SE0801266A0 - Tvåstegsförgasare som använder förupphettad ånga av hög temperatur - Google Patents

Description

Tillämpningen av teknologin med partiell förbränning av inkommande kolhaltiga material är vida utbredd. Med den teknologin erhålls den icke brännbara gasen C02, och eftersom den ej avlägsnas leder detta till en utspädd syntesgas, och LCV (low caloric value - lågt värmevärde, ett mått den torra gasmassans förbrännings- värde) hos den framställda syntesgasen blir begränsat. Förekomsten av C02 leder dessutom till ett lågt partialtryck för de andra gasslagen, som inte är gynnsamt för andra värdefulla förgasningsrealdioner, t.ex. vattengasskift-reaktionen. Vätehalten i syntesgasen kommer därmed att påverkas.

Idén att tillföra den mesta energin med användning av kännbart värme för förgas- ningsprocessen har nyligen undersökts, och positiva resultat har demonstrerats.

Uppfinningen av Yoshikawa, Kunio (Sagamihara-shi, JP) och Suzuld, Narumí (Taji- mi-shi, JP) i US 2004/ 0060236, ”Apparatus for gasifying solid fuel”, beskriver ett ekonomiskt småskaligt förgasningssystem för förgasning av fast bränsle till pyrolys- gas varvid upphettad ånga/ luft införs i en reformer tillsammans med pyrolyserad gas som ger en reformerad orenad gas med hög temperatur. I detta fall kommer ånga/ luft av hög temperatur att erhållas huvudsakligen genom användning av en regenerativ värmeväxlare med bikakestruktur som exempelvis beskrivits i US 6 837 910. Temperaturen hos det heta förgasningsmediet får ej vara över 1600 K (l323°C). Om ren ånga används för förgasningsprocessen med användning av den regeneratíva värmeväxlaren kommer ångans temperatur att vara vid nivån 700- 1250°C.

Andra kända system som utnyttjar luft/ånga/ syre med hög temperatur, så hög som l000°C, för en biomassa/ avfallsförgasningsprocess har även använts (Lucas C., Szewczyk D., Blasiak W., Mochida S., High Temperature Air and Steam Gasification of Densified Biofuels, Biomass and Bioenergy, volym 27, 6:e utgåvan, december 2004, s. 563-575). En tjärfri väterik gas har även föreslagits, där processen utförs med endast ånga vid en temperatur på 1000°C och vid ett konventionellt tryck på ca 1 atmosfär (Ponzio Anna, Yang Weihong, Lucas C, Blaziak W, Development of a Thermal Homogenous Gasifier System using High Temperature Agent, CLEAN AIR - International Journal on Energy for a Clean Environment, vol. 7, nr 4, 2007). 3 En annan utveckling av användningen av medium med hög temperatur för förgas- ningsprocesser, d.v.s. ren ånga för förgasning, har beskrivits i t.ex. US 2003 / 0233788, Lewis Frederick Michael (El Segundo, CA) ”Generation of an ultra- superheated steam composition and gasification therewith”, där en ny metod som utnyttjar kännbart värme hos ångan föreslås. Det är en metod för förgasning av kolhaltiga material till bränslegaser. Det omfattar bildning av en sammansättning av ultrasuperuppvärmd ånga (USS) huvudsakligen innehållande vattenånga, koldi- oxid och höggradigt reaktiva fria radikaler därav, vid en hög temperatur om 1316°C till ca 2760°C. USS-flamman bringas i kontakt med ett kolhaltigt material för snabb förgasning/reformering därav. En reglerad mängd syre för oxidation av bränslet för upphettning av ångan måste dessutom användas, vilket ökar driftkostnaden. Dess- utom erfordras ändå när temperaturen hos den rena ångan är lägre än 1802°C ett överskott av ånga för omvandling av allt kol. Kolomvandlingshastigheten är dessut- om långsam.

A11 känd teknik som nämnts ovan utnyttjar endast enstegsreaktorer, antingen en förgasare med fast bädd eller med fluidiserad bädd.

Det är känt att den termiska omvandlingen av biomassa/ avfall/ kol kan förstås som två huvudsakligen höggradigt endoterma steg: avspaltning av flyktiga komponenter och tjåromvandling. Såsom påvisats i tidigare studier kommer 90% av det flyktiga innehållet i den totala vikten av biomassa att frisättas omedelbart om den skulle uppvärmas till över 600°C. Det andra steget år en tjäromvandling. För att få tjärfri aska, d.v.s. 100% tjäromvandling, erfordras en mycket högre temperatur för den termiska omvandlingen av tjära. Vanligen bör denna temperatur vara högre än lO0O°C, beroende på asksmältpunkten.

