explicabil datorita sistemului de alimentare și distribuție a energiei termice precum și a energiei absorbită de materia primă organică introdusă în proces.
Desenul 3 prezintă reactorul de gazeificare.
Reactorul de gazeificare are o formă originală, adaptată procedeului și noilor condiții funcționale, prezentat în Desenul 3, cu detalii ale părții centrale prezentate in Desenul 4. Principalele deosebiri fata de instalațiile existente sunt:
• Lipsește patul fix, mobil sau fluidizat de materie prima organică caracteristic tuturor instalațiilor de gazeificare • Materia primă procesată în reactorul de gazeificare nu mai este material organic ci fazele solidă, lichidă și gazoasă provenite din reactorul de piroliză • In partea centrală (Desenul 4) se observă incinta turbionară (secțiunea „A, poziția 1) unde este introdus agentul de gazeificare (aer sau oxigen) și abur prin intermediul unui sistem de duze (poziția 4) care creează un curent turbionar ascendent. Alimentarea cu abur trece prin peretele camerei turbionare pentru supraîncălzire funcție de regimul de lucru al gazeificatorului. In acest mod peretele camerei turbionare preia și funcția de generator de abur cu capacitate variabilă, adaptată la necesarul de abur funcție de compoziția chimică a materiei prime.
Restul gazeificatorului, grătarul (fix sau mobil), evacuarea zgurii și evacuarea singazului sunt elemente uzuale conform tehnicilor cunoscute. Reactorul de gazificare în totalitate este realizat cu dubla cămașă pentru răcire cu apă/abur, din oțel inox fără izolații termice interioare. La exterior, reactorul este acoperit cu termoizolație din vata minerala pentru reducerea pierderii de energie termica în exterior.
a 2020 00266
18/05/2020 io
Acest reactor de gazeificare cu diametrul interior de 2m, echipat cu 2 reactoare de piroliză cu diametrul interior de 240 mm, are o capacitate de procesare de aproximativ 2 tone pe oră amestec de materiale organice din categoriile nepericuloase și/sau periculoase, cu conținut de apă până la 50% procent de masă. Funcție de utilizarea finală a gazului de sinteză, cantitatea de aer și abur poate fi controlată pentru obținerea unui raport H2/CO intre 0,9 si 100. Randamentul minim de oxidare a carbonului este de 90%.

Claims (9)

1. Procedeu de tratare a amestecurilor eterogene de substanțe și compuși organici solizi și lichizi prin gazeificare, caracterizat prin aceea că acesta constă în :
- Materia primă organică în amestec eterogen aste supusă unui procedeu în doua etape distincte de tratare, piroliză și gazeificare, fiecare etapă cu control independent al parametrilor de proces funcție de parametrii de stare ai amestecului de intrare
- Nu există pat de materie primă organică în fluxul procedeului
- Cele două etape ale procedeului sunt în flux continuu, fără etape intermediare de acumulare
2. Procedeu conform revendicării 1 caracterizat prin aceea că transportul energiei termice din zona exotermă în zona endotermă se realizează prin punte termică metalică, așa cum este ea definită în descrierea invenției
3. Procedeu conform revendicării 1 caracterizat prin aceea că in zona endotermă schimbul de energie termică se realizează prin convecție forțată și radiație intre pereți metalici ficși și un flux de materiale organice în amestec eterogen.
4. Procedeu conform revendicării 1 caracterizat prin aceea că suprafețele metalice care cedează energie termică sunt așezate în fluxul de materiale organice în poziții fixe, diferite, astfel încât suprafața de contact să se schimbe după fiecare 5-20 cm parcurși în interiorul reactorului de piroliză
5. Procedeu conform revendicării 1 caracterizat prin aceea că fiecare grup de lamele metalice din interiorul polizorului formează 2-8 plane de separație în fluxul de materie primă organică, plane de separație diferite față de planele de separație ale grupurilor de lamele adiacente.
6. Procedeu conform revendicării 1 caracterizat prin aceea că în etapa de gazeificare, oxidarea carbonului se produce în 2 incinte diferite, in cascadă, prima incintă cu curgere turbulentă și a doua cu curgere laminară.
7. Instalație de tratare a amestecurilor eterogene de substanțe și compuși organici solizi și lichizi prin gazeificare, caracterizat prin aceea că acesta constă in :
a 2020 00266
18/05/2020
- Unul sau mai multe reactoare de piroliză fixe, poziționate în incinte corespunzătoare create în reactorul de gazeificare, astfel încât prin contact metal pe metal sa creeze punți termice metalice, așa cum sunt ele definite în descrierea invenției, care să transporte energia termică din zona exotermă a reactorului de gazeificare în zona endotermă a reactorului de piroliză
- Un reactor de gazeificare in care produsele de piroliză sunt transferate gravitațional și sunt procesate în două incinte succesive, prima cu curgere turbionară și a doua cu curgere laminară a agentului de gazeificare, respectiv aer/oxigen și abur
8. Instalație conform revendicării 7. caracterizată prin aceea că reactorul de piroliză de forma cilindrică sau prismatică, de preferință cilindrică, are in interior, poziționate transversal prin sudură la pereții exteriori, 4-14 grupuri de lamele metalice cu înălțime de 5-20 cm, de preferință 10 cm, astfel încât planurile de separație realizate de fiecare grup sa fie diferite de planurile de separație ale grupurilor adiacente
9. Instalație conform revendicării 7. caracterizată prin aceea că reactorul de gazeificare nu are pat de materie primă organică, iar oxidarea produselor rezultate din piroliză se realizează in 2 incinte succesive, cu curgere turbionară si respectiv laminară a gazelor lO. Instalație conform revendicării 7. caracterizată prin aceea că reactorul de gazeificare conține un sistem de duze pentru introducerea aerului/oxigenului și a aburului astfel încât în incinta turbionară să se realizeze un curent turbionar ascendent care va mari timpul de rezidență al produselor de piroliză și va mări eficienta oxidării carbonului
RO202000266A 2020-05-18 2020-05-18 Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici RO134445B1 (ro)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RO202000266A RO134445B1 (ro) 2020-05-18 2020-05-18 Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici
US18/246,249 US20240010941A1 (en) 2020-05-18 2021-04-04 Method and installation for gasification of heterogenic mixtures of organic substances and compounds
PCT/RO2021/050005 WO2021235963A1 (en) 2020-05-18 2021-04-04 Method and installation for gasification of heterogenic mixtures of organic substances and compounds
CA3193438A CA3193438A1 (en) 2020-05-18 2021-04-04 Method and installation for gasification of heterogenic mixtures of organic substances and compounds
EP21730303.1A EP4153701A1 (en) 2020-05-18 2021-04-04 Method and installation for gasification of heterogenic mixtures of organic substances and compounds

