способ парового риформинга углеродистого материала

Формула изобретения

1. Способ парового риформинга углеродистого материала в синтез-газ, включающий стадии, на которых:

- во вращающуюся печь парового риформинга подают входной поток углеродистого материала, при этом вращающуюся печь парового риформинга нагревают извне,

- перемешивают углеродистый материал во вращающейся печи парового риформинга,

- в присутствии воды или пара нагревают углеродистый материал во вращающейся печи до повышенной температуры риформинга около 650-1100°С,

- осуществляют риформинг углеродистого материала, в результате чего углеродистый материал подвергают преимущественно полной переработке посредством реакции парового риформинга с получением синтез-газа и минимального количества инертного твердого шлака.

2. Способ по п.1, дополнительно включающий стадию предварительного нагрева или сушки углеродистого материала, для чего перед подачей углеродистого материала во вращающуюся печь парового риформинга его пропускают через устройство для предварительного нагрева.

3. Способ по п.1, в котором углеродистый материал непрерывно подают во вращающуюся печь парового риформинга при помощи червячного или винтового транспортера.

4. Способ по п.1, в котором к углеродистому материалу во вращающейся печи парового риформинга добавляют техническую известь и/или бикарбонат натрия, который вступает в реакцию с галогенами, содержащимися в углеродистом материале, для их удаления.

5. Способ по п.1, в котором во вращающуюся печь парового риформинга непрерывно подают высокотемпературный пар для очистки от воздуха углеродистого материала, подаваемого во вращающуюся печь парового риформинга.

6. Способ по п.1, в котором используют избыток воды или пара (превышающий стехиометрические количества), достаточный для переработки всего углеродистого материала в синтез-газ и максимального увеличения соотношения между H₂ и СО в синтез-газе, получаемом в результате реакции парового риформинга.

7. Способ по п.1, в котором в качестве углеродистого материала используют метан.

8. Способ по п.1, в котором в качестве углеродистого материала используют свалочный метан, получаемый с ближайшей или расположенной неподалеку свалки.

9. Способ парового риформинга углеродистого материала, включающий стадии, на которых:

- во вращающуюся печь парового риформинга первой стадии подают входной поток углеродистого материала,

- перемешивают углеродистый материал во вращающейся печи парового риформинга первой стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают углеродистый материал во вращающейся печи первой стадии до температуры риформинга около 550-650°С ниже температуры, при которой происходит испарение металлов,

- осуществляют риформинг углеродистого материала при температуре риформинга, в результате чего углеродистый материал подвергают частичной переработке посредством реакции парового риформинга с получением потока твердых частиц, состоящего из обуглившегося вещества и инертного твердого шлака, и потока газообразных веществ,

- подают газообразные материалы в печь парового риформинга второй стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают поток газообразных веществ до повышенной температуры риформинга около 850-1100°С,

- осуществляют риформинг потока газообразных веществ при повышенной температуре риформинга, в результате чего поток газообразных веществ подвергают преимущественно полной переработке посредством реакции парового риформинга с получением синтез-газа, и

- отделяют обуглившееся вещество от инертного твердого шлака для непосредственного сбыта или связывания углерода.

10. Способ парового риформинга углеродистого материала, включающий стадии, на которых:

- во вращающуюся печь парового риформинга первой стадии подают входной поток углеродистого материала,

- перемешивают углеродистый материал во вращающейся печи парового риформинга первой стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают углеродистый материал во вращающейся печи первой стадии до температуры риформинга около 550-650°С ниже температуры, при которой происходит испарение металлов,

- осуществляют риформинг углеродистого материала при температуре риформинга, в результате чего углеродистый материал подвергают частичной переработке посредством реакции парового риформинга с получением потока твердых частиц, состоящего из обуглившегося вещества и инертного твердого шлака, и потока газообразных веществ,

- отделяют обуглившееся вещество от инертного твердого шлака,

- подают обуглившееся вещество и газообразные материалы во вращающуюся печь парового риформинга второй стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают поток газообразных веществ и очищенного обуглившегося вещества до повышенной температуры риформинга около 850-1100°С, и

- осуществляют риформинг потока газообразных веществ и обуглившегося вещества при повышенной температуре риформинга, в результате чего поток газообразных веществ и обуглившееся вещество подвергают преимущественно полной переработке посредством реакции парового риформинга с получением синтез-газа.