Förgasare av typen med fast bädd används i stor omfattning i småskalig energipro- duktion (< 10 MWfh) tack vare dess mycket enkla konstruktion och drift. Det är up- penbart att om utformningen av en förgasningsreaktor med fast bädd följer dessa två steg skulle den vara mer effektiv ur många synvinklar.

Det finns omfattande studier på denna funktion för förgasare med fast bädd. Se- kundär luftinsprutning i förgasaren används ofta. Exempelvis rapporterade Pan et 4 al. (Y.G. Pan, X. Roca, E. Velo och L. Puianer, i Removal of tar by secondary air injection in fluidized bed gasiñcation of residual biomass and coal, Fuel 78 (1999)(14), s. 1703- 1709) 88,7 vikt-% tjärminskning genom insprutning av sekun- där luft just ovanför punkten för biomassans inmatning i den fluidiserade bädden vid en temperatur på 840-880°C.

Narv et al. (P.I. Narv, A. Orpso, M.P. Aznar och J. Corella, Biomass gasification with air in an atmospheric bubbling fludized bed. Effect of six operational variables on the quality of produced raw gas, Industrial and Engineering Chemistry Research 35 (1996) (7), s. 2 1 10-2120) utförde sekundär luftinsprutning i fribordet hos en förga- sare med fluidiserad bädd och observerade en temperaturökning om ca 70°C som resulterade i en tjårminskning från 28 till 16 g/ Nm3.

The Asian Institute of Technology (AIT), Thailand modifierade en biomassaförgasare vilket resulterade i bränslegas med en tjärbildning på ca 50 mg/ Nmß, vilket år ca 40 gånger mindre än en enstegsreaktor under liknande driftförhållanden (T.A. Milne och RJ. Evans, Biomass Gasification ”Tars”: Their Nature, Formation and Conver- sion. NREL, Golden, CO, USA, rapport nr NREL/TP-570-25357 (1988). Detta kon- cept involverar en nedströmsfórgasare (downdraft) med luftintag i två nivåer. Den bildade tjäran vid biomassapyrolysprocessen passerar genom en högtemperatur- bädd för resterande tjära vid botten och sönderdelas vid den förhöjda temperaturen.

Bhattacharya et al. rapporterade i (S.C. Bhattacharya, M.R. Siddique och H.L., A study on Wood gasiñcation for low-tar gas production, Energy 24 (1999), s. 285- 296) en liknande förgasare där tjära bildad inuti själva förgasaren fungerade som ett filter som ytterligare betydligt reducerade tjärbildningen vid 19 mg/ Nm3 högre CO- och Pig-koncentration i bränslegasen.

Cao (Y Cao, Y Wang, J T Riley, W. Pan, a novel biomass air gasification process for producing tar-free higher heating value fuel gas.) etc. rapporterade ett arbete avse- ende en reaktor i två områden med fluidiserad bädd. I detta arbete insprutades en understödjande bränslegas och andra luftström i reaktorns övre område för minsk- ning av tjärkompositionerna. Experimentella resultat visade ett värmevårde på ca 5 MJ/ Nmß.

US 6 960 234 B2 utfärdat till Scott E. Hassett presenterade en mångfasetterad för- gasare och relaterade metoder. Det år en förgasare som kombinerar en sektion med förgasning i fast bädd och en med förgasning i ett flöde (entrained flow). Enligt detta patent kan aktivt kol bildas. Detta patent anger i själva verket en flerkomponent (luft) -insprutningsfórgasare US 6 647 903 B2 utfärdat till Charles W. Aguadas Ellis presenterar ett förfarande och anordning för generering och användning av brännbar gas med användning av luftinsprutning i två steg, vilket resulterar i mycket mindre tjära. I vissa arbetssätt kan även aktivt kol genereras.

JP 6 256 775 introducerade fullständig förgasning av organiskt material i två steg för metansyntes. I detta arbete används ånga och syre som förgasningsmedium. Ändamålet med sekundär syre / luft- och / bränsle-insprutning i ovannämnda studier är att öka temperaturen i fribordet för sönderdelning av tjäran, och troligen förbätt- ring av ångreforrneringsreaktionen. lnsprutningen av sekundär luft ökar emellertid inte endast halten av utspädande komponenter, särskilt kväve, utan minskar även det brännbara innehållet som genereras av förgasningen. Detta resulterar i en minskning av lågt värmevärde (LCV) för de framställda gaserna. Insprutning av se- kundär luft leder dessutom till att det blir svårare att reglera produktgasens sam- mansättning.

Ett annat problem är att de flesta av ovannämnda tillgängliga fastbäddsförgasare endast kan behandla grovt fast råmaterial (typiskt med diameter större än 0,5 mm), eftersom ñnkorniga partiklar leder till igensättning av hålrummen mellan de grova partiklarna, och även till svårighet att använda flytande kolhaltiga material.

