SI20749A

SI20749A - Postopek uplinjenja organskih snovi in zmesi snovi

Info

Publication number: SI20749A
Application number: SI200020049A
Authority: SI
Inventors: Heinz-Juergen Muehlen; Christoph Schmid
Original assignee: Dr. Muehlen Gmbh & Co. Kg
Priority date: 1999-09-24
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2002-06-30
Also published as: EP1226222B1; CN1213129C; US7077878B1; HRP20020246A2; CZ20021021A3; DE50010310D1; BR0014217A; WO2001021730A1; PT1226222E; ATE295401T1; EP1226222A1; BR0014217B1; MXPA02003116A; JP2003510403A; CA2387690C; ES2244476T3; DE19945771C1; RU2240341C2; PL194326B1; JP4264525B2

Abstract

Cilj izuma je ustvariti enostavno izvedljiv postopek uplinjenja organskih snovi, za katerega izvedbo bo potrebno malo opreme in katerega produkt je nerazredčen plin visoke kurilne vrednosti. Postopek po izumu odpravlja potrebo po vrtinčnih plasteh in toplotnih izmenjavalnikih z visokimi temperaturami na obeh straneh, pri čemer se toploto iz peči na medij kot nosilec toplote prenaša na posebno določen način. Za dosego tega se vhodno gradivo (101) v piroliznem reaktorju (104) prek obtoka medija kot nosilca toplote deli na hlapno fazo in trden, ogljik vsebujoč ostanek. Ko smo dodali reakcijsko sredstvo (109), se omenjena hlapna faza prek nadaljnjega segrevanja v reakcijskem polju (napravi za reformiranje) (107), torej ob uporabi medija kot nosilca toplote, pretvori v produktni plin. Trdni, ogljikov vsebujoči ostanek se v ločilni postaji (121) loči od medija kot nosilca toplote in v peči (105) sežge. Medij kot nosilec toplote v grelnem polju (117) segrevajo odpadni plini peči (105), nakar se vrne v napravo (107) za reformiranje in zatem v pirolizni reaktor (104).ŕ

Description

DR. MLIHLEN GMBH & CO. KG Herten, Nemčija

Postopek uplinjenja organskih snovi in zmesi snovi

Izum zadeva postopek uplinjenja organskih snovi in zmesi snovi po uvodnem delu patentnega zahtevka 1.

Iz patenta US 4,568,362 [1] je znan postopek uplinjenja organskih snovi in zmesi snovi, pri katerem se organske snovi vodi v pirolizni reaktor, v katerem te snovi pridejo v stik z medijem, kije nosilec toplote, ko pride do hitre pirolize, pri kateri se te snovi pretvorijo v produkte pirolize, t.j. pline pirolize s snovmi, ki morejo kondenzirati, in trdnim ostankom, ki vsebuje ogljik. Do potrebne energije za pirolizo se pride z zgorevanjem trdnega ostanka, ki vsebuje ogljik. Pline pirolize, ki vsebujejo smole, se v drugi reakcijski coni tako podvrže cepilnim (crack) reakcijam in reakcijam z vodno paro, da se dobi plin kot produkt visoke kurilne vrednosti.

Pri tem postopku tako piroliza kot tudi zgorevanje trdnega ostanka, ki vsebuje ogljik, poteka v vrtinčni plasti. V zgornjem delu piroliznega reaktoqa na vrtinčno plast je predvidena reakcijska cona za pline pirolize, ki vsebujejo smole. Medij kot nosilec toplote se skupaj s trdnim ostankom, ki vsebuje ogljik, odvaja delno prek glave piroliznega reaktorja na vrtinčno plast in preostali delež prek na zgornji meji vrtinčne plasti razporejenega voda in dovaja v kurišče na vrtinčno plast. Tam se trdni ostanek, ki vsebuje ogljik, sežge in medij kot nosilec toplote se segreje. Segreti medij kot nosilec toplote in pepel se skupaj z odpadnimi plini odvajata iz kurišča na vrtinčno plast, ločita v nad piroliznim reaktorjem na vrtinčno plast razporejenem ločevalniku plina in trdne snovi in dovajata v reakcijsko cono piroliznega reaktorja, od koder speta padata v vrtinčno plast piroliznega reaktorja (sklenjen krog medija kot nosilca toplote).

Ohranjati te vrtinčne plasti je zelo zahtevno opravilo in vplivati na reakcije plinov pirolize v reakcijski coni komajda mogoče. Za povrh je treba v reakcijsko cono uvajati visokopregreto vodno paro, kar pomeni, da gre za vnos drago pripravljene vode.

Iz patenta DE 197 55 693 [2] je znan postopek uplinjenja organskih snovi in zmesi snovi, pri katerem se organske snovi v reaktoiju na potujočo posteljo spravi v stik z medijem kot nosilcem toplote, tako da pride do hitre pirolize, ko se organske snovi pretvorijo deloma v trden ostanek, ki vsebuje ogljik, deloma v iz hlapnih, plinastih sestavnih delov, ki morejo kondenzirati, sestoječ plin pirolize.

Zatem se nosilec toplote in pirolizni koks vnese v zgorevanje, ko se na eni strani ostanek, ki vsebuje ogljik, sežge in na drugi medij kot nosilec toplote segreje, preden se ga spet uvede v pirolizo.

Plin pirolize, ki vsebuje smole, se po dodatku reakcijskega sredstva, praviloma vodne pare, v kot indirektni toplotni izmenjevalnik izvedeni drugi reakcijski coni tako dogreje, da se dobi produktni plin z visoko kurilno vrednostjo, pri čemer do indirektnega segretja tega toplotnega izmenjevalnika pride prek zgorevalnih odpadih plinov, ki se pri tem ohladijo. Pepel se onstran kurišča iz delnega toka zmesi nosilca toplote in pepela iz trdnega ostanka, ki vsebuje ogljik, mehansko loči od nosilca toplote, ohladi in prek protipovratnozasunske naprave izloči.