11. Способ парового риформинга углеродистого материала, включающий стадии, на которых:

- во вращающуюся печь парового риформинга первой стадии подают входной поток углеродистого материала,

- перемешивают углеродистый материал во вращающейся печи парового риформинга первой стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают углеродистый материал во вращающейся печи первой стадии до температуры риформинга около 550-650°С ниже температуры, при которой происходит испарение металлов,

- осуществляют риформинг углеродистого материала при температуре риформинга, в результате чего углеродистый материал подвергают частичной переработке посредством реакции парового риформинга с получением потока твердых частиц, состоящего из обуглившегося вещества и инертного твердого шлака, и потока газообразных веществ,

- подают газообразные материалы в печь парового риформинга второй стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают поток газообразных веществ до повышенной температуры риформинга около 850-1100°С,

- осуществляют риформинг потока газообразных веществ при повышенной температуре риформинга, в результате чего поток газообразных веществ подвергают преимущественно полной переработке посредством реакции парового риформинга с получением синтез-газа, и

- отделяют обуглившееся вещество от инертного твердого шлака,

- подают очищенное обуглившееся вещество в печь парового риформинга третьей стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают обуглившееся вещество до повышенной температуры риформинга около 850-1100°С, и

- осуществляют риформинг обуглившегося вещества при повышенной температуре риформинга, в результате чего обуглившееся вещество подвергают преимущественно полной переработке посредством реакции парового риформинга с получением синтез-газа.

12. Способ парового риформинга углеродистого материала, включающий стадии, на которых:

- во вращающуюся печь парового риформинга первой стадии подают входной поток углеродистого материала,

- перемешивают углеродистый материал во вращающейся печи парового риформинга первой стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают углеродистый материал во вращающейся печи первой стадии до температуры риформинга около 550-650°С ниже температуры, при которой происходит испарение металлов,

- осуществляют риформинг углеродистого материала при температуре риформинга, в результате чего углеродистый материал подвергают частичной переработке посредством реакции парового риформинга с получением потока твердых частиц, состоящего из обуглившегося вещества и инертного твердого шлака, и потока газообразных веществ,

- подают газообразные материалы в печь парового риформинга второй стадии,

- в присутствии воды или пара нагревают поток газообразных веществ до повышенной температуры риформинга около 850-1100°С,

- осуществляют риформинг потока газообразных веществ при повышенной температуре риформинга, в результате чего поток газообразных веществ подвергают преимущественно полной переработке посредством реакции парового риформинга с получением синтез-газа, и - отделяют обуглившееся вещество от инертного твердого шлака и используют обуглившееся вещество в качестве топлива для нагрева одной или обеих из печей парового риформинга первой и второй стадий.

13. Способ по любому из пп.1, 10, 11 или 2, включающий дополнительную стадию, на которой синтез-газ подают в топливный элемент, в котором протекает реакция окисления синтез-газа с образованием Н₂O и/или CO ₂.

14. Способ по п.13, в котором для связывания углерода избыточные СО₂ подают в расположенный поблизости парник.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области парового риформинга.

Предпосылки создания изобретения

Известны способы парового риформинга, которые используют для переработки углеродистых материалов различного рода в полезные продукты. Используемый в настоящем описании термин углеродистый материал включает любой углеродистый материал, в том числе твердые коммунально-бытовые отходы; промышленные отходы, использованную тару, отходы общественных учреждений; медицинские отходы; уголь; угольные отходы; древесные отходы; древесные опилки; отходы лесной промышленности; сельскохозяйственные отходы; сточные воды; жидкие отходы; опасные отходы; отходы нефти и побочных нефтепродуктов; отходы электронной промышленности и другие подобные углеродистые материалы; а также случайные материалы, такие как зола мусоросжигательных установок и/или топочных камер, которые могут использоваться для повышения степени переработки отходов на существующих мусоросжигательных установках.

При осуществлении парового риформинга углеродистый материал помещают в печь парового риформинга, которая обычно представляет собой вращающуюся печь барабанного типа. Углеродистый материал обычно содержит значительное количество влаги. В процессе нагрева барабан вращают, чтобы перемешать влажный углеродистый материал. Источником тепла обычно являются горелки, работающие на природном газе, синтетическом газе, или индукционные электронагреватели, установленные внутри печи, но снаружи вращающегося барабана.