För att kunna framställa brännbara gaser med medelhögt och högt lågt värmevärde (LCV) och kunna förgasa både fasta och flytande/fmkorniga råmaterial samtidigt, och även framställa andra värdefulla material, såsom aktivt kol, föreslås här en ny fastbäddsförgasare. Förgasaren definieras i patentkrav 1. En metod att förgasa ett grovkornigt kolhaltigt råmaterial med en tvåstegsförgasare med två reaktorer, för erhållande av syntesgas, valfritt tillsammans med aktivt kol, där inget syre matas 6 till reaktorn i första steget, utan endast förupphettad ånga med en temperatur om minst 700°C beskrivs även. Metoden anges i patentkrav 5.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN För en tvåstegsförgasare enligt känd teknik, som beskrivs i JP 6256775, som anges i ingressen i patentkrav 1, har ovannämnda ändamål fyllts med hjälp av de teknis- ka särdragen enligt den kärmetecknande delen av nämnda patentkrav.

Enligt en aspekt avser uppfinningen följaktligen en tvåstegsförgasare.

I förgasaren enligt uppfinningen möjliggörs samtidigt förgasning av fast grovkornigt material å ena sidan och fast finkornigt och/ eller flytande material å. den andra.

Kolhaltigt grovkornigt material inmatas till den första reaktorn och kolhaltig (av- fal1s-) vätska och / eller kolhaltigt finkornigt fast material inmatas till den andra re- aktern.

I en föredragen utföringsform av tvàstegsförgasaren är en avsmalnande del med ett reducerat tvärsnitt anordnat vid botten av den första reaktom och/ eller i toppen av den andra reaktorn, och företrädesvis även i botten av den andra reaktorn.

I ytterligare en föredragen utföringsforrn av tvâstegsförgasaren leder ett eller flera, och företrädesvis samtliga inlopp for ånga, luft, syre och kolhaltig (avfalls-) vätska och/ eller kolhaltigt finkornigt fast material in i förgasaren tangentiellt i motsvaran- de delar av förgasaren, vilka delar har ett inre cirkulärt tvärsnitt.

I ytterligare en föredragen utföringsform av tvåstegsförgasaren omfattar inloppen för kolhaltig (avfalls-) vätska och /eller kolhaltigt finkornigt fast material minst två in- lopp åtskilda med maximalt avstånd från varandra längs det invändiga cirkulära tvärsnittets omkrets.

Enligt en annan aspekt avser uppfinningen ett förfarande för förgasning av ett grovkornigt kolhaltigt råmaterial, med användning av en tvåstegsförgasare med två 7 reaktorer, för framställning av syntesgas, valfritt tillsammans med aktivt kol. Ett sådant förfarande anges i patentkrav 5.

Enligt en föredragen utföringsforrn av förfarandet inmatas externt genererad fö- rupphettad ånga med en temperatur på minst 7 OO°C även in i reaktorn i det andra steget. Med denna utföringsform kan den intema förbränningen i iörgasaren hållas till ett minimum, eftersom den erforderliga energin tillförs från externt håll. Följakt- ligen erfordras inte tillförsel av luft eller syre för värmegenerering genom inre för- bränning i denna utföringsform. När luft eller syre ej tillförs reaktom i det andra steget kan även utbytet av aktivt kol maximeras.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av förfarandet tillförs även luft till den andra reaktorn (d.v.s. utöver högtemperaturångan). Med denna utföringsform kan syntesgas med särskilt hög kvalitet erhållas, eftersom kol omvandlas även till CO, och inte endast till aktivt kol. Beroende på förhållandet ånga/ luft kan förbränning- en dessutom fortfarande undvikas (d.v.s. bildning av C02). Samtidigt kan förhållan- det COzaktivt kol även regleras genom reglering av förhållandet ånga/ luft.

Enligt ytterligare en föredragen utföringsform av förfarandet används rent syre (istället för luft). Enligt denna utföringsform kan förfarandet användas för industri- ella ändamål. Behovet av separation av biprodukter minimeras även, och oönskad utspädning av den gasformiga produkten hålls till ett minimum.

Ytterligare utföringsformer och fördelar kommer att framgå ur den detaljerade be- skrivningen och patentkraven.

KORTFATPAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Figur 1 visar ett systemflödesdiagram som allmänt åskådliggör den uppfinnings- enliga förgasningsprocessen för biomassa och fast avfall.

Figur 2 visar en tvärsnittsvy av en utföringsform av förgasaren 21. l5 8 Figur 3 år en planvy över förgasaren som visar den tangentiella insprutningen av flytande råmaterial med inloppen 19a och 19b.