Pri tem postopku pa je nekaj vidikov, ki pripravo za izvedbo tega postopka naredijo zamotano in drago in utegnejo škodljivo vplivati tako na obratovanje kot tudi na dostopnost, namreč: najprej, nosilec toplote se od zgorevanja nazaj v pirolizo vodi v segretem stanju, t.j. pri temperaturi daleč nad temperaturo pirolize, ki znaša 550 do 650 °C. Poseči je torej treba po z vidika gradiv in mehanskih lastnosti posebno zahtevnih transportnih organih. Nadalje je treba, vsaj kar zadeva zmes segretega nosilca toplote in pepela, računati z zmehčanjem pepela in vzročno s problemi zapečenja. Kot drugo pa uporabljeni indirektni izmenjevalnik toplote na osnovi svojih delovnih parametrov - obojestransko temperature 500 do 1.000 °C, enostransko reducirajoči pogoji, močno korodirajoči sestavni deli tako v piroliznem plinu in plinu kot produktu kot tudi v zgorevalnih odpadnih plinih - terja zelo zahtevna gradiva in zaradi možnega zmehčanja pepela dodaten, v danih razmerah zahteven čistilni sistem. Nevarnost zapečenja pepela v toplotnem izmenjevalniku postavlja tudi obratovanju in izvedbi kurišča ozke meje. Nadaljnja težava je v primešanju pare k plinom pirolize, namreč: bodisi da se para na ne enostaven način visoko pregreje ali da imajo opraviti z znižanjem temperature, ki lahko vodi h kondenzaciji smol in s tem k problemom zaradi zapečenja. Slednjič niso izključene situacije, ko definiranega prehoda toplote na medij kot nosilec toplote, ki ga je treba vnovič segreti, v kurišču ni moč zagotoviti. Bati seje zatorej, da se pirolizni koks in medij kot nosilec toplote v kurišču razmešata, tako da, denimo v primeru kurišča na rešetko, pirolizni koks zgori zgoraj na plasti, medtem ko se medij kot nosilec toplote prek od spodaj dotekajočega zraka rešetke celo še ohladi.

Izumu je za osnovo naloga, dati na voljo enostavno izvedljiv postopek pridobivanja visokovrednega, nerazredčenega in na kurilni vrednosti bogatega produktnega plina z majhno aparatumo zahtevnostjo, pri katerem ne bo šlo za vrtinčne plasti ali toplotne izmenjevalnike z obojestransko visoko temperaturo in pri katerem gre pri prehodu toplote iz kurišča na medij kot nosilec toplote za posebno definirane razmere.

To nalogo se reši s kombinacijo izumskih značilnosti patentnega zahtevka 1. Podobno kot v [2] gre za temeljni pristop, da se postopek deli na tri enostavno izvedljive postopkovne korake, namreč:

hitro pirolizo, pridobitev produktnega plina iz plinov pirolize po primešanju procesne pare v homogenih plinofaznih reakcijah ob dovajanju toplote, pridobivanje za pirolizo in plinofazne reakcije potrebne toplote prek sežiganja piroliznega koksa, trdnega ostanka, ki vsebuje ogljik.

Nekaj bistveno novega pa vsebuje zamisel, da se toploto v kurišče prenaša na definiran način in prisilno vezano na medij kot nosilec toplote. Če namreč, kot po [2], pirolizni koks in medij kot nosilec toplote v kurišče vnašamo kot zmes, je treba računati s tem, da se, denimo na zgorevalni rešetki, medij kot nosilec toplote in pirolizni koks razmešata, tako da se med zgorevanjem medij kot nosilec toplote ne le nezadostno segreje, ampak se prek od spodaj skozi rešetko dotekajočega zgorevalnega zraka celo hladi. Edinole v vrtilni cevni peči ali vrtinčni plasti si lahko mislimo definiran in prisilen prenos toplote, saj se tu trdne snovi intenzivno premešajo prek podpihovanja rešetke. Pri tem pa je vrtilna cevna peč zelo drago kurišče s slabim primešavanjem zraka, medtem ko vrtinčna plast ne pride v poštev iz zgoraj omenjenih razlogov.

Po izumu se torej neposredno po zapustitvi piroliznega reaktorja zmes piroliznega koksa in medija kot nosilca toplote razstavi in pirolizni koks prenese v kurišče, medtem ko se medij kot nosilec toplote transportira v segrevalno cono, kjer ga, kot nasutje, prepihavajo vroči dimni plini, tako da je segrevanje definirano. Prek s tem dosežene ločitve zgorevanja piroliznega koksa na eni strani in segretja medija kot nosilca toplote na drugi se dosežeta dve stvari: kot prva, zgorevanje piroliznega koksa se da povsem prirediti potrebam tega goriva, t.j., v poštev pride vnovič pravzaprav sleherni tip kurišča. Kot druga, segrevalno cono medija kot nosilca toplote se da prestaviti v poljubno točko določene naprave po postopku tega izuma, tako da imamo namesto zahtevnega mehanskega transporta na skrajno procesno temperaturo segretega medija kot nosilca toplote edinole sorazmerno enostaven transport vročih odpadnih plinov iz kurišča in transport medija kot nosilca toplote z najnižjo procesno temperaturo - temperaturo vznožka po zapustitvi piroliznega reaktoija - v segrevalno cono.

Po izumu se pirolizo organske snovi izvede v reaktoiju, ki pri skrajno možni aparatumi enostavnosti in robustni izvedbi omogoča na skrajno učinkovit način prehod za segrevanje, sušenje in pirolizo potrebne toplote. S tem pride za to nalogo praviloma v poštev reaktor na potujočo posteljo ali vrtilni boben. Temperatura pirolize tedaj leži smotrno v območju med 500 in 650 °C.

