способ и устройство для получения синтез-газа с низким содержанием смол из биомассы

Формула изобретения

1. Способ получения синтез-газа с низким содержанием смол из биомассы, в котором:

a) биомассу разлагают в, по меньшей мере, одном первом реакторе кипящего слоя, по меньшей мере, на пиролизный газ и пиролизный кокс,

b) полученный в первом реакторе кипящего слоя газ подают в качестве газа для образования кипящего слоя в, по меньшей мере, один следующий реактор кипящего слоя,

c) пиролизный кокс в виде мелких частиц выводят вместе с газом и подают в следующий реактор кипящего слоя через сопловое днище.

2. Способ по п.1, в котором газ подогревают перед подачей в следующий реактор кипящего слоя.

3. Способ по п.1, в котором частицы кокса отделяют от газа и отдельно направляют в следующий реактор кипящего слоя.

4. Способ по п.2, в котором частицы кокса отделяют от газа и отдельно направляют в следующий реактор кипящего слоя.

5. Способ по любому из пп.1-4, в котором с помощью электрической энергии газ, по меньшей мере, частично переводят в плазменное состояние.

6. Способ по любому из пп.1-4, в котором газ пропускают через слой катализатора.

7. Способ по п.5, в котором газ пропускают через слой катализатора.

8. Способ по любому из пп.3, 4 и 7, в котором газ, по существу, очищают от вредных веществ.

9. Способ по п.5, в котором газ, по существу, очищают от вредных веществ.

10. Способ по п.6, в котором газ, по существу, очищают от вредных веществ.

11. Способ по любому из пп.1-4, 7, 9, 10, в котором, по меньшей мере, два реактора кипящего слоя расположены друг над другом.

12. Способ по п.5, в котором, по меньшей мере, два реактора кипящего слоя расположены друг над другом.

13. Способ по п.6, в котором, по меньшей мере, два реактора кипящего слоя расположены друг над другом.

14. Способ по п.8, в котором, по меньшей мере, два реактора кипящего слоя расположены друг над другом.

15. Способ по любому из пп.1-4, 7, 9, 10, 12-14, в котором биомассу сушат перед загрузкой в первый реактор кипящего слоя.

16. Способ по п.5, в котором биомассу сушат перед загрузкой в первый реактор кипящего слоя.

17. Способ по п.6, в котором биомассу сушат перед загрузкой в первый реактор кипящего слоя.

18. Способ по п.8, в котором биомассу сушат перед загрузкой в первый реактор кипящего слоя.

19. Способ по п.11, в котором биомассу сушат перед загрузкой в первый реактор кипящего слоя.

20. Способ по п.15, в котором сушку осуществляют в сушильном устройстве, содержащем контур для циркуляции выпара с теплообменником, при этом выпар подают в первый реактор кипящего слоя в качестве газа для образования кипящего слоя.

21. Способ по любому из пп.16-19, в котором сушку осуществляют в сушильном устройстве, содержащем контур для циркуляции выпара с теплообменником, при этом выпар подают в первый реактор кипящего слоя в качестве газа для образования кипящего слоя.

22. Способ по п.15, в котором биомассу подогревают перед сушкой.

23. Способ по любому из пп.16-20, в котором биомассу подогревают перед сушкой.

24. Способ по п.21, в котором биомассу подогревают перед сушкой.

25. Способ по п.22 или 24, в котором подогрев биомассы осуществляют в устройстве подогрева, содержащем контур для циркуляции газа с теплообменником, причем газ подают в сушильное устройство.

26. Способ по п.23, в котором подогрев биомассы осуществляют в устройстве подогрева, содержащем контур для циркуляции газа с теплообменником, причем газ подают в сушильное устройство.

27. Способ по п.25, в котором в устройство подогрева подают диоксид углерода (СО ₂), образующийся в процессе дальнейшей обработки синтез-газа.

28. Способ по п.26, в котором в устройство подогрева подают диоксид углерода (СO₂), образующийся в процессе дальнейшей обработки синтез-газа.

29. Устройство для получения синтез-газа способом по любому из пп.1-28, которое содержит, по меньшей мере, один первый реактор кипящего слоя и, по меньшей мере, один следующий реактор кипящего слоя, который содержит сопловое днище, причем реакторы кипящего слоя выполнены таким образом, что (а) в первом реакторе кипящего слоя образуется, по меньшей мере, один газ, который подается в следующий реактор в качестве газа для образования в нем кипящего слоя, и (b) в первом реакторе кипящего слоя образуется пиролизный кокс, который в виде мелких частиц выводится вместе с газом и подается в следующий реактор кипящего слоя через сопловое днище.