DETALJERAD BESKRIVNINGEN AV UPPFINNINGEN OCH FÖREDRAGNA UTFÖ- RINGSFORMER DÄRAV Den bakomliggande idén till uppfinningen år att separera förgasaren i två steg: ett första steg för avspaltning av flyktiga komponenter, vilket första steg endast utnytt- jar externt genererad förupphettad ren ånga av hög temperatur (700°C-1000°C), och ett andra steg för termisk omvandling av tjära, företrädesvis med användning av en blandning av luft och ånga förupphettad till hög temperatur (över 700- l400°C) så- som visar i figur l.

I den första reaktom tillförs den energi som används för avspaltning av flyktiga ma- terial från både kännbart värme hos ångan, och från den heta ström som kommer från den andra reaktorn. Temperaturen i denna reaktor regleras till en nivå på minst 600°C genom kvantitet av och temperatur hos ångan.

I denna reaktor sker avspaltningsprocessen av flyktigt material från blandningen av högtemperaturånga och råmaterial (biomassa), efter det att biomassan upphettats av högtemperaturånga, enligt: kolhaltjgt råmaterial värme från högtemperaturånga (ll _--->flyktigt material (Cml-In, CO, H2, C02, 02 etc.) + tjära Samtidigt sker, på grund av närvaro av ånga, reaktion med de flyktiga komponen- terna: CmHn + H20 <-> CO + H2 (2) CO + HgO-a C02 + Hz (3) En del syre som frisatts från från pyrolysen och från den andra reaktorn reagerar enligt: cmHn + (m/z + n/4)o2-> mco + n/2H2o (4) CO + %O2 _) C02 (5) H2 + %O2 _) H20 (Ö) CO + HgÛ-á CO2+ Hg (7) Eftersom reaktortemperaturen i det första stegets reaktor år reglerad till en nivå på minst 600°C, uppehållstiden är reglerad, gaserna i den första reaktorn befinner sig i en miljö som i mycket hög utsträckning saknar syre, så kommer fast och flytande återstående tjära ej att reagera med oxidationsmedel. Därefter kommer samtliga av dessa att falla ned i den andra reaktorn genom gravitation.

I den andra reaktorn tillförs den energi som används för tjäromvandlingsprocessen företrädesvis från kännbart värme hos blandningen av ånga och luft, och partiell oxidation av tjära. För åstadkommande av tjârfri omvandling bör temperaturen i den andra reaktorn vara högre än asksmältpunkten, för att bringa askan att bilda slagg. För trâbiomassa kan den normalt vara 1300°C.

De huvudsakliga reaktionerna är när det inte finns någon insprutning av annat råmaterial (flytande och finakomiga partiklar): Förgasning: C + 02 => C02 -393,5 kJ/mol (8) C+H2O=>CO+H2+131,3kJ/rno1 (9) C + 21-120 => CO; +H2 +90,2 kJ/mol (10) - Partiell oxidation: C + 0,502 => CO -110,5 kJ/mol (1 l) - Boudouard-reaktion: C + C02 => 2CO -172,4 kJ/mol (12) - Vattengasskift: CO + H20 => C02 +H2 -41,1 kJ/mol (13) - Metanering: CO + 3H2 => CH4 + H20 -206,1 kJ/mOI (14) - Hydrogenering: C +2H2 => CI-L; -75 kJ/mol (15) Når ett andra råmaterial (flytande och ñnkomiga partiklar) insprutas i den andra reaktorn kommer samtliga reaktioner från (1) till (15) att ske.

Många reaktioner sker samtidigt och det är svårt att kontrollera processen exakt såsom påpekats här. Genom noggrant val av processparametrarna (temperatur, reaktionstid och syre/ äng-förhållanden) är det enligt uppfinningen emellertid möj- ligt att maximera vissa önskade produkter, såsom aktivt kol och syntesgas.

Det aktiva kolet kan dessutom behandlas som en samframställning från termisk omvandling av kolbaserade material genom denna uppfinning. Framställningen av aktivt kol inkluderar vanligen två steg: förkolning av råmaterialet i frånvaro av syre vid hög temperatur (500- lOO0°C) för eliminering av huvuddelen av syre och väte samt aktivering av den förkolnade produkten vid en högre temperatur i närvaro av oxiderande gas såsom vatten, koldioxid eller bådadera. Aktiveringen skall utföras under väl kontrollerade förhållanden för erhållande av önskad omvandling.

Enligt uppfinningen förgasas först råmaterialet medelst ren ånga av hög temperatur (vid en nivå på minst 600°C) i den första reaktorn, varefter kolet företrädesvis akti- veras i den andra reaktorn medelst högtemperaturånga.