Način ločitve piroliznega koksa in medija kot nosilca toplote je odvisen od lastnosti medija kot nosilca toplote in ločitev lahko poteka na razne načine. Pri mehanskem ločevanju gre lahko denimo za dvostopenjsko sejanje. Pri tem je dobrodejno, da temperatura sredstev, ki se ločujeta, znaša samo okoli 500 do 600 °C, tako da se lahko poslužimo vsakdanjih gradiv. Ločevanje s sejanjem v dveh stopnjah pride v poštev, ko medij kot nosilec toplote sestoji iz oblikovno obstojnih delcev znotraj ozkega spektra velikosti zrn. Pri tem se nosilec toplote odtegne kot srednjo frakcijo, medtem ko se v

pirolizni koks odtegne kot grobo in drobno frakcijo. Ce sta koraka sejanja dovolj blizu drug drugega, pride po deležu prav malo piroliznega koksa v medij kot nosilec toplote, kjer praviloma ne moti. Nadaljnja možnost je izkoriščanje nosilca toplote z magnetnimi lastnostmi, denimo jeklenih krogel. Te se da s pomočjo magneta ločiti iz zmesi. Ob tem je vsekakor treba pripomniti, da magnetnega ločevanja vročih sipkih materialov še ni moč uresničiti z vsakdanjimi komponentami. Slednjič se kot možnost ponuja ciklonsko ločevanje, če ima medij kot nosilec toplote zadostno gostoto. Kot ciklonski fluid se pri tem ponuja zgorevalni zrak, smotrno vsekakor iz varnostnih razlogov delni tok nazaj zakroženih dimnih plinov. V takem primeru se priporoča, da se kurišče razporedi zelo blizu pri ločevalni stopnji. V kurišču naj se tedaj s pridom uporabi fluidizacijo oz. disperzijo goriva v nosilnem plinu, kot naprimer ciklonsko kurišče.

Z ločitvijo medija kot nosilca toplote in piroliznega koksa je zdaj tip kurišča domala nepomemben. Velja pa nekaj robnih pogojev, kot: prvi, pri dani temperaturi reformiranja je treba dimne pline na koncu kurišča oddati s temperaturo, v kateri so upoštevane toplotne izgube na poti k segrevalni coni, stopnja koncentracije prenosa toplote na medij kot nosilec toplote znotraj segrevalne cone in stopnja koncentracije nosilca toplote pri prenosu toplote v drugi reakcijski coni med reformiranjem. Če temperatura reformiranja znaša denimo 1.000 °C, naj bo nosilec toplote pri vstopu v to cono vroč okoli 1.050 °C. Pri ustrezni zasnovi segrevalne cone se da to doseči s 1.075 °C vročimi dimnimi plini. Da se pokrijejo izgube poti od kurišča k tej segrevalni coni, morajo biti, ko zapustijo kurišče, dimni plini bolj vroči, vroči naprimer 1.100 °C. In drugi, mnogkrat je treba spoštovati robne pogoje, ki jih določajo mineralni deleži piroliznega koksa. Taljenja ali posintranja pepela v osnovi sicer ni treba izključevati, ampak v danem primeru, ko se uplinja denimo kokošji gnoj in se dobljeni pepel uporabi kot visokovredno koristno gnojilo, je pepel kot produkt pač treba odtegovati suhega brez slehernega mehčanja. V takih primerih pride v poštev naprimer stopenjsko sežiganje v podstehiometričnih pogojih, ko se šele z vnosom sekundarnega zraka zgodi popoln sežig in s tem dobi potrebno temperaturo. Omeniti še gre, da se da v primerih, ko nastali pirolizni koks za pridobivanje procesne toplote ne zadošča, hkrati sežigati produktni plin.

Drugo, pomembno izpopolnitev predstavlja tukajšnja vključitev druge reakcijske cone v sklenjeni krog nosilca toplote, namreč do reformiranja pride v neposrednem stiku z medijem kot nosilcem toplote po znanih reakcijah z vodno paro, denimo

C_nH_m + n H₂O n CO + (m/2 + n) H₂.

Pripečenja postanejo s tem zdaj zaradi možnega nastajanja saj in drugih cepilnih (crack) procesov taka, da jih je moč tolerirati, saj se zaradi kroženja medija kot nosilca toplote toploto prenašajoče površine vedno znova regenerirajo. Posledica vključitve druge reakcijske cone v krožni tok nosilca toplote je znatno povečanje krožnega toka nosilca toplote.

Postopek po izumu odpira vsaj dve principski možnosti vodenja krožnega toka nosilca toplote. Glede na nosilec toplote se da drugo reakcijsko cono in pirolizni reaktor vezati drugega za drugo ali vzporedno. Bistvena prednost serijske vezave je v aparatumi enostavnosti, namreč segrevalna cona, druga reakcijska cona in pirolizni reaktor so razporejeni drug/druga pod drugo, tako da se, gnan od težnosti, medij kot nosilec toplote premika skozi ureditev od zgoraj dol. Piroliza je v primerjavi z v [2] opisano ureditvijo v tolikšni meri spremenjena, da moramo zdaj pirolizo izvajati z mnogo več medija kot nosilcem toplote z vsekakor opazno nižjo temperaturo. Če medij kot nosilec toplote v drugo reakcijsko cono za potrebe reformiranja vstopa denimo s temperaturo 1.050 °C, le-to zapušča s samo še z okoli 750 °C. Pri vzporedni vezavi se pirolizna stopnja v primeijavi z v [2] opisano ureditvijo ne menja. Zaradi delitve vročega toka nosilca toplote na pirolizni reaktor in drugo reakcijsko cono in temu sledeče združitve je vsekakor računati z več aparatumimi postavkami. Iz tega razloga se vzporedni vezavi daje prednost tedaj, ko je zaželen stik vhodne snovi s posebno vročim medijem kot nosilcem toplote.