30. Устройство по п.29, которое содержит средство для нагрева газа перед подачей в следующий реактор кипящего слоя.

31. Устройство по п.29, в котором перед первым реактором кипящего слоя расположено сушильное устройство для сушки биомассы.

32. Устройство по п.30, в котором перед первым реактором кипящего слоя расположено сушильное устройство для сушки биомассы.

33. Устройство по п.31 или 32, в котором сушильное устройство содержит контур для циркуляции выпара с теплообменником.

34. Устройство по п.31 или 32, в котором перед сушильным устройством расположено устройство подогрева биомассы.

35. Устройство по п.33, в котором перед сушильным устройством расположено устройство подогрева биомассы.

36. Устройство по п.34, в котором устройство подогрева содержит контур для циркуляции газа с теплообменником.

37. Устройство по п.35, в котором устройство подогрева содержит контур для циркуляции газа с теплообменником.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к способу и устройству для термохимического получения синтез-газа из углеродсодержащих энергоносителей, в частности, из биомассы. Полученный синтез-газ по существу не содержащий смол может применяться для химического синтеза, в частности, в производстве водорода.

Под биомассой подразумеваются в данном случае любые вещества биологического происхождения. Синтез-газ состоит преимущественно из водорода (H₂), окиси углерода (CO), диоксида углерода (CO ₂) и метана (CH₄).

Уровень техники

На фоне истощающихся ископаемых энергоносителей преобразование биомассы в легко распределяемый газ обеспечивает возможность для более дешевой альтернативы. Если первично образующийся синтез-газ затем дополнительно преобразовать в водород и подавать его конечным потребителям, то становится даже возможным децентрализованное генерирование электричества посредством топливных элементов. Для производства и применения водорода требуется очень чистый синтез-газ с низким содержанием азота. Такие требования действуют и в отношении других видов химического синтеза.

Для термохимического производства синтез-газа из биомассы известно применение по существу трех способов.

Для малого диапазона мощности применяется преимущественно газогенератор с неподвижным слоем в разных вариантах. Для газогенераторов с неподвижным слоем требуется биомасса неизменно высокого качества, и они не пригодны для получения синтез-газа высокого качества, который мог бы применяться при дальнейшей обработке для получения водорода.

Газогенераторы с увлекаемым потоком особенно пригодны для больших мощностей, начинающихся от 1 ГВт, так как размер реактора газогенератора с увлекаемым потоком относительно мал. Для небольших установок газогенератор с увлекаемым потоком не рентабелен из-за высокой стоимости аппаратуры. Для газогенератора с увлекаемым потоком требуется по существу сухая биомасса или исходное сырье, так как при высоких температурах газогенератор с увлекаемым потоком работает на чистом кислороде. Зола плавится подобно стеклу и не пригодна для применения в качестве минерального удобрения. Это представляет проблему в связи с высокой стоимостью и дефицитностью удобрений.

Реактор кипящего слоя имеет свои преимущества в промышленности среднего диапазона мощности от 1 МВт до 1 ГВт. Зола из реакторов кипящего слоя пригодна к использованию в сельском хозяйстве в качестве минерального удобрения. Среди способов газификации с применением реакторов кипящего слоя различают автотермическую и аллотермическую газификацию.

При автотермической газификации часть биомассы сжигают в реакторе кипящего слоя для преодоления протекающих эндотермических реакций. Автотермическая газификация проводится с применением воздуха. Чистый кислород мог бы привести к локальным перегревам внутри кипящего слоя. Однако способы, в которых воздух используется в качестве газа для образования кипящего слоя, не могут быть просто переведены на кислород. Применение воздуха приводит к разбавлению синтез-газа азотом и CO₂, что осложняет использование при генерировании электроэнергии и последующей обработке с получением водорода, метана, метанола или жидких видов топлива.