Паровой риформинг является эндотермическим процессом. Вместе с тем, в отличие от сжигания, которое является экзотермическим процессом, при этом не происходит горения. Вместо этого углеродистый материал в сочетании с водой нагревают в процессе перемешивания, вызывая реакцию, в результате которой образуется синтетический газ (синтез-газ). Синтез-газ состоит в основном из водорода (Н ₂) и окиси углерода (СО).

Эти два термических процесса различаются в основном соответствующими продуктами, которые образуются в результате их протекания. В случае сжигания/горения продуктами являются в основном окисленные токсичные соединения, а в результате парового риформинга образуется преимущественно полезное топливо на основе синтез-газа с незначительным содержанием паров кислот и металлов, которые обычно гораздо легче поддаются очистке, чем окисленные продукты сгорания.

Обычно отходы, используемые в качестве источника углеродистого материала в процессе парового риформинга, содержат преимущественно водород и углерод и небольшую долю других веществ, таких как хлор, фтор, азот, стекло и различные металлы. Например, соотношение между углеродом/водородом/кислородом в твердых коммунально-бытовых отходах обычно составляют около 1/1,7/0,5. Твердые коммунально-бытовые отходы также обычно содержат около 10 мас.% твердых инертных веществ.

При обычном паровом риформинге, который известен из уровня техники, синтез-газ получают в ходе двухстадийного процесса. Сначала барабан с водой и углеродистым материалом нагревают обычно в течение 90 минут при температуре в пределах 650°С. Затем из барабана извлекают твердые вещества, которые включают металлы и обуглившееся вещество. На данном этапе около 60-70% углеродистого материала подвергают паровому риформингу с целью получения синтез-газа. Затем обычно осуществляют доочистку синтез-газа, чтобы преобразовать оставшиеся углеводороды в синтез-газ, отделяют пиролитическое обуглившееся вещество от инертного неорганического остатка и сжигают его или удаляют всю смесь обуглившегося вещества и других твердых веществ.

Краткое изложение сущности изобретения

В изобретении предложены два различных процесса парового рифоминга, а именно однопоточный, одностадийный процесс и двухпоточный, многостадийный процесс.

Одностадийный процесс является предпочтительным в условиях, когда углеродистый материал имеет небольшое содержание металлов. Это объясняется тем, что в описанном далее одностадийном процессе используют температуры, при которых происходит испарение металлов. В тех случаях, когда содержание металлов в смеси с углеродистым материалом является незначительным, одностадийный процесс является предпочтительным, поскольку происходит испарение незначительного количества паров металлов. Если технически нецелесообразно удалять преимущественно все металлы, смешанные с углеродистым материалом, предпочтительно используют описанный далее многостадийный процесс.

В обоих случаях углеродистый материал, такой как твердые коммунально-бытовые, отходы сначала измельчают. Применительно к настоящему описанию и для удобства считается, что поток, поступающий в процесс парового риформинга, представляет собой твердые коммунально-бытовые отходы, тем не менее, подразумевается, что может использоваться любой углеродистый материал, к которому может быть соответствующим образом адаптирован процесс.

С измельченными твердыми коммунально-бытовыми отходами смешивают техническую известь (т.е. окись кальция и/или бикарбонат натрия). При осуществлении парового риформинга содержащийся в извести кальций вступает в реакцию с галогенами, которые выделяются из твердых коммунально-бытовых отходов, в результате чего образуются соли кальция, которые обычно не опасны. Данная особенность важна, поскольку удаление галогенов на этой ранней стадии является более простым и менее дорогостоящим, чем их удаление впоследствии ниже по потоку, что обычно связано с использованием очистительных устройств со слоем сорбента. При этом также предотвращается возможность образования кислотных паров и/или более токсичных диоксинов и фуранов из галогенов, если данные составляющие вступят в контакт с кислородом в условиях повышенной температуры в процессе парового риформинга. Образование диоксинов и фуранов является одной из основных проблем, характерных для мусоросжигательных систем. Поскольку галогены легко вступают в реакцию с известью, они не способны образовывать кислотные пары и/или диоксины и фураны. В процессе парового риформинга, в котором из входящего потока отходов удаляют большую часть атмосферного воздуха и, следовательно, кислорода (как это описано далее), очень мала вероятность образования диоксинов и фуранов, которые наверняка образуются в системах сжигания.