Slednjič naj obdelamo še primešanje procesne pare k piroliznim plinom pred reformiranjem v drugi reakcijski coni, namreč pri primešanju naj bi šlo glede na pričakovane homogene reakcije plinskih faz za presežek, saj se da dosledno le na ta način zadrževati možno nastajanje saj. Oporišče za to obstaja v ohranjanju določene koncentracije vodne pare v svežem produktnem plinu, namreč naprimer 20 vol.% ali več. Po drugi strani je pričakovati, da utegne biti regulacija količin dodajanja procesne pare s koncentracijo vodne pare kot merilno veličino zelo zahtevna in draga. Boljša bi bila nastavitev trdne vrednosti, ki sejo vodi v odvisnosti od zmogljivosti prek meritve količin, ki je po možnosti brez nadaljnjega na voljo. Izvedbena možnost izumskega postopka, ki jo je tu vsekakor treba omeniti, obstaja v izboru kraja mešanja procesne pare s piroliznim plinom. Do mešanja sicer mora priti najkasneje pred vstopom v drugo reakcijsko cono, kjer poteka reformiranje, toda da se ga prestaviti po toku gor v pirolizni reaktor in tam poljubno v notranjost piroliznega reaktorja vse tja do spodnjega konca le-tega. S spodnjim koncem piroliznega reaktorja je pri tem mišljen izstop zmesi iz medija kot nosilca toplote in trdnega ostanka, ki vsebuje ogljik. Na ta način se sicer spremeni delitev vnesene toplote med pirolizo in reformiranje, ampak ne nazadnje ima odplavljanje pirolize s paro pri dodajanju pare v bližini izstopa na strani trdne snovi iz piroliznega reaktorja v več pogledih gotove prednosti, namreč, prvo, temperatura piroliznega plina na poti v drugo reakcijsko cono ne pade na nobenem mestu, tako da ni treba računati s kondenzacijo. Drugo, iz [3] je znano, da se da izplen hlapnih sestavin pri pirolizi biomas prek odplavljanja z vodno paro povečati. To ima lahko svoje prednosti, saj se, če gre za prevelik izplen trdnega piroliznega produkta onstran toplotnih potreb postopka, izplen produktnega plina in v odvisnosti od tega izkoristek hladnega plina manjšata. Slednjič, in tretjo, se da s tem izogniti možnemu uhajanju (puščanju) piroliznega plina v smeri delilne stopnje za medij kot nosilec toplote in pirolizni koks.

Skica SL, 1 kaže možno zasnovo izumskega predmeta. Pri njej gre za v podrobnostih zgoraj predstavljeno serijsko vezavo, ko se od zgoraj dol druga/drug za drugo nahajajo segrevalna cona, druga reakcijska cona (cona za reformiranje) in pirolizni reaktor. Vhodno snov 101 se prek transportne naprave 102 in protipovratnozasunske naprave

103 vodi v pirolizni reaktor 104. Transportna naprava 102 je zasnovana kot transportni polž, tračni transporter ali podobno in je lahko ogrevana, pri čemer se s pridom, namreč za povečanje skupnega izkoristka, izkoristi nizkotemperatumo toploto 151 iz izkoriščanja odpadne toplote odpadnih plinov in produktnega plina (podrobnosti sledijo). Sopare 152 se, če gre za odprt sistem, odvaja v okolico, sicer pa se jih dodaja bodisi piroliznemu reaktoiju 104 ali kurišču 105. Prednost dodajanja v pirolizni reaktor 104 je, daje treba dodajati manj procesne pare. Tehnično enostavneje pa je dodajanje v kurišče 105, kajti le-to obratuje pod malim podtlakom. Pirolizni reaktor

104 je zasnovan prednostno kot valjast jašek. Poleg vhodne snovi pada tu vanj prek protipovratnozasunske naprave 106 iz druge reakcijske komore (naprave za reformiranje) 107 tudi še medij kot nosilec toplote. Protipovratnozasunska naprava je tu poljubne zasnove, prednostno gre za rako tipa celično kolo ali v taktu pomikajočo rako, in ni nujno proti plinu tesen.

Najprej naj opišemo nadaljnjo pot izrinjenih hlapov. Ti zapustijo pirolizni reaktor 104 v zmesi z dovedeno procesno paro 109 prek ločenega voda 108 v drugo reakcijsko cono 107. Pravzaprav bi bila možna tudi pot prek protipovratnozasunske naprave 106 (in bi tako posebni vod 108 odpadel), namreč tedaj, če bi pri protipovratnozasunski napravi šlo za prepustno (permeabilno) zasnovo, tako da je ta za plin sleherni hip neovirano prepusten, medtem ko medij kot nosilec toplote lahko prehaja skozenj samo dozirano ali v taktih v okviru stanj odprto/zaprto. Namreč medtem ko sme medij kot nosilec toplote v pirolizni reaktor 104 vstopati samo dozirano z možnostjo, da se dotok povsem prekine, mora stalno obstajati možnost, da vsa količina piroliznega plina skupaj s primešano procesno paro 109 neovirano uhaja. Z ustrezno zasnovo dna druge reakcijske cone (naprave za reformiranje) 107 se tok hlapov iz pirolize iz medija 110 kot nosilca toplote vodi po kar se da dolgi poti skozi v napravi za reformiranje nahajajoče se nasutje. Slednje se premika v protitoku z ob segretju v produktni plin reagirajočo plinsko zmesjo od zgoraj dol, pri čemer se ohladi. V zgornjem delu naprave 107 za reformiranje se lahko za podprtje operacije pretvaijanja nahaja katalizator 111 v obliki nasutja ali, kar je prednostno, vložka satovja. Pomembno je, da se katalizator 111 nahaja na zgornjem, vročem koncu naprave 107 za reformiranje, ker je nastali produktni plin na tem mestu še neočiščen in kot tak v odvisnosti od vhodne snovi 101 še lahko vsebuje celo vrsto katalizatorskih strupov, kot denimo žveplo, marsikateri katalizator, naprimer taki na osnovi niklja, pa pri visoki temperaturi postane neobčutljiv in se celo lahko regenerira oz. prosto “zažge”. To bi se dalo v napravi 107 za reformiranje doseči zelo preprosto denimo prek primešavanja od časa do časa malo zraka, pri čemer bi bilo v tem času vsekakor računati z upadom kakovosti produktnega plina. Tok 112 produktnega plina zapušča napravo 107 za reformiranje v smeri gor. Na tem mestu hkrati leži najvišja temperatura trase piroliznega plina oz. produktnega plina, tako da naj bi se zaznavno toploto toka 112 produktnega plina na vsak način koristilo. Do tega lahko s pridom pride v notranjosti kotla 113 na odpadno toploto. Vsaj del tam pridobljene pare se da zatem kot procesno paro 109 v proces spet dovesti. Ko je odpadna toplota izkoriščena, pride surovi produktni plin v čistilno in kondicionimo stopnjo 114, katere način delovanja je prirejen sledečemu namenu vnosa produktnega plina in je kot tak znan. V čistilni stopnji 114 gre hkrati za kondicioniranje tam praviloma iz ohlajanja produktnega plina dobljenega vodnega kondenzata. Za nastavitev tlaka, prednostno majhnega nadtlaka, v piroliznem reaktoiju 104 in transport produktnega plina in predhodnikov le-tega poskrbi ventilator 115. Očiščeni tok 116 produktnega plina zapusti napravo za ventilatorjem 115. V danem primeru kondicionirani tok 153 kondenzata se lahko tedaj kot polnilno vodo dovede v kotel 113 na odpadno toploto ali se ga upari v kurišču 105,