При аллотермической газификации необходимое тепло вводится посредством теплопередачи. Это может достигаться, например, с помощью нагревательных стержней внутри кипящего слоя, как это описано в DE 19926202 С1. Также известно применение теплоносителей, циркулирующих между горелкой и реактором синтез-газа. В качестве теплоносителя применяется в большинстве случаев песок, нагреваемый во втором реакторе при сжигании части биомассы. Такой газогенератор с тепловой мощностью 8 МВт находится в г. Гюссинг, Австрия. Такая же установка была представлена на 1-ой украинской международной конференции по использованию биомассы для производства энергии (1^st International Ukrainian Conference on Biomass for Energy), 23-27 сентября 2002 г., г. Киев. Украина. М. Bolhar Nordenkampfn др. под названием Scale-up of a 100 Kw_th pilot FICER to 8 Wt _th FICER-gasifier demonstration plant in Gussing (Austria) . В качестве газа для образования кипящего слоя используется водяной пар. Обеспечение водяным паром требует дополнительного расхода энергии, что во многих случаях снижает эффективность и повышает капитальные затраты.

Как правило, биомасса загружается непосредственно в реактор для производства синтез-газа, что приводит к очень высокому содержанию смол, так как крупные частицы биомассы через несколько секунд могут переместиться в верхнюю часть кипящего слоя и происходящие смолистые газовыделения поступают прямо в синтез-газ. Из-за этого в любом случае приходится применять дорогостоящий способ очистки от смол. Рекуперация физического тепла возможна лишь в очень ограниченной степени, поскольку при температуре ниже 350°C смолы осаждаются на стенках оборудования. Связанная со смолами проблематика является в настоящее время наибольшим препятствием при газификации биомассы.

Из DE 60120957 Т2 известен способ, при котором биомассу сначала разлагают в пиролизном реакторе на пиролизный кокс и пиролизный газ, которые затем подаются в реактор для производства синтез-газа. Этот способ рассчитан на использование воздуха и поэтому синтез-газ содержит большую долю азота. Вследствие конструктивного выполнения и режима работы пиролизных реакторов в реактор для производства синтез-газа поступает довольно крупный кокс. Такой крупный кокс еще не в полной мере дегазирован и вызывает повышенное содержание смол в синтез-газе. После простой, промывки содержание смол и азота не отвечает требованиям применения в двигателях внутреннего сгорания, однако отвечает требованиям в отношении производства и применения водорода, а также в отношении проведения других видов химического синтеза.

Задачей изобретения является значительное устранение описанных выше недостатков и получение синтез-газа с низким содержанием смол при его высоком выходе за счет первичных мероприятий.

Раскрытие изобретения

Согласно изобретению предложен способ получения синтез-газа с низким содержанием смол из биомассы, в котором:

a) биомассу разлагают в, по меньшей мере, одном первом реакторе кипящего слоя, по меньшей мере, на: пиролизный газ и пиролизный кокс,

b) газ, полученный в первом реакторе кипящего слоя, отводят в качестве газа для образования кипящего слоя в, по меньшей мере, один следующий реактор кипящего слоя,

c) выпускают пиролизный кокс в виде мелких частиц вместе с газом и подают в следующий реактор кипящего слоя.

Предпочтительные варианты выполнения способа согласно изобретению описаны в пунктах 2-12 формулы изобретения. Также изобретение касается устройства для осуществления способа согласно изобретению, признаки которого приведены в пунктах 13-18 формулы.

Способ согласно изобретению позволяет получать синтез-газ, содержание смол в котором существенно ниже их содержания в синтез-газе, производимом традиционными способами с использованием кипящего слоя. В контексте настоящего изобретения под «синтез-газом с низким содержанием смол» понимается, в частности, синтез-газ с содержанием смол менее 1000 мг/м³. Предпочтительно полученный способом согласно изобретению синтез-газ содержит значительно меньшее количество смол. В частности, содержание смол в синтез-газе, производимом способом по изобретению, составляет предпочтительно менее 500 мг/м³, в частности менее 200 мг/м³ . Также способ согласно изобретению может применяться при получении синтез-газа с содержанием смол менее 100 мг/м³, в частности, менее 50 мг/м³. Согласно особо предпочтительному варианту выполнения изобретения способом по изобретению получают синтез-газ, содержание смол в котором составляет менее 10 мг/м ³, в частности, менее 5 мг/м³, предпочтительно менее 2 мг/м³, особо предпочтительно менее 1 мг/м ³. Синтез-газ с содержанием смол 1 мг/м³ пригоден для непосредственного применения в химических синтезах, в частности, для производства водорода. Поэтому способ согласно изобретению предназначен для производства синтез-газа по существу не содержащего смол.