Här erhålls högtemperaturånga, och valfritt luft eller syre, (över 700°C) huvud- sakligen genom användning av en regenerativ värmeväxlare med bikakestruktur såsom förklarats t.ex. i det amerikanska patentet nr 6 837 910, eller sökandens samtidigt inlämnade provisoriska amerikanska patentansökan nr 6 1 /O ll 031, vil- kas innehåll i relevanta delar införlivas häri genom hänvisning.

Figur 2 illustrerar en tvärsnittsvy av förgasaren 21. Kolhaltigt råmaterial kommer in i reaktorn överst, genom ett inmatningsinlopp 2, och fortsätter nedåt medan det förflyttas genom den första reaktorn 3, passerar sedan gallret 8, kommer sedan in i andra reaktorn 4, och passerar sedan gallret 5 tills det blir en smält aska på botten 6. Råmaterialet kan inkludera biomassa, kol, kommunalt fast avfall, eller någon kombination därav. ll I den första reaktorn 3 upphettas råmaterialet genom en kombination av kännbart värme medfört av högtemperaturångan (över 700°C), och kännbart värme som förs med av rökgaserna som erhålls genom tjäroxidation och förgasning i den andra re- aktorn 4. Högtemperaturånga som förs genom röret 7 för förgasning av råmaterialet i denna reaktor kommer in i en hals 20 genom en öppning (öppningar) 11. Mängden högtemperaturånga som tillförs genom öppningen 7 ställs in så att temperaturen vid punkt 3 (första reaktorn) hålls mellan 600-900°C, och företrädesvis över 700°C.

Vid punkten kring 8 (galler), kan heta förbränningsflarrnnor förekomma när överskottssyre brinner med pyrolysgaser som frisätts från råmaterialet.

Temperaturen i reaktor 3 regleras genom temperaturen och flödeshastigheten för ångan som insprutas från punkt 7, och temperaturen och kvantiteten hos överskottssyre från reaktor 4. Uppehållstiden för råmaterialet i reaktor 3 regleras huvudsakligen medelst gapet i gallret 8.

För att erhålla en god omblandning mellan förgasningsmedium (ånga) med råmate- rialen föredrages en hals 20. Diametern för halsen är vanligen mindre än den hos härden i reaktorn 3. Lutningen 14 bör ligga kring 45-60°. Diametern för ånginmat- ningsöppningen bör vara 2-3 gånger mindre ån den för halsen 20.

Efter det att flyktiga komponenter har avspaltats från bränslet medelst högtempera- turånga i den första reaktorn 3, har återstoden fixerat kol blivit aktivt kol, tjära och fast askmaterial, som fortsätter förflytta sig nedåt genom gallret 8, kommer därefter in i en hals 20, sedan in i den andra reaktorn 4, där de oxideras och förgasas me- delst en blandning av högtemperatur-luft och -ånga. Temperaturen i reaktorn ökas ytterligare till en temperatur som med marginal ligger under askans mjuknings- punkt för bränslet ifråga vid gallret 5. Röret 9 bär blandningen av högtemperatur- luft och -ånga till öppningen 10, kommer sedan in i den andra halsen 18. För trä- pelletar från Sverige sträcker sig askmjukningspunkten från 1350-l400°C. Under drift hålls den maximala topptemperaturen i reaktor 4 minst 50°C under askmjuk- ningspunkten, varvid lOO°C under är den normala maximibetingelsen. 12 Temperaturen i reaktor 4 regleras genom förupphettningstemperaturen, flödes- hastigheten och förehållandet ånga till syre i blandningen, samt förhållandet ånga till kol.

Diametern för den andra halsen 18 är vanligen mindre än diametern för reaktor 4, och även mindre än den för den första halsen 20. Lutningen 17 bör vara kring 45- 60°C. Diametern hos ånginsprutningsöppningen bör vara 3-5 gånger mindre än den för halsen 18.

Askan faller i 6 genom 18 och tas uti omgångar.

Syntesgasen strömmar ut genom utloppsröret 12. Eftersom temperaturen i den för- sta reaktorn är tillräckligt hög, och även ånga finns närvarande, förstörs den mesta tjäran och omvandlas till syntesgas. De huvudsakliga kemiska beståndsdelarna i syntesgasen är väte, kolmonoxid och metan samt koldioxid.

Förgasarens nya utformning har förmåga att fördelaktigt reglera förhållandet väte till kolmonoxid i syntesgasen, eftersom förgasaren har förmåga att inom vida grän- ser ha kontroll över förhållandet ånga till syre i förgasaren.