-1010 tako da je možno vodenje vsega procesa v bistvu brez odpadne vode. Ena od možnosti, kako v kurišče dovesti kondenzat, je, da se kondenzat dovede v nadalje spodaj opisano delilno stopnjo 121 in se ga ob ohladitvi nosilca toplote ali ostanka, ki vsebuje ogljik, upari in se sopare dovede kurišču. Če naj se zaznavno toploto izkoristi do skrajnosti in v danem primeru paro odda zunanjemu porabniku (k temu šteje tudi zunanje ali v danem primeru v transporteiju 102 notranje kondicioniranje vhodne snovi), se priporoča edinole vnos sveže vode 154 kot polnilne vode, medtem ko se kondenzat 153 po možnosti v celoti zavrže ali “zažge”.

V sledečem se nadalje zasleduje pot medija kot nosilca toplote in piroliznega koksa. Zmes medija kot nosilca toplote in piroliznega koksa vstopi skozi protipovratnozasunsko in transportno enoto 120 v delilno stopnjo 121. Delovanje slednje, t.j. mehansko s sejanjem ali ciklonskim ločevanjem ali magnetno, je že bilo opisano zgoraj. Ločeni tok 122 piroliznega koksa pride zatem, najbolje takoj, v kurišče 105. Tam le-ta z zgorevalnim zrakom 155 zgori v vroč odpadni plin, ki se ga prek voda 123 za vroči plin transportira k segrevalni coni 117 medija kot nosilca toplote (predgrevalnik). Možnosti, da se prek presežka zraka ali povratnega vodenja dimnih plinov in stopenjskega sežiganja temperaturo v žgalnem materialu in temperaturo dimnih plinov drugo od druge loči, tako da je moč kljub potrebni temperaturi dimnih plinov odvajati suh pepel, se obravnava kot že znane in zato o njih tu ni nadaljnjega govora. Omeniti pa je še treba tok 156 pepela/žlindre, ki kurišče zapušča v smeri ven in se na tej poti v danem primeru ohladi.

Medij kot nosilec toplote transportni organ 124 transportira neposredno k predgrevalniku 117. Transportni organ naj bo prirejen za v mehanskem smislu prizanesljiv transport vročega materiala ob minimalnih toplotnih izgubah. Pri tem naj bi šlo predvsem za vgraditev transporteija s korci, cevnega verižnega transporteija ali dvigala z vedri.

V predloženi izumski izvedbi je predgrevalnik 117 razporejen neposredno nad napravo 107 za reformiranje in od le-te na strani plina ločen prek

-1111 protipovratnozasunske naprave 118. Slednji mora biti kar se le da proti plinu tesen, da ne pride do mešanja dimnih plinov in produktnega plina. Kar zadeva zgradbo, glede protipovratnega zasuna 118 ni posebnih zahtev. Analogno napravi 107 za reformiranje tečejo odpadni plini skozi predgrevalnik od spodaj gor v protitoku medija kot nosilca toplote. Slednji vstopa s procesno temperaturo vznožka okoli 500 °C zgoraj v predgrevalnik 117. Omenjeno procesno temperaturo vznožka se dobi iz končne temperature pirolize, ko od nje odštejemo znižanje temperature zaradi toplotnih izgub. Če je predgrevalnik 117 (analogno velja za napravo 107 za reformiranje) zadosti velik, morejo transporter 124 in protipovratnozasunska organa 118 in 106 obratovati domala poljubno diskon-tinuimo.

Odpadni plini zapustijo predgrevalnik 117 s temperaturo malo nad temperaturo vznožka naprave. Količina odpadnih plinov je praviloma opazno večja od količine produktnega plina. Posledica - izkoriščanje odpadne toplote odpadnih plinov, ko le-ti zapustijo predgrevalnik, se ponuja kot nujnost. To se udejanja smotrno prek predgrevanja zgorevalnega zraka v predgrevalniku zraka (PGŽ) 125, saj je toplota, ki se jo na ta način dobi nazaj, po zgorevanju spet eksergetsko koristno spet na voljo nad temperaturo vznožka naprave okoli 500 °C. Ta vrsta premika toplote po poti priprave pare ni predstavljiva ali je predstavljiva le s sorazmerno velikim aparatumim vložkom. Za PGZ 125 sta razporejena čistilna stopnja 126 in sesalnovlečno puhalo 127, katerih konfiguracija je odvisna od vhodne snovi in veljavnih emisijskih omejitev in katerih način delovanja je kot tak znan. Očiščeni odpadni plin 157 se odda praviloma v okolico, pri čemer se da delni tok 158 voditi nazaj v kurišče 105 zaradi boljšega vodenja temperatur.