Как в одностадийном процессе, так и многостадийном процессе измельченные твердые коммунально-бытовые отходы загружают в воронку со шнеком (т.е. винтовым транспортером) для подачи твердых коммунально-бытовых отходов в печь парового риформинга. На входе в печь предусмотрена непрерывная подача высокотемпературного пара для очистки твердых коммунально-бытовых отходов, поступающих в печь, от атмосферного воздуха и, в частности, азота и кислорода. Как пояснено далее, дополнительный пар благоприятен для процесса парового риформинга, поскольку он обеспечивает предварительный нагрев твердых коммунально-бытовых отходов и тем самым задерживает часть использованного технологического тепла установки. В то же время также желательно удалить азот и кислород, чтобы предотвратить образование токсичной закиси азота и других нежелательных окисей азота и/или других продуктов окисления.

Как указано выше, известный из уровня техники обычный процесс парового риформинга представляет собой двухстадийный процесс. Это объясняется тем, что несмотря на то что на первой стадии происходит паровой риформинг большей части углеродистого материала (обычно около 60-70% исходного количества углеродистого материала), образуется обуглившееся вещество, которое, как традиционно считается, необходимо удалить до осуществления парового риформинга остального углеродистого материала. Тем не менее, было неожиданно установлено, что обуглившееся вещество, если оно достаточно нагрето, также может быть подвергнуто паровому риформингу и его не требуется удалять. Это выгодно, поскольку паровой риформинг углеродистого материала является более полным и остается меньше отходов для утилизации.

Таким образом, предложен следующий однопоточный, одностадийный процесс парового риформинга. В процессе используют вращающуюся печь парового риформинга, в которой нагревают углеродистый материал до повышенной температуры риформинга около 650-1100°С (или выше при необходимости) с различной продолжительностью пребывания, чтобы обеспечить преимущественно полное преобразование углеродистого материала в готовый синтез-газ, состоящий в основном из Н₂ и СО. Предусмотрено, что может использоваться любая обычная вращающаяся печь парового риформинга, но предпочтительно (отмечаем, что в притязаниях особо оговорено, что система включает одну вращающуюся печь с внешним нагревом, поскольку существует патент на изобретение, в котором используется одна вращающаяся печь с "внутренним" нагревом), чтобы такая вращающаяся печь имела внешний нагрев (а не внутренний нагрев), поскольку при этом снижается вероятность того, что в печи произойдет сгорание/сжигание и в виде побочных продуктов образуются различные вредные соединения. Задача при использовании одностадийного процесса заключается в обеспечении достаточной температуры, турбулентного перемешивания и продолжительности пребывания в одной зоне реакции для достижения заданного уровня переработки. В данном одностадийном процессе парового риформинга может использоваться установка доочистки, которая расположена за печью и осуществляет дополнительный риформинг отделенного, но еще не полностью подвергнутого риформингу синтез-газа с целью получения более чистого синтез-газа.

При необходимости перед доочисткой синтез-газа, подвергнутого паровому риформингу на первой стадии, удаляют инертный твердый шлак, остающийся в печи. Твердый шлак охлаждают и реализуют в качестве наполнителя для строительных материалов. В результате удаления инертных твердых веществ обычно происходит уменьшение объема исходной смеси твердых коммунально-бытовых отходов, которое составляет до 98%.

В системе предпочтительно осуществляют удаление пыли, в ходе которого удаляют частицы пыли из подвергнутого риформингу синтез-газа. Для этого используют обычные сепараторы/фильтры для пыли и частиц, но предпочтительно используют вихревой пылеотделитель и фильтр для тонкодисперсных частиц. Вихревое отделение и удаление пыли может происходить в печи парового риформинга. В качестве альтернативы, удаление частиц пыли может осуществляться в аналогичных емкостях, расположенных за печью парового риформинга. Вместе с тем, за пылеотделителем и фильтром соответственно расположены модули отбора тепла. Модули отбора тепла служат для отвода тепловой энергии горячего синтез-газа, которую используют непосредственно в виде тепла или для выработки электроэнергии или предварительного нагрева воздуха горения печи и/или предварительного нагрева исходного углеродистого материала.

На следующей стадии очистки предпочтительно используют слой сорбента или аналогичные технологии для удаления нестойких кислотных паров и паров металлов или других ядовитых/загрязняющих веществ, чтобы получить синтез-газ заданной степени чистоты для использования в последующих процессах. Данная система очистки слоем сорбента обычно расположена за системой удаления пыли и частиц, как правило, перед или за модулями отбора тепла (в зависимости от термочувствительности материалов сорбента и с учетом температурной зависимости для эффективного удаления нестойких и ядовитых газов).