Genom reglering av temperaturen i den andra reaktorn 4, till kring 7 00°C, d.v.s. samma temperatur som i den första reaktorn 3, förbrukas dessutom alla tjäror och oljor av hög temperaturångan. Detta omvandlar mesta delen av det fixerade kolet till aktivt kol i reaktorn. Den kan därför även generera aktivt kol.

Uppñnningen kan även användas för att framställa aktivt kol. Det finns två metoder vid vilka aktivt kol bildas i förgasaren. Den första är en varvid endast den första reaktorn används, d.v.s. endast högtemperaturånga insprutas genom röret 7. Hög- temperaturblandningen av ånga och luft från röret 9 är stängd. En annan metod år ha båda reaktorerna igång, men att från rör 9 endast inspruta högtemperaturånga.

I detta fall uppsamlas aktivt kol direkt i torrt tillstånd. Den andra metoden kan ge hög kvalitet hos aktivt kol från tjära, eftersom högtemperaturångan som insprutas från röret 9 gör att porerna i det aktiva kolet öppnar sig i den andra reaktorn 4. l5 13 Storleken (pordiametern) kan regleras medelst ångans temperatur i reaktorn 4.

Vanligen ökar en högre temperatur hos ångan porantalet i det aktiva kolet.

Uppfinningen kan således åstadkomma bildning av två produkter (gas och aktivt kol) från råmaterialet. Andelen av produkterna kan bestämmas i enlighet med ty- perna av råmaterial, produkternas pris och så vidare.

Uppfinningen kan dessutom användas för att behandla både grovkorniga partiklar (diameter större än 0,5 cm) av kolhaltiga material och finkorniga partiklar och / eller flytande råmaterial.

Figur 3 visar en tvärsnittsvy av förgasaren 21, som visar den tangentiella insprut- ningen av råmaterial av vätska/ñnkorniga partiklar. Två insprutningslansar 19 (19a och 19b) visas som är kopplade till reaktorn 4. Flytande råmaterial, såsom vätskerester uppsamlade efter en mikrougnspyrolysprocess för Automotive Shred- der Residue-ASR, och finkorniga eller pulvriserade råmaterial kan insprutas i reak- torn 4. Det insprutade råmaterialet kommer in i reaktorn 4 tangentiellt och blandas med luft/ ånga av hög temperatur som kommer från gallret 5. Den tangentiella in- sprutningen kan öka upphållstiden för det vätskefomiiga eller finkomiga råmateria- let. De medsläpade flödesgasema passerar genom det övre fastbäddsgallret 8, kommer därefter in i reaktorn 3 innan de lämnar förgasaren vid utloppsröret 12. lnsprutningsöppningen 19 skall föreligga vid den nedre delen av hården i reaktom 4 för ökning av uppehållstiden. För en småskalig förgasare är vanligen platsen för denna insprutningsöppning (-öppningar) 10 cm övanför den sluttande väggen 17.

Uppehållstiden kan regleras genom insprutningshastighet, insprutningslarisens vinkel i förhållande till förgasaren.

I en föredragen utföringsform består förgasarens väggar av två skikt: ett yttre stål- höje, 5,0 mm tjockt, och ett inre hölje av fibrös keramisk isolering, företrädesvis en högtemperaturbeständig, högkvalitativ keram. Den keram som används vid väggen 13, 14 klarar drift vid en maximal temperatur på l400°C. Detta material är sam- mansatt av AlgOg 45%, SiOg 36%, FeqOg, O,9% och CaO 16%. Den keram som an- vänds vid väggen 15, 16 och 17 är företrädesvis anpassad att motstå en högre tem- 14 peratur på 1400- l500°C. Den maximalt tillåtna drifttemperaturen för detta vägg- material är 1600°C. Materíalets sammansättning är AlgOg, 61%, SiOg 26%, FezOß, O,5%, CaO 2,6°/o, ZrOg 2,95%, och BaO 3,3%. De keramiska materialen är uppbur- na av ett stålhölje.

I en föredragen utföringsform används eldfasta keramiska rör som gallren 8 och 5.

Sammansättningen för dessa keramiska rör kan t.ex. vara 97% ZrOg, och 3 % MgO.

En högtemperaturblandning av luft/ ånga genom röret 9 kommer in i halsen 18 som föreligger nedanför gallret 5. Denna högtemperaturblandning av luft och ånga kan hålla askan i smält tillstånd i halsen 6, faller slutligen ned i botten 6, och kan tas ut i omgångar.