Также в способе согласно изобретению предусмотрено, чтобы пиролизный кокс в виде мелких частиц выпускали вместе с газом из первого реактора кипящего слоя и подавали в следующий реактор кипящего слоя. Под «мелкими частицами» в контексте настоящего изобретения понимаются частицы, которые вследствие своего размера или массы в условиях реактора могут быть выпущены вместе с газом из первого реактора кипящего слоя. Соответствующие частицы пиролизного кокса имеют предпочтительно средний размер, составляющий менее 5 мм, в частности, менее 2 мм, особо предпочтительно менее 1 мм.

Обеспечиваемые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что с помощью способа согласно изобретению содержание смол в синтез-газе может быть очень резко снижено по сравнению с уровнем техники за счет первичных мер. Кроме того синтез-газ, получаемый способом согласно изобретению, отличается низким содержанием азота. Следовательно, синтез-газ является особо пригодным для последующих видов синтеза. Отсутствие значительного количества смол в синтез-газе позволяет отказаться от его дорогостоящей очистки, а также от дорогостоящей очистки загрязненных смолами сточных вод. Физическое тепло синтез-газа может оптимально использоваться для подогрева потоков материала на входе, поскольку в теплообменниках не происходит конденсации смол. Использование физического тепла может быть упрощено каскадным расположением реакторов кипящего слоя и/или встраиванием сушилки для биомассы. Однако в связи с преобладанием электрической сушки биомассы отсутствуют как отходящие газы, так и их потери. Поэтому способ имеет очень высокой кпд. В противоположность газогенераторам с неподвижным слоем или газогенераторам с увлекаемым потоком зола от биомассы может использоваться в качестве минерального удобрения. Это имеет большое значение, в частности, в связи с дефицитом фосфора. В связи с возрастающим значением энергоснабжения за счет возобновляемых источников энергии изобретение описывается на фоне водородной энергетики, основанной на биомассе с использованием солнечной энергии.

Осуществление изобретения

В будущей водородной энергетике с использованием солнечной энергии водород будет поставляться конечным потребителям преимущественно по трубопроводам. Благодаря высокому кпд децентрализованного использования водорода для выработки электроэнергии посредством топливных элементов будет образовываться почти у всех конечных потребителей избыток электроэнергии. В теплоэнергетике электроэнергия и тепло имеют одинаковое значение. Учитывая, что теплоэнергетика является в принципе безубыточной, то потребность в первичной энергии, в данном случае в биомассе, резко упадет. На этом фоне станет рентабельным также использование электрической энергии для обеспечения энтальпии реакции при получении синтез-газа. Использование электроэнергии, в противоположность сегодняшней ситуации, не будет сопровождаться потерями. Электроэнергия снова будет использоваться в производстве водорода, который будет преобразовываться почти без потерь в электричество и тепло. Часть электроэнергии будет использоваться для получения синтез-газа способом согласно изобретению. Тепло может использоваться постоянно. Кроме того нагрев с помощью электричества связан с преимуществом, заключающимся в том, что не образуются дымовые газы и, следовательно, способ осуществляется в значительной степени без отходящих газов. Также способ согласно изобретению пригоден для использования чистого кислорода, образующегося при электролизе воды. Правда производство кислорода путем разложения воздуха рентабельно только на очень крупных установках. Типичная мощность оборудования при использовании способов, применяющих ректоры кипящего слоя, составляет от 1 МВт до 1 ГВт, предпочтительно от 20 до 500 МВт. И хотя крупные установки являются более рентабельными, однако они имеют предел, обусловленный логистикой. Водородная энергетика представляет собой региональный и децентрализованный вид энергетики. Поэтому оборудование должно обладать способностью работать в условиях повышенного давления, составляющего от 5 до 50 бар, с тем, чтобы произведенный газ можно было просто очищать и подавать в региональную сеть газопроводов среднего давления. Поэтому на фоне установки для производства водорода способ согласно изобретению применяется предпочтительно при давлении на входе от 20 до 40 бар, в частности, около 30 бар.