Как указано выше, двухпоточный, многостадийный процесс предпочтительно используют при более высоком содержании металлов в твердых коммунально-бытовых отходах. В большинстве случаев металл отделяют от твердых коммунально-бытовых отходов в силу обязательных требований утилизации, и для этого также могут использоваться установки для отделения металлов, которые расположены на транспортере, подающем измельченные твердые коммунально-бытовые отходы в воронку печи парового крекинга. Тем не менее, даже в этом случае в твердых коммунально-бытовых отходах остается достаточное количество металлов, которые могут испаряться во время высокотемпературного парового риформинга. Многостадийный процесс также позволяет оптимизировать энергопотребление в процессе парового риформинга, что описано далее.

Предложен следующий многостадийный процесс парового риформинга. Используют вращающуюся печь парового риформинга первой стадии, в которой происходит нагрев углеродистого материала до повышенной температуры риформинга около 550-650°C для осуществления первой стадии получения синтез-газа, в результате которой металлы остаются преимущественно в исходном (т.е. не парообразном) состоянии и образуется остаточное обуглившееся вещество. Продукты первой стадии разделяют на два потока: "пылевой" газообразный поток второй стадии и поток твердых частиц третьей стадии. Затем в печи парового рифоминга второй стадии "пылевой" газообразный поток нагревают до повышенной температуры риформинга 850-1100°C (или выше при необходимости) для завершения переработки газообразных веществ первой стадии путем полной переработки углеродсодержащих газов в синтез-газ, состоящий в основном из СО и Н₂ . Получаемый синтез-газ обычно имеет высокое содержание водорода, поскольку бóльшая часть углерода поступает на третью стадию системы парового риформинга, которая описана далее. Следует отметить, что описанная "неподвижная" печь второй стадии может представлять собой вращающуюся печь, если это необходимо для оптимизации параметров переработки на второй стадии.

Предпочтительно в способе предусмотрено, что удаление пыли и частиц осуществляют между первой и второй стадиями. Обычно это делают с использованием вихревого пылеотделителя, или фильтра для тонкодисперсных частиц, или обоих устройств. В качестве альтернативы или в дополнение к удалению пыли, способ также включает внутреннее отделение пыли и частиц (увлекаемых потоком синтез-газа) от синтез-газа до его выхода из печи парового риформинга первой стадии и/или второй и третьей стадий. Для такого внутреннего отделения используют создаваемое внутри сильное вихревое движение, которое генерируют неподвижные лопатки в сужающемся цилиндрическом канале. Синтез-газ, поступающий через данную сужающуюся цилиндрическую выходную трубу со встроенными поворотными лопатками, генерирует вихревые центробежные силы, позволяющие отделять частицы с большей плотностью, чем у синтез-газа, поступающего через выходной цилиндр. В ключевых точках по длине выходного цилиндра расположены прорези для выхода частиц за счет сообщенного вихревым движением радиального импульса, достаточного для отделения данных частиц от синтез-газа, выходящего из печи парового риформинга. Данное устройство внутреннего отделения обычно выполнено в виде цилиндрической емкости, отдельной от вращающегося барабана парового риформинга.

От инертного твердого шлака, образовавшегося в печи первой стадии, отделяют обуглившееся вещество и загружают его во вращающуюся печь парового риформинга третьей стадии, в которой остаточный углерод нагревают до повышенной температуры риформинга около 850-950°С (или выше при необходимости) для завершения переработки обуглившегося вещества в синтез-газ, состоящий практически из равных объемов СО и Н₂, согласно реакции парового риформинга (с образованием х-молей избыточной Н₂О):

В качестве альтернативы, обуглившееся вещество может использоваться непосредственно в качестве топлива для нагрева парового котла или на одной из двух предшествующих стадий перового риформинга или использоваться непосредственно в качестве продукта для сбыта.

При необходимости поток на выходе третьей стадии может быть направлен на описанную выше вторую стадию для доочистки. Вместе с тем, синтез-газ на выходе третьей стадии обычно существенно чище, чем синтез-газ, получаемый на первой стадии, и может не требовать доочистки, если обуглившееся вещество эффективно отделено от остального остатка.