Exempel 1: 97 kg/ h trâpelletar med en diameter runt 8 mm matas in i den första reaktorn frän toppen 1 medelst gravitation vid rumstemperatur (15°C). Träpelletarnas egenskaper visas i tabell 1. 90 Nm3 / h av den högförupphettade blandningen av luft och ånga insprutas i förgasaren genom inloppet 9. Den förupphettade blandningens tempera- tur är 1332°C. Syrekoncentrationen i denna blandning är 9% (vol), och ångkoncent- rationen i blandningen är 51% (vol). Denna högförupphettade blandning av luft och ånga passerar reaktorema 4 och 3, träffar därefter tråpelletarna som insprutas från 1. Den erhållna brännbara gasen flödar ut från 12. Temperaturen för syntetgasen vid utloppet 12 är 554°C. Den erhållna syntesgasens låga värmevärde (LI-IV) är 8,1 MJ /Nm3. Koncentrationen av väte, CO och Cl-Li i den framställda syntesgasen är 16,4 %, 25,1% respektive 4,3% (volym i tonvikt).

Tabell 1 Primär- och elementaranalys av det använda råmaterialen Primäranalys Tfäpeiietaf (WP) Total fukthalt (ss1s717o) 8% Askhalt (SS-187171) 0,5-0,6% (torr) LHV (SS-ISO562) 17,76 MJ / kg (såsom det erhölls) Flyktiga substanser (SS-ISO) 84 % (torr) Densitet 630-650 kg/ m3 Elementaranalys (torra sammansättningar) Träpelletar Svavel (SS- 187177) S 0,01-0,02°/ø Kol (Leco-600) C 50% Väte (Leco-600) H 6,0-6,2% Kväve (Leco-600) N <0,1% Syre (beräknat) O 43-44% Asksmälttemperaturer (oxiderande betingelser) Träpelletar 1350- 1400°C 1450- 1500°C 1 500°C 1500- 1550°C Initial deformation, IT Mjukning, ST Hemisfärisk, HT Temperatur vid flytande tillstånd, FT Exempel 2: 60 kg/ h av avfallshärlett bränsle (RDF), ett pelletfonnigt bränsle framställt av pap- persfiber blandade med andra substanser såsom textilfiber, träspån och plaster, användes som råmaterial med en diameter kring 8 mm, och inmatades i den första reaktorn från toppen 1 genom sin vikt, d.v.s. genom verkan av gravitation, vid rumstemperatur (l5°C). Tråpelletamas egenskaper visas i tabell 1. 101 Nm3 / h av den högförupphettade blandningen av luft och ånga sprutas in i fórgasaren 9. Tem- peraturen för den föruppvärmda blandningen är 1447°C. Syrekoncentrationen i l0 16 denna blandning år 10% (vol), och ångkoncentrationen i blandningen år 4 % (vol).

Denna högförupphettade blandning av luft och syre passerar reaktorerna 4 och 3, träffar därefter träpelletarna som insprutas från 1. Den erhållna brännbara gasen strömmar ut från 12. Temperaturen hos syntesgasen vid utloppet 12 är 804°C. Den bildade syntesgasens låga värmevärde (LHV) är 9,5 MJ / Nmß. Koncentrationen av väte, CO och CH4 i den bildade syntesgasen är 10,4%, 15,3% respektive 6,4% (vo- lym i torrt tillstånd).

Tabell 2 Primär- och elementaranalys av de använda råmaterialen Primär analys Avfallshärlett bränsle (RDF) 2,9 % 6,0 % (torr) 26,704 MJ / kg (såsom det erhölls) 84,4 % (torr) 472 kg/ m3 Total fukthalt (SS 187 170) Askhalt (SS- 187171) LHV (SS-ISO562) Flyktiga substanser (SS-ISO) Densitet Elementaranalys (torra sammansättningar) RDF Svavel (SS- 187 177) S 0,09 % Kol (Leco-600) C 63,3 % Väte (Leco-600) H 8,9 % Kväve (Leco-600) N 0,3 % Syre (Calculated) O 20,95 % Asksmälttemperaturer (oxlderande betingelser) RDF Initial deformation, IT 1210°C Mjukning, ST 1220°C Hemisfärisk, HT 1230°C Temperatur vid flytande tillstånd, FT 1240°C

Claims (10)