Способом согласно изобретению синтез-газ производится при каскадном расположении, по меньшей мере, двух реакторов кипящего слоя. В первом реакторе кипящего слоя происходит разложение биомассы на пиролизный газ и пиролизный кокс. Посредством инертного, образующего слой материала, например, песка, пиролизный кокс тонко измельчается в кипящем слое. При стационарном кипящем слое из реактора кипящего слоя может выпускаться только тонко измельченный кокс вместе с пиролизным газом. Следовательно для способа согласно изобретению более подходит стационарный кипящий слой, чем циркулирующий кипящий слой, при котором выгружаются песок и более крупные частицы кокса. Тонко измельченные частицы кокса почти не содержат в себе первичные и вторичные смолы, поскольку массо- и теплопередача при малом размере частиц являются очень высокими. Следовательно такой кокс может считаться коксом по существу без содержания смол. Это является условием для производства обессмоленного синтез-газа.

Пиролизный газ с примешанным пиролизным коксом поступает в последовательно расположенный реактор кипящего слоя. Следовательно пиролизный газ служит газом для образования кипящего слоя в реакторе. В этом реакторе пиролизный газ контактирует с тонко измельченным горячим коксом, который значительно разлагает содержащиеся в пиролизном газе смолы на H₂, CO, CO₂ и CH₄. Если данный реактор кипящего слоя является последним в каскаде из нескольких таких реакторов, то используемая биомасса преобразуется в нем в синтез-газ. Обозначения «пиролизный реактор» и «устройство риформинга» более не употребляются при наличии более двух реакторов кипящего слоя. В этом случае речь идет скорее о реакторах, после которых температура в последующих реакторах возрастает и после которых содержание смол в последующих реакторах снижается. «Пиролизным реактором» обозначается в любом случае первый реактор кипящего слоя при данном способе. Для качественного преобразования кокса требуются, как правило, температуры от 850 до 1000°C. Поэтому согласно изобретению предпочтительно предусмотреть, чтобы, по меньшей мере, один реактор кипящего слоя был обогреваемым, например, электрическим нагревом сопротивлением в виде нагревательных стержней, расположенных в кипящем слое.

Для первого реактора кипящего слоя в каскаде из нескольких таких реакторов требуется подвод лишь незначительного количества тепла, так как разложение биомассы на пиролизный газ и пиролизный кокс практически не сопровождается тепловым эффектом. При использовании перегретого водяного пара в качестве газа для образования кипящего слоя и подогретой биомассы реакция протекает почти самостоятельно. Тем не менее предпочтительно, чтобы вводилось небольшое количество тепла с тем, чтобы и пиролизный кокс, по меньшей мере, частично подвергался превращению. Таким образом получают значительно обессмоленный кокс, который подается в следующий реактор кипящего слоя, что способствует повышению качества синтез-газа. Целесообразно вводить тепло в пиролизный реактор посредством труб в кипящем слое, по которым проходит горячий синтез-газ. Физическое тепло синтез-газа может быть затем использовано для производства и перегрева водяного пара, служащего газом для образования кипящего слоя в пиролизном реакторе.

Согласно предпочтительному варианту выполнения изобретения содержащий смолы газ может подогреваться согласно пункту 2 формулы изобретения на входе в последующий реактор кипящего слоя. Благодаря этому снижается содержание смол в газе. Нагретый газ снова охлаждается вследствие эндотермической реакции частицами кокса в последующем реакторе, что известно, как химическая закалка. Нагрев может производиться, например, с помощью электрического нагревательного элемента, который в виде кожухотрубного теплообменника встроен между двумя реакторами кипящего слоя. В том случае, когда в пиролизном газе содержатся частицы кокса, то при использовании древесины температура стенки такого нагревательного элемента не должна предпочтительно превышать точку размягчения золы, составляющую 1200°C.

Согласно следующему варианту выполнения изобретения целесообразно, чтобы была отделена биомасса с низкой точкой размягчения золы согласно пункту 3 формулы изобретения и чтобы нагревался только обеспыленный пиролизный газ. В данном случае температура может повышаться значительно и дальше. Также при этом допускается сильный местный нагрев путем подачи чистого кислорода.