Skica SL. 2 poenostavljeno kaže postopkovnotehnično jedro naprave z na strani nosilca toplote vzporedno vezanima drugo reakcijsko cono (napravo za reformiranje) in piroliznim reaktorjem. Pot vhodne snovi 201 skozi pirolizni reaktor 202 in delilno stopnjo 203 h kurišču 204 (zgorevalni zrak 251) ostaja v bistvu nespremenjena. Vsekakor pa se tu

-1212 naprava 205 za reformiranje nahaja poleg piroliznega reaktoija v bistvu na enaki višini, predgrevalnik 206, ki predstavlja segrevalno cono, pa se nahaja nad piroliznim reaktoijem 202 in napravo 205 za reformiranje. Iz predgrevalnika 206 se prek tu nakazanih dveh praznilnih lijakov in dveh drug od drugega neodvisno gnanih dozirnih protipovratnozasunskih naprav 207 in 208 maksimalno segreti medij kot nosilec toplote transportira vzporedno v napravo 205 za reformiranje in pirolizni reaktor 202. Medij kot nosilec toplote, ki zapušča napravo 205 za reformiranje, ne gre prek delilne stopnje 203. Medij kot nosilec toplote, ki je šel skozi pirolizni reaktor 202, in medij kot nosilec toplote, ki se je v delilni stopnji 203 ločil od piroliznega koksa, pa se v transportnem organu 209 združita in potujeta združena v predgrevalnik 206. Kar zadeva tok 210 plina surovega produkta in tok 211 odpadnih plinov za predgrevalnikom 206, pa je tu spet vse enako kot pri serijski vezavi po SL. 1, tako da smemo na tem mestu predstavitev vzporedne vezave prekiniti.

Skica SL. 3 močno poenostavljeno kaže poseben slučaj uporabe izumskega postopka na primeru v skici SL. 1 prikazane serijske vezave, pri čemer ta slučaj uporabe pri na SL. 2 predstavljeni vzporedni vezavi deluje na ustrezen način. Vhodna snov 300 pri tem vstopa kot običajno v pirolizni reaktor 301 in teče skozenj, pri čemer nastaja pirolizni koks. Ta pa se tu v delilni stopnji 302 loči od medija kot nosilca toplote in se ga prek ohlajevalne in kondicionime stonje 303 kot uporabni koks 304 odtegne iz procesa in nadalje uporabi na poljuben način. Stopnja 303 je pri tem denimo lahko pod vakuumom nahajajoč se menjalni vsebnik pa tudi naprava za gašenje koksa na suho. V kurišču 305 se tu za potrebe segrevanja medija kot nosilca toplote sežiga vsaj eno od naslednjih goriv; tuje gorivo 306 ali delni tok 307 produktnega plina ali delni tok 308 piroliznega koksa. Gorivo 306 pa je lahko tudi delni tok 300 vhodne snovi, če je le-to moč sežigati. To pride zlasti v poštev za zagon naprave po izumskem postopku. Sicer pa pridejo v poštev številna plinasta, tekoča ali trdna goriva, namreč če naj se denimo produktni plin izkorišča kot redukcijsko sredstvo v metalurškopredelovalnem procesu, se da kot gorivo 306 uporabiti v danem primeru plavžni plin ali kateri koli drug

-1313 malokaloričen plin. V slučajih, opisanih v povezavi s skico SL. 3, mesto postavitve kurišča 305 ni več nujno v neposredni bližini delilne stopnje 302, ampak se ga da izbrati v bistvu neposredno pri segrevalni coni 309. Napravo 310 za reformiranje to ne zadeva kot tudi ne zadeva kakovosti produktnega plina 311 in nadaljnje obdelave odpadnih plinov 312. V skici SL. 3 so nadalje predstavljeni: transportna naprava 313 za medij kot nosilec toplote, vnašalna protipovratnozasunska naprava 320 za vhodno snov, protipovratnozasunska naprava 321 med napravo za reformiranje in piroliznim reaktoijem, protipovratnozasunska naprava 322 za odtegovanje iz piroliznega reaktoija, protipovratnozasunska naprava 323 med segrevalno cono in napravo za reformiranje, tok 351 zgorevalnega zraka in tok 352 procesne pare.

Izvedbeni primer

V pripravi po SL. 1 se uplinja 200 kg/h (afriškega) lesa, t.j. 286 kg/h zračnosuhega lesa s 30% vlage. Les naj vsebuje 2% pepela (brezvodni) in naj sicer sestoji v bistvu iz 50% ogljika, 6% vodika, 42% kisika in 1,9% dušika, računano brezvodno in brez pepela. Spodnja kurilna vrednost naj znaša 18,0 MJ/kg v brezvodnem stanju. Toplotna zmogljivost uplinjanja naj torej znaša 1.000 kW. Piroliza naj poteka pri 550 °C in reformiranje z vodno paro pri 950 °C. Delovni tlak je atmosferski tlak.