10 15 20 25 30 17 PATENTKRAV

1. Tvåstegsförgasare (21) för framställning av syntesgas, och valfritt, aktivt kol, utgående från ett grovkornigt kolhaltigt råmaterial, vilken förgasare omfattar: - ett inlopp (7) för ånga; - ett inlopp (9) för ånga, valfritt tillsammans med luft eller syre; - en första, övre reaktor (3), försedd med ett inlopp (2) för ett grovkornigt kolhaltigt råmaterial (1), och ett utlopp (12) för syntesgas; och - en andra, nedre reaktor (4); varvid den första och andra reaktorn är separerade genom ett organ (8) för be- gränsning av det grovkorníga kolhaltiga råmaterialets passage från den första reak- torn till den andra reaktorn genom verkan av gravitet, varvid den första reaktorn har förmåga att drivas vid en temperatur på minst 600°C, och den andra reaktorn har förmåga att drivas vid en högre temperatur, kännetecknad av att den andra reaktorn är försedd med ett inlopp (19) för ett ñnkornigt fast kolhaltigt råmaterial och/ eller ett flytande kolhaltigt råmaterial, inlopp (7) är beläget nära den första re- aktorns botten, så att förupphettad ånga med en temperatur om minst 700°C kan inmatas till första reaktorn nedifrån via inlopp (7), och av att inlopp (9) år beläget nåra den andra reaktorns botten, så att förupphettad ånga med en temperatur om åtminstone 700°C, valfritt tillsammans med förupphettad luft eller syre med en temperatur på åtminstone 700°C, kan inmatas till den andra reaktorn nedifrån via inlopp (9).

2. Tvåstegsförgasare enligt patentkrav 1, vari en halsdel (20, 18) med ett reducerat tvärsnitt är anordnad i botten av den första reaktorn och/ eller i toppen av den andra reaktorn, och företrädesvis även i botten av den andra reaktorn.

3. Tvåstegsförgasare enligt patentkrav 1 eller 2, vari en eller flera och före- trädesvis samtliga av inloppen (7, 9, 19) mynnar tangentiellt i förgasaren i motsva- rande delar (20, 18, 16) av förgasaren, vilka har invändiga cirkulära tvärsnitt. 10 20 25 30 18

4. Tyåstegsförgasare enligt patentkrav 3, vari inloppet (19) omfattar minst två inlopp (19a, 19b) separerade med maximalt avstånd från varandra längs det cirkulära tvårsnittets omkrets.

5. F örfarande för förgasning av ett grovkornigt kolhaltigt råmaterial med användning av en tvåstegsförgasare med två reaktorer för framställning av syntes- gas, valfritt tillsammans med aktivt kol, omfattande stegen att: (a) ett grovkornigt kolhaltigt råmaterial inmatas till reaktorn i det första steget av förgasaren; (b) det grovkorniga kolhaltiga råmaterialet utsätts för ånga i reaktorn i det första steget vid en drifttemperatur på minst 600°C i reaktorn, för åstadkommande av förgasning av det kolhaltiga råmaterialet; (c) eventuella fasta och flytande kolhaltiga material som erhållits från steg (b) utsätts för ånga och luft eller ånga och syre i det andra ste- gets reaktor som arbetar vid en högre drifttemperatur än i steg (b) för erhållande av valfri kombination av de följande: aktivt kol; CO; C02; och förbränningsvärme; kännetecknat av att inget syre matas till det första stegets reaktor, utan endast förupphettad ånga med en temperatur på minst 700°C.

6. Förfarande enligt patentkrav 5, omfattande ett ytterligare steg (d) enligt vilket ett finkornigt fast kolhaltigt, eller flytande kolhaltigt råmaterial samtidigt ma- tas till det andra stegets reaktor i förgasaren.

7. Förfarande enligt patentkrav 5 eller 6, varvid (c) ångan i steg förupphet- tas till en temperatur på minst 700°C.

8. Förfarande enligt patentkrav 7, varvid förhållandet ånga/ luft eller ånga / syre som används i steg (c) väljs så att den inre förbränningen minimeras, och så att utbytet av CO och/ eller aktivt kol maximeras.

9. Förfarande enligt något av patentkraven 5-8, varvid syre anvånds i stället för luft. 19

10. Förfarande enligt patentkrav 7 eller 8, varvid ingen luft eller syre tillförs förgasaren. l0 15 20 SAM MANDRAG En förgasare beskrivs som kombinerar två reaktorer och som utnyttjar externt ge- nererad förupphettad ånga av hög temperatur som insprutas till den första reak- torn, där upphettningsbehovet för förgasning täcks av kännbart värme från ångan. Förgasaren kan producera syntesgas med medelhögt och högt lågt värmevärde. Den första reaktorn är en förgasningssektion med fast bädd där grovkomigt råmaterial förgasas, och den andra reaktorn är en förgasningssektion med strömmande (entra- ined) bädd där vätskeformigt och finkornigt råmaterial fórgasas. Fast grovkornigt råmaterial befrias först från flyktiga komponenter i den första fastbäddsreaktorn i förgasaren med hjälp av högtemperaturånga, och utsätts därefter i den andra reak- torn för en högre temperatur som är tillräcklig för att sönderdela och förstöra tjäror och oljor. Aktivt kol kan framställas som samtidig produkt. Förgasaren kan användas med olika fasta och flytande råmaterial. Förgasaren har förmåga att förgasa dessa olika råmaterial samtidigt.