Особенно эффективным методом разложения смол является согласно пункту 4 формулы изобретения использование плазмы, образуемой электрическими разрядами. Плазма разрушает также циклические молекулы, характеризующиеся особо прочными связями. Так, например, плазма может быть образована электрическими дугами между, по меньшей мере, двумя электродами. Предпочтительно использовать несколько электродов, между которыми попеременно создаются электрические разряды. В результате достигается высокая турбулентность газа и, следовательно, высокая скорость реакции образовавшихся свободных радикалов. Таким образом электродуговые разряды действуют значительно эффективнее, чем просто нагрев. Разумеется, что при электродуговых разрядах происходит в целом и нагрев газа. Вместо компоновки, по меньшей мере, из двух электродов в газовом пространстве между двумя реакторами кипящего слоя может примениться компоновка из полых электродов, расположенных в отдельном корпусе. В этом случае разряды будут происходить внутри трубы между кольцевыми электродами. Такие устройства уже известны под названием «плазменных конвертеров». По трубе может пропускаться частично пиролизный газ или не содержащий углерод газ, как, например, водяной пар. Углеводороды разлагают электрической дугой преимущественно на водород и углерод (крекинг-сажу). Оба этих продукта могут быть преобразованы в синтез-газ непосредственно или в следующем реакторе кипящего слоя.

Согласно другому варианту выполнения по пункту 5 формулы изобретения перегретый содержащий смолы газ может быть пропущен через слой катализатора. Благодаря этому возможно снижение содержания смол уже при относительно низкой температуре. Положительно зарекомендовали себя при этом катализаторы на основе никеля.

Эффективность катализатора может быть согласно пункту 6 формулы изобретения существенно повышена, если из содержащего смолы газа до его контактирования с катализатором удалить вредные вещества, в частности, галогениды и/или щелочи. Также очень эффективной мерой является десульфурация. Для этого достаточна, как правило, десульфурация горячего газа. Для этой цели пригодны металлы, такие, как Ca, Fe и Zn, a также их смеси с другими оксидами металлов. Часть этих оксидов может выводить также органические соединения серы и азота (COS, HCN). Многие оксиды металлов могут восстанавливаться воздухом или водяным паром. Содержащий смолы газ необходимо охлаждать по возможности до температуры 600°C. Однако это никак не влияет на кпд процесса, поскольку высвобождающееся тепло расходуется на начальных этапах процесса. Также возможна сухая очистка с использованием расходных химикатов, таких, например, как гидроксид кальция (Ca(OH) ₂). Приготовленный раствор просто впрыскивают с помощью сопел в газовый поток и затем удаляют вредные вещества с помощью фильтров.

Особо простая компоновка реакторов кипящего слоя достигается согласно пункту 7 формулы изобретения в результате того, что реакторы кипящего слоя располагают непосредственно друг над другом. Таким образом получают характеристику реакции, присущую каскаду котлов с мешалкой и оказывающую постоянное положительное влияние на качество продукта,

Применение сухой биомассы и раздельное приготовление водяного пара для производства синтез-газа являются в технологическом отношении менее трудоемкими по сравнению с применением влажной биомассы. Однако полезный потенциал сухой биомассы является очень ограниченным. Большим потенциалом обладают однолетние энергетические растения, которые могут храниться преимущественно только в виде силоса. Поэтому важно, чтобы в процессе могла применяться и биомасса с содержанием воды от 30 до 50%. Использования биомассы с большим содержанием воды не требуется, поскольку предварительно в холодном виде воду отжимают, которая затем эффективно может использоваться для получения биогаза. Кроме того повышенное содержание воды облегчает загрузку биомассы в емкость с избыточным давлением. Из DE 102008012256.8 и DE 102008012154.1 известно применение шнековых транспортеров, внутри которых образуется пробка, препятствующая утечке газа.

Непосредственная загрузка влажной биомассы с содержанием воды свыше 40% в пиролизный реактор может привести к снижению кпд, так как водяной пар в количестве свыше необходимого для образования кипящего слоя оказывается балластом, снижающим тепловой баланс. Поэтому согласно пункту 8 формулы изобретения предпочтительно проводить сушку влажной биомассы, а образующийся при этом выпар подавать в пиролизный реактор в качестве газа для образования кипящего слоя. При эксплуатации промышленных установок целесообразно сушить биомассу в виде подвижного или кипящего слоя. Предпочтительно, чтобы в процессе сушки температура биомассы не превышала 280°C, так как в противном случае начинается экзотермическое разложение биомассы. Кроме того сушильное устройство должно содержать контур для циркуляции выпара с теплообменником для ввода технологического тепла. Циркуляция выпара обеспечивается компрессором.

Перед сушильным устройством для биомассы может быть расположено согласно пунктам 10 и 11 формулы изобретения подобное устройство для подогрева биомассы, которое также снабжено предпочтительно компрессором и теплообменником для ввода технологического тепла. В установках под давлением температурный уровень такого подогрева значительно ниже температурного уровня сушильного устройства для биомассы. При давлении 30 бар температура водяного пара составляет, например, 234°C. В этом случае было бы целесообразно проводить подогрев до температуры от 80 до 150°C. В результате образуются два теплоотвода, которые делают возможным почти полное использование технологического тепла. Это обеспечивает чрезвычайно высокий кпд.