Данный многостадийный процесс также предпочтительно включает отбор тепла для отвода энергии, которая может быть использована для охлаждения синтез-газа и твердых частиц. На выходе второй и третьей стадий или на выходе объединенного потока синтез-газа, поступающего с каждой из данных отдельных стадий, могут быть по отдельности расположены модули отбора тепла. Данные модули отбора тепла могут использоваться для получения электроэнергии (путем выработки пара в турбинах) или просто для отвода тепловой энергии, которую используют для нагрева или предварительного нагрева воздуха горения печи и/или предварительного нагрева исходного углеродистого материала.

В многостадийном процессе парового риформинга может необязательно использоваться очистительная установка для окончательной очистки синтез-газа с использованием слоя сорбента или аналогичных технологий для удаления нестойких кислотных паров и паров металлов или других ядовитых/загрязняющих веществ, чтобы получить синтез-газ заданной степени чистоты для использования в последующих процессах. Данная система очистки слоем сорбента обычно расположена за системой удаления пыли и частиц, как правило, перед или за модулями отбора тепла (в зависимости от термочувствительности материалов сорбента и с учетом температурной зависимости для эффективного удаления нестойких и ядовитых газов).

Следует отметить, что в результате процесса парового риформинга получают синтез-газ, содержащий Н₂ и СО. Желательно, чтобы соотношение между Н₂ и СО в получаемом синтез-газе было как можно более высоким. Это объясняется тем, что Н₂ обладает большей коммерческой ценностью и легче поддается преобразованию в чистую энергию, чем СО. С учетом глобального потепления углерод предпочтительно улавливают, а не выпускают в атмосферу. Это делает обращение с СО более затруднительным.

Существуют два способа доведения до максимума соотношения между Н₂ и СО. Первый из них заключается в том, что в процессе парового риформинга используют избыток влаги (превышающий стехиометрические количества), в результате чего генерируется дополнительные равные количества Н₂ и СО₂ . Дополнительная чистая СО₂ может быть отделена и связана. Второй способ состоит в том, что в процессе парового риформинга используют метан (в частности, включающий свалочный метан) или другие вещества с высоким содержанием водорода, включая отходы нефти.

При добавлении избытка воды и углеводородов с высоким содержанием водорода в процесс парового риформинга увеличивается содержание водорода относительно содержания углерода и кислорода в печи парового риформинга. В результате этого увеличивается соотношение между Н₂ и СО. Основная роль избытка воды заключается лишь в обеспечении соответствующего источника пара для осуществления риформинга в максимально близкой к 100% степени. Любое преобразование избытка воды, превышающего стехиометрические количества, в процессе парового риформинга приводит к преобразованию СО в СО₂ плюс Н₂. В результате улучшается соотношение между Н₂ и СО, но также образуется дополнительное количество СО₂. Обычно данный способ улучшения соотношения между Н₂ и СО избегают применять, поскольку он влечет расход энергии и требует особых дополнительных способов связывания СО₂. Преимущество данного способа связывания СО ₂ состоит в том, что в данном случае получают относительно чистую смесь синтез-газа со значительным содержанием СО₂ , что позволяет эффективно отделять и связывать СО₂ .

С учетом применимости метана в качестве источника сырья для парового риформинга в изобретении также предусмотрено использование свалочного метана. Это целесообразно, поскольку установка парового риформинга может быть сооружена рядом, на границе или непосредственно на территории свалки, которая служит не только источником углеродистого материала, но также свалочного метана.

Существует ряд предпочтительных применений продуктов описанного выше парового риформинга. Они перечислены далее. Например, синтез-газ (Н₂+СО) может частично или полностью поступать в топливный элемент. В топливных элементах происходит реакция окисления. В случае использования синтез-газа, состоящего из Н₂+СО, наиболее предпочтительным топливным элементом является жидкокарбонатный топливный элемент или твердооксидный топливный элемент, поскольку такой топливный элемент способен работать как на Н₂, так и СО. Что касается Н₂ , происходит его окисление с образованием Н₂О и выделением энергии. В случае СО в топливном элементе образуется СО₂ плюс энергия.

Синтез-газ (или его часть) также может использоваться в синтез-установке по преобразованию газовой фазы в жидкости (GTL) для получения избирательных синтезированных углеводородов, таких как метанол, этанол, полиэтилен, полипропилен и их аналоги.