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RO202000266A RO134445B1 (ro) 2020-05-18 2020-05-18 Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO134445A0 true RO134445A0 (ro) 2020-09-30
RO134445B1 RO134445B1 (ro) 2021-06-30

Family

ID=72659490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RO202000266A RO134445B1 (ro) 2020-05-18 2020-05-18 Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240010941A1 (ro)
EP (1) EP4153701A1 (ro)
CA (1) CA3193438A1 (ro)
RO (1) RO134445B1 (ro)
WO (1) WO2021235963A1 (ro)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1599398A (en) * 1978-04-27 1981-09-30 Humphreys & Glasgow Ltd Fluidised beds and their operation
DE19747324C2 (de) * 1997-10-28 1999-11-04 Bodo Wolf Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen, Biomassen, Müll oder Schlämmen
FI126357B (en) * 2014-11-14 2016-10-31 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Process and apparatus for gasification of raw material and gaseous product

Also Published As

Publication number Publication date
RO134445B1 (ro) 2021-06-30
CA3193438A1 (en) 2021-11-25
US20240010941A1 (en) 2024-01-11
EP4153701A1 (en) 2023-03-29
WO2021235963A1 (en) 2021-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Fremaux et al. An experimental study on hydrogen-rich gas production via steam gasification of biomass in a research-scale fluidized bed
CA1113881A (en) Process and apparatus for treating a comminuted solid carbonizable material
Umeki et al. High temperature steam-only gasification of woody biomass
Guo et al. Effect of design and operating parameters on the gasification process of biomass in a downdraft fixed bed: An experimental study
EP3077099B1 (en) Plasma reactor and method for decomposing a hydrocarbon fluid
CN100383223C (zh) 生物质的气化方法
US20170137284A1 (en) Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
US9663363B2 (en) Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
AU2014280344B2 (en) Blast furnace and method for operating a blast furnace
González et al. Reduction of tars by dolomite cracking during two-stage gasification of olive cake
CA2865968A1 (en) Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
CN117946767A (zh) 气化系统
Saleem et al. Removal of benzene as a tar model compound from a gas mixture using non-thermal plasma dielectric barrier discharge reactor
UA79216C2 (en) Method for preparation of motor fuel from coal
CN113336196A (zh) 基于微波加热的气化裂解装置及快速制备硫磺气体的方法
AU777849B2 (en) Method and device for disposing of waste products
BRPI0716221A2 (pt) Processo para produção de combustíveis a partir de desperdícios.
RO134445A0 (ro) Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici
Tamošiūnas et al. Waste glycerol gasification to syngas in pure DC water vapor arc plasma
US8974555B2 (en) Method and apparatus for treating a syngas
CA3108279A1 (en) Biomass processing devices, systems, and methods
US20100155216A1 (en) Device and method for thermal decomposition of organic materials
WO2007012149A1 (en) A method of converting organic wastes into fuels
Messerle et al. Solid fuel plasma gasification
CN106276903B (zh) 一种制备富氢气体和电石的系统及方法