Также можно испарять значительное количество воды в устройстве для подогрева биомассы, если в указанный контур добавить целевой газ. Согласно пункту 12 формулы изобретения особо предпочтительно использовать для этого диоксид углерода (CO₂), образующийся на последующем этапе обработки синтез-газа. Избыточное количество CO₂ образуется практически при любом последующем химическом синтезе синтез-газа, в т.ч. и при получении водорода. Особо предпочтительно использовать для этого фракцию CO₂, в которой еще содержатся горючие компоненты, которые иначе приходится удалять сжиганием. Подводимым CO₂ захватывается часть воды из биомассы в соответствии с парциальным давлением водяного пара. Этим повышается количество вводимого тепла в газовом контуре. При этом может быть также частично использовано тепло от конденсации содержащейся в синтез-газе воды. Если такой газ с содержанием CO₂ направить в устройство для сушки биомассы, то сушка будет протекать на более низком температурном уровне. Введенный диоксид углерода (CO ₂) служит в качестве дополнительного источника углерода для синтез-газа. И хотя при этом происходит повышенный расход электроэнергии, однако при получении и использовании водорода это не оказывает влияния на имеющуюся в наличии полезную энергию на единицу биомассы. И лишь доля электрической энергии от общей полезной энергии снижается незначительно в том случае, когда не превышается количество подводимого CO₂. Так, например, соотношение между электроэнергией и теплом снижается от 52:48 до 47:53 в том случае, когда вместо получения электроэнергии со стороны эту энергию для осуществления способа согласно изобретению получают от потребителей водорода, располагающих топливными элементами с 60% кпд выработки электроэнергии. Это действительно при отсутствии подачи CO₂ в устройство для подогрева биомассы. Умеренное использование CO₂ в процессе не приводит к существенным отрицательным последствиям до тех пор, пока соотношение между электроэнергией и теплом не составит менее 30:70. В реальной энергетике современной Германии такое соотношение может составлять, например, 20:80. Это относится и к среднестатистической семье.

Краткое описание чертежей

Подробнее изобретение поясняется ниже с помощью примеров выполнения со ссылкой на фиг.1-5. При этом изображено:

фиг.1 - простой вариант выполнения изобретения;

фиг.2 - вариант выполнения изобретения с встроенными устройствами для подогрева и сушки биомассы;

фиг.3 - компоновка из 4 реакторов кипящего слоя и встроенного слоя катализатора;

фиг.4 - модифицированное устройство на фиг.3 с дополнительным устройством для очистки газа перед подачей на слой катализатора;

фиг.5 - компоновка, в которой смолы разлагаются образуемой плазмой.

Как показано на фиг.1, устройство согласно изобретению состоит из двух реакторов 3, 11 кипящего слоя, в которых кипящий слой предпочтительно является стационарным. Реакторы кипящего слоя содержат соответственно сопловое днище 4, кипящий слой 5 и свободное пространство 6 над кипящим слоем. Биомасса 1 подается в реактор 3 кипящего слоя, например, шнековым транспортером 2 и нагревается расположенным внутри нагревательным устройством 7. В этом примере нагревательное устройство состоит из труб, по которым перемещается горячий синтез-газ 15а. Для повышения качества продукта целесообразно доводить температуру в этом реакторе с помощью дополнительного, не показанного электрического нагревательного устройства, по меньшей мере, до 600-700°C. В качестве газа для образования кипящего слоя служит водяной пар, подаваемый по трубопроводу 10. Вода, поступающая в трубопровод 8, испаряется в теплообменнике 9 и образует перегретый пар. При этом используется физическое тепло синтез-газа 15а.