Избыточная СО₂ и пар из установки GTL или СО₂ и пар из топливного элемента могут быть направлены в расположенный поблизости парник. В результате этого происходит благоприятное для окружающей среды связывание углерода. Кроме того, в парнике усиливается рост фруктов, овощей или других продуктов сельского хозяйства, садоводства и лесного хозяйства. СО₂ можно также улавливать и использовать для иного промышленного применения или вводить в процесс переработки для получения полезных побочных продуктов.

Получаемый из синтез-газа водород может быть просто извлечен и реализован или использован в желаемых целях.

Содержащуюся в синтез-газе СО загружают в реактор для конверсии водяного газа, в котором протекает следующая реакция:

Н₂ О+СО+хН₂О Н₂+СО₂+хН₂О.

На выходе синтез-установки GTL обычно образуется избыточная СО, которая не была использована при загрузке синтез-газа в установку. Данное дополнительное количество СО также может быть загружено в реактор для конверсии водяного газа или в топливный элемент или реализовано в качестве продукта для сбыта. Н₂ из реактора для конверсии водяного газа загружают в топливный элемент, как это описано выше, а СО₂ связывают, как это описано выше (путем ее подачи в расположенный поблизости парник).

В качестве альтернативы, СО и/или Н ₂ из любого из описанных процессов парового риформинга загружают в паровой котел/паровую турбину и/или двигатель внутреннего сгорания для выработки электроэнергии. Иными словами, существуют разнообразные возможности раздельного или параллельного использования СО и Н₂, включая переработку GTL, продажу, использование в качестве топлива для топливных элементов и/или топлива для газовой турбины и/или тепловой электростанции.

Как указано выше, для работы топливного элемента необходимо, чтобы в него непрерывно поступало топливо. Иными словами, в случае подачи топлива с перерывами, а не постоянно могут возникать различные проблемы. Поскольку получение синтез-газа может прерываться, в топливный элемент может непрерывно поступать природный газ или соответствующим образом очищенный свалочный газ.

Часть данного природного газа или свалочного газа отводят в печь парового риформинга. В печь парового риформинга предпочтительно загружают почти весь природный газ с целью увеличения содержания водорода в синтез-газе, как это описано выше. Вместе с тем, в случае перерыва в получении синтез-газа из твердых коммунально-бытовых отходов существует автоматический обходной путь, по которому природный газ направляют непосредственно в топливный элемент для поддержания непрерывной подачи топлива.

Вместо природного газа для обеспечения непрерывной подачи топлива в топливный элемент может использоваться свалочный метан, при этом процесс парового риформинга может осуществляться вблизи или непосредственно на месте свалки. Свалочный метан также может использоваться для нагрева печи парового риформинга.

Для нагрева одной или нескольких печей парового риформинга может частично использоваться сам получаемый синтез-газ.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 схематически показан предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения,

на фиг.2 схематически показан однопоточный, одностадийный процесс,

на фиг.3 схематически показан вариант осуществления двухпоточного, многостадийного процесса,

на фиг.4 схематически показан другой вариант осуществления двухпоточного, многостадийного процесса,

на фиг.5 схематически показан другой вариант осуществления двухпоточного, многостадийного процесса.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 схематически показан предпочтительный вариант осуществления однопоточного, одностадийного процесса. На червячный или винтовой транспортер 2 непрерывно подают входящий поток 1 углеродистого материала, который измельчают в измельчителе 4. До загрузки во вращающуюся печь 9 парового риформинга углеродистый материал необязательно подвергают предварительной обработке, пропуская его через устройство для предварительного нагрева или вращающуюся барабанную сушилку 6. При этом осуществляют одну или несколько из следующих операций: удаляют из углеродистого материала избыточную влагу, генерируют пар и нагревают измельченный углеродистый материал (примерно до 250°С) для его подготовки к процессу парового риформинга. При необходимости в измельченный углеродистый материал добавляют добавочную воду и/или пар 5. Как указано выше, предпочтительно обеспечивают непрерывную подачу высокотемпературного пара для очистки углеродистого материала, поступающего в печь 9 парового риформинга, от воздуха (в частности, кислорода и азота). Устройство 6 для предварительного нагрева имеет один или несколько каналов 7 для отвода дымовых газов и один или несколько паровых каналов 8 для выпуска избыточного пара. Затем углеродистый материал подают в печь 9 парового риформинга, которую подвергают нагреву извне. В печь 9 парового риформинга добавляют техническую известь 10, которая вступает в реакцию с соединениями галогенов с целью их удаления из углеродистого материала. Углеродистый материал нагревают в печи 9 парового риформинга до температуры около 650-1100°С или при необходимости выше в зависимости от состава углеродистого материала и осуществляют практически его полную переработку в синтез-газ 11 путем реакции парового риформинга. Подвергнутый процессу риформинга синтез-газ необязательно подвергают дополнительной доочистке, например, пропуская через вихревой пылеотделитель 14 и/или фильтр 15 для тонкодисперсных частиц, с целью удаления пыли 16 и тонкодисперсной пыли 17 соответственно. На инертный твердый шлак или печной шлам 12, остающийся после парового риформинга, приходится около 2 мас.% исходного входящего потока 1 углеродистого материала. Пыль 16 и 17, отделенная в данных устройствах доочистки, в сочетании с печным шламом 12 образует общие остаточные неактивные отходы 18.