Kot medij kot nosilec toplote se uporabijo jeklene krogle velikosti zrna okoli 10 mm. Medij kot nosilec toplote naj se najprej segreje od 500 na 950 °C. Na osnovi potrebne toplotne moči v višini 251 kW za pirolizo in reformiranje ter za pokritje toplotnih izgub naj obtočna količina medija kot nosilca toplote znaša 4.300 kg/h, torej 21,5kratnik vnosa lesa. Pirolizni reaktor je zidan jašek svetle valjaste višine 1,3 m in svetlega premera 0,9 m, tako da naj bi bilo potujoči postelji, ki se jo pirolizira, na voljo obdelovalni čas 0,5 h. V pirolizi naj se les tako pretvori, da se 20 mas.% suhe snovi lesa, torej 42 kg/h, dobi v obliki piroliznega koksa. Ta naj ima 9,5%-ni delež pepela in naj vsebuje na brezvodni in brezpepelni osnovi 92,2% ogljika, 2,6% vodika in 5,2% kisika. Kurilna vrednost naj znaša 29,1 MJ/kg. Reformiranje naj poteka pri 950 °C v vsipku nosilca toplote na 0,9 m veliki svetli valjasti višini in 0,7 m velikem

-1414 svetlem premeru, tako da se z zanesljivostjo doseže čas zadrževanja plina v trajanju 0,5 s. S tem se dobi naslednji produktni plin:

Kurilna vrednost Vodik

Ogljikov monoksid Metan

Ogljikov dioksid Vodna para Količina

9,10 MJ/kg, suha

59.7 vol.%, suh 17,0 vol.%, suh 1,4 vol.%, suh 21,9 vol.%, suh

24.8 vol.%

402 Nm³/h

Kem. entalpijski tok 765 kW

Entalpijski tok piroliznega koksa v kurišče znaša 341 kW. S tem se dobi toploto za reformiranje, pirolizo, uparitev odpadne vode iz hlajenja produktnega plina in pokritje toplotnih izgub in v kurišču potrebni zgorevalni zrak se segreje na 350 °C. Izkoristek kurišča znaša 80,1%, izguba zaradi odpadnih plinov torej znaša 68 kW. Zaznavna toplota produktnega plina znaša 168 kW, tako da se da pridobiti okoli 145 kg/h nasičene pare nizkega tlaka, od katere je 50 kg/h potrebne kot procesna para v reformiranju, medtem ko se ostanek lahko porabi na druge načine.

[1] Patent US 4,568,362 [2] Patent DE 197 55 693 [3] M. Stenseng, A. Jensen, K. Dam-Johansen, M. Gronli: Experimental Investigation and Kinetic Modelling of Biomass Pyrolysis. Poročilo “2” z Olle Lindstrom-simpozija, Stockholm, 8 do 11. junija 1999, str. 97 do 104.

-1515

Preglednica sklicevalnih številk in zgradbotvornih elementov

Vhodna snov	201	Vhodna snov
Transportna naprava za vhodno	202	Pirolizni reaktor
snov	203	Delilna stopnja
Protipovratnozasunska naprava	204	Kurišče
Pirolizni reaktor	205	Naprava za reformiranje
Kurišče	206	Predgrevalnik
Protipovratnozasunska naprava	207	Dozirna protipovratnozasunska
Druga reakcijska cona (naprava za		naprava
reformiranje)	208	Dozirna protipovratnozasunska
Ločeni vod za hlape		naprava
Dovedena procesna para	209	Transportni organ
Medij kot nosilec toplote	210	Tok surovega produktnega plina
Katalizator	211	Tok odpadnih plinov
Tok produktnega plina	251	Zgorevalni zrak
Kotel na odpadno toploto
Čistilna in kondicionima stopnja	300	Vhodna snov
Ventilator	301	Pirolizni reaktor
Tok očiščenega produktnega plina	302	Delilna stopnja
Segrevalna cona (predgrevalnik)	303	Ohlajevalna in kondicionima
Protipovratnozasunska naprava		stopnja
Protipovratnozasunska in	304	Uporabni koks
transportna naprava	305	Kurišče
Delilna stopnja	306	Tuje gorivo
Tokpiroliznega koksa	307	Produktni plin
Vod za vroči plin	308	Delni tok piroliznega koksa
Transportni organ	309	Segrevalna cona (predgrevalnik)
Predgrevalnik zraka (PGZ)	310	Naprava za reformiranje
nadaljuje	4- Se nadaljuje

-1616

Čistilna stopnja	311	Produktni plin
Sesalnovlečno puhalo	312	Odpadni plini
Nizkotemperatuma toplota	313	Transportna naprava za medij kot
Sopara		nosilec toplote
Tok kondenzata	320	Polnilna protipovratnozasunska
Sveža voda		naprava za vhodno snov
Zgorevalni zrak	321	Protipovratnozasunska naprava
Tok pepela/žlindre		med napravo za reformiranje in
Očiščeni odpadni plini		piroliznim reaktorjem
Delni tok očiščenih odpadnih	322	Protipovratnozasunska naprava za
plinov	323	odtegovanje iz piroliznega reaktorja Protipovratnozasunska naprava med segrevalno cono in napravo za reformiranje
	351	Tok zgorevalnega zraka
	352	Tok procesne pare

Claims

Patentni zahtevki

1. Postopek uplinjenja organskih snovi in zmesi snovi, pri katerem se organske snovi v piroliznem reaktorju prek stika z vročim medijem kot nosilcem toplote cepijo na ostanek, ki vsebuje ogljik, in pirolizne pline kot uhajajočo fazo, trdni, ogljik vsebujoči ostanek se dovaja v kurišče in se ga tam zažge, pri čemer se vsaj deleže prosto razpoložljive toplote uporabi za segrevanje medija kot nosilca toplote, in pirolizni plini se po možnem primešanju reakcijskega sredstva, kot je vodna para, v drugi reakcijski coni ob uporabi vsaj dela v kurišču pridobljene toplote prek indirektne izmenjave toplote tako dodatno segrejejo, da se dobi produktni plin visoke kurilne vrednosti, značilen po tem, da se

a) medij kot nosilec toplote, ko zapusti pirolizni reaktor, v delilni stopnji loči od trdnega, ogljik vsebujočega ostanka in transportira v segrevalno cono,

b) trdni, ogljik vsebujoči ostanek sežge v kurišču,

c) vroče odpadne pline kurišču v segrevalni coni vodi prek nasutja medija kot nosilca toplote, pri čemer le-ti velik del svoje zaznavne toplote oddajo mediju kot nosilcu toplote,

d) segreti medij kot nosilec toplote iz segrevalne cone odteguje v kot reaktor na potujočo posteljo zasnovano drugo reakcijsko cono, kjer on zmes piroliznih plinov in reakcijskega sredstva segreva in jo pretvaija v produktni plin,

e) medij kot nosilec toplote po prehodu čez drugo reakcijsko cono spet dovaja v pirolizni reaktor.
2. Postopek po zahtevku 1, značilen po tem, da se reakcijo piroliznih plinov z vodno paro izvaja v prisotnosti katalizatorja.

-1818
3. Postopek po zahtevkih 1 in 2, značilen po tem, da medij kot nosilec toplote sestoji iz na ognju obstojnih snovi, kot pesek, prod/gramoz, pesek drobljenec, aluminijev silikat, korund, droba, kvarcit ali kordierit.
4. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 3, značilen po tem, da medij kot nosilec toplote sestoji iz oblikovancev iz kovinskih, med temi prednostno magnetnih gradiv ali nekovinskih keramičnih gradiv, tudi sintranih gradiv ali peletov železove rude.
5. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 4, značilen po tem, da celota vloženega medija kot nosilca toplote vsaj deloma sestoji iz v drugi reakcijski coni katalitično aktivnega gradiva.
6. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 5, značilen po tem, da gre pri delitvi medija kot nosilca toplote od trdnega, ogljik vsebujočega ostanka, ko le-ta zapusti pirolizni reaktor, za mehansko delitev prek eno- ali večstopenjskega sejanja.
7. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 6, značilen po tem, da gre pri delitvi medija kot nosilca toplote od trdnega, ogljik vsebujočega ostanka, ko le-ta zapusti pirolizni reaktor, za magnetno delitev.
8. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 7, značilen po tem, da gre pri delitvi medija kot nosilca toplote od trdnega, ogljik vsebujočega ostanka, ko le-ta zapusti pirolizni reaktor, za pnevmatsko delitev s pomočjo ciklona, ko se kot ciklonski medij smotrno uporabi zrak, tedaj spet smotrno zgorevalni zrak za kurišče, ali odpadni plini, tedaj spet smotrno povratno vodeni odpadni plini iz kurišča.
9. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 8, značilen po tem, da se del piroliznih plinov ali produktnega plina pokuri v kurišču za ogljik vsebujoči ostanek ali v

-1919 ločenem kurišču in se pri tem dobljeno toploto porabi v pirolizi in drugi reakcijski coni.
10. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 9, značilen po tem, da se del trdnega, ogljik vsebujočega ostanka ločeno ali skupaj z medijem kot nosilcem toplote vodi nazaj v pirolizo ali drugo reakcijsko cono.
11. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 10, značilen po tem, da transport vsaj enega od naslednjih medijev poteka diskontinuimo ali po načinu šarž: organska snov, medij kot nosilec toplote, trdni, ogljik vsebujoči ostanek, zmes medija kot nosilca toplote in trdnega, ogljik vsebujočega ostanka, ko le-ta zapušča pirolizni reaktor.
12. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 11, značilen po tem, da se zaznavno toploto produktnega plina in odpadnih plinov kurišča vsaj delno uporabi za pripravo vodne pare kot reakcijskega sredstva ali za predgrevanje zraka za kurišče.
13. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 12, značilen po tem, da se zaznavno toploto produktnega plina in odpadnih plinov kurišča vsaj delno uporabi neposredno ali posredno za predsušenje in segretje organske snovi.
14. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 13, značilen po tem, da se medij kot nosilec toplote potem, ko gre skozi segrevalno cono, deli na del, ki gre skozi drugo reakcijsko cono, in del, ki se ga vodi neposredno v pirolizni reaktor, in medij kot nosilec toplote, kije šel skozi drugo reakcijsko cono, se nadalje vodi v pirolizni reaktor ali se ga za piroliznim reaktoijem dodaja ostalemu mediju kot nosilcu toplote.
15. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 14, značilen po tem, da se reakcijsko sredstvo, prednostno vodno paro, v pirolizni reaktor daje na poljubnem mestu,

-2020 smotrno kar se da blizu mesta odvajanja zmesi medija kot nosilca toplote in trdnega, ogljik vsebujočega ostanka.
16. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 15, značilen po tem, da se v kurišču vnaša vsaj deloma trdno, tekoče ali plinasto gorivo, ki ni ne vhodna snov ne iz na katerem koli mestu znotraj poteka postopka iz le-te ali iz nje nastalih posledičnih produktov narejeno gorivo.
17. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 16, značilen po tem, da se vsaj delni tok v piroliznem reaktoiju pridobljenega trdnega, ogljik vsebujočega ostanka spravi ven prek protipovratnozasunske naprave in se ga ne pokuri v kurišču.
18. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 17, značilen po tem, da se v kurišču vsaj delno vhodno snov uporabi neposredno kot gorivo.
19. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 18, značilen po tem, da se poleg medija kot nosilca toplote skozi pirolizni reaktor vodi močno bazično, trdno snov, prednostno kalcijev oksid, kalcijev hidroksid ali kalcijev karbonat, ki se jo zatem prav tako loči od medija kot nosilca toplote in vodi bodisi skozi kurišče ali neposredno v zunanjost.
20. Postopek po enem od zahtevkov 1 do 19, značilen po tem, da se produktni plin ohladi in se pri tem nastali kondenzat v danem primeru očisti in se ga ponovno uporabi za pripravo procesne pare ali se ga pred kuriščem za potrebe uparitve in sežiga v njem vsebovanih zgorljivih deležev dodaja kurišču ali mediju kot nosilcu toplote ali ogljik vsebujočemu ostanku.