Горячий синтез-газ, подвергнутый доочистке, подают через модуль19 отбора тепла, служащий для получения электроэнергии (путем выработки пара в турбинах) или просто для улавливания тепловой энергии и ее повторного использования в системе. Например, модули 19 и 21 отбора тепла могут использоваться для улавливания тепловой энергии, которую используют в устройстве 6 для предварительного нагрева для предварительного нагрева воздуха горения печи 9 парового риформинга, за счет чего повышается кпд установки. Получаемый синтез-газ 20 может использоваться несколькими различными способами, как это описано выше.

На фиг.2 проиллюстрирована упрощенная схема однопоточного, одностадийного процесса парового риформинга, показанного на фиг.1. Как показано на фиг.2, до загрузки входящего потока 1 в печь 9 парового риформинга его подвергают предварительной обработке в устройстве 6 для предварительного нагрева. В печи 9 парового риформинга углеродистый материал нагревают до температуры около 650-1100°С (обычно до верхнего предела диапазона), в которой протекает реакция парового риформинга. По завершении процесса парового риформинга подвергнутый риформингу синтез-газ 11 при необходимости подают на дополнительную доочистку и/или очистку. Из печи 9 парового риформинга удаляют печной шлам 12.

На фиг.2 проиллюстрирована упрощенная схема двухпоточного, многостадийного процесса парового риформинга. Исходный поток 1 углеродистого материала загружают в печь 25 парового риформинга первой стадии, в которой углеродистый материал нагревают до температуры около 550-650°С. Углеродистый материал подвергают первой стадии процесса парового риформинга и получают "пылевой" газообразный поток 26 второй стадии и поток 27 твердых частиц третьей стадии. При данной температуре риформинга металлы, содержащиеся в углеродистом материале, остаются преимущественно в исходном (т.е. не парообразном) состоянии в остаточном обуглившемся веществе потока 27 твердых частиц. Продукты пылевого газообразного потока подают в неподвижную печь 28 парового риформинга второй стадии, в которой их нагревают до температуры 850-1100°С (или выше при необходимости) для завершения переработки газообразных продуктов в синтез-газ 11. Содержащееся в потоке 27 твердых частиц обуглившееся вещество отделяют от инертного твердого шлака или печного шлама 29. Отделенное обуглившееся вещество 30 может использоваться непосредственно в качестве продукта для сбыта.

На фиг.4 проиллюстрирована упрощенная схема альтернативного варианта осуществления двухпоточного, многостадийного процесса парового риформинга, показанного на фиг.3. В данном случае отделенное обуглившееся вещество 31 загружают во вращающуюся печь 28а парового риформинга второй стадии вместе с продуктами газообразного потока для осуществления парового риформинга при повышенной температуре. (В данном случае печь 28а парового риформинга второй стадии должна представлять собой вращающуюся печь, способную осуществлять переработку потока твердого углерода.)

На фиг.5 проиллюстрирована упрощенная схема другого варианта осуществления двухпоточного, многостадийного процесса парового риформинга, показанного на фиг.3. В данном случае отделенное обуглившееся вещество 32 загружают во вращающуюся печь 33 парового риформинга третьей стадии вместе и нагревают до температуры около 850-950°С (или выше при необходимости) для завершения риформинга обуглившегося вещества в синтез-газ 34. (В данном случае печь 33 парового риформинга третьей стадии должна представлять собой вращающуюся печь, способную осуществлять переработку потока твердого углерода.)