В реакторе 3 кипящего слоя биомасса разлагается на пиролизный газ и пиролизный кокс. Пиролизный кокс вместе с пиролизным газом поступает в последовательно расположенный реактор 11 кипящего слоя. Подбором класса крупности используемого песка и скорости движения газа, образующего кипящий слой, можно обеспечить положение, при котором в реактор кипящего слоя будут поступать только частицы кокса размером менее 0,8 мм. Дополнительно можно расширить поперечное сечение свободного пространства 6 для улавливания крупных частиц кокса. Частицы кокса, очищенные в значительной степени от летучих компонентов и поступающие в реактор 11 кипящего слоя, служат для каталитического разложения смол синтез-газа. Для того, чтобы можно было перевести в синтез-газ также кокс, в реакторе 11 кипящего слоя необходимо поддерживать температуру, как правило, от 800 до 1000°C, предпочтительно от 850 до 950°C. Нагревательное устройство 12 в этом реакторе выполнено предпочтительно электрическим, например, в виде вертикально расположенных стержней для электрического нагрева сопротивлением. Нагреваемая часть этих стержней находится полностью в кипящем слое. Синтез-газ 15а выходит из кипящего слоя 11 через свободное пространство 6, поперечное сечение которого предпочтительно выполнено с расширением. В отделителе 13 частиц происходит отделение золы 14. Находящийся в реакторах 3 и 11 песок может постоянно обновляться с помощью известных транспортирующих устройств, которые здесь не показаны.

На фиг.2 показано устройство, содержащее на правой стороне два реактора 3, 11 кипящего слоя, описанных выше со ссылкой на фиг.1. Однако в свободном пространстве 6 между двумя реакторами 3, 11 расположено нагревательное устройство 16. Это нагревательное устройство может состоять, например, из кожухотрубного теплообменника, трубы которого обогреваются электрически. Пиролизный газ и частицы кокса нагреваются в данном случае до температуры, которая превышает температуру внутри реактора 11 кипящего слоя. В результате значительная часть смол и частиц кокса переводятся в синтез-газ. При наличии содержащей древесину биомассы с высокой точкой размягчения золы перегрев может быть доведен до такой степени, что может не потребоваться нагревательного устройства 12 в реакторе 11 кипящего слоя. В этом случае в реакторе 11 кипящего слоя измельчаются только более крупные частицы кокса и затем разлагаются. В результате такого химического преобразования температура снижается.

В целях использования физического тепла, образующегося при осуществлении способа согласно изобретению, перед каскадом, по меньшей мере, из двух реакторов кипящего слоя, расположены предпочтительно устройство подогрева и/или сушильное устройство, температура в которых ниже температуры разложения биомассы, составляющей около 280°C.

Биомасса 1 подается в емкость с избыточным давлением с помощью специального шнекового транспортера 2. Здесь происходит подогрев биомассы до температуры 80-150°C. При этом через биомассу 18 пропускается циркулирующий газ от компрессора 25 и теплообменника 26. Контур циркулирующего газа дополнительно содержит отделитель 23, которым тонкая пыль 24 биомассы отводится назад в емкость. Через сопловое днище 19 газ поступает в подвижный слой биомассы 18. Затем биомасса подается в спускную трубу 20 с отверстием 21. Посредством пульсирующих толчков пара из трубопровода 22 биомасса регулируемым образом выгружается в следующий контур. Для подогрева и последующей сушки предпочтительно, чтобы с помощью известного устройства 17 из биомассы формировались куски единого размера. Если теперь на участке 27 подать в этот контур газ, то в нем уже может происходить сушка, при которой парциальное давление водяного пара меньше общего давления. Для этого может использоваться незначительная часть синтез-газа. Особо пригодным для этого является CO ₂, образующийся на последующей технологической стадии получения синтез-газа. Избыточный газ, присутствующий в указанном контуре, подается по трубопроводу 28 в дополнительный контур, состоящий из компрессора 32 и теплообменников 33, 34, 35. Перегретый выпар поступает через сопловое днище в кипящий слой, состоящий из биомассы 29. Захваченные частицы отводятся отделителем 31 и на участке 43 примешиваются к биомассе. Позицией 36 обозначен последующий процесс дополнительной обработки синтез-газа. Все эти процессы являются экзотермическими и могут обеспечивать сбросным теплом сушку или подогрев биомассы. Для этого могут использоваться теплообменники 34, 35. Подогретая и просушенная биомасса подается транспортирующим устройством 42, например, дозирующим шнековым транспортером, в первый реактор 3 кипящего слоя, т.е. пиролизное устройство. Выпар поступает по трубопроводу 40 и перегреватель 41 в реактор 3 кипящего слоя и используется в качестве газа для образования кипящего слоя. В этом месте может также подаваться без осложнений кислород 41. Однако дополнительный обогрев реактора 3 кипящего слоя требуется лишь в том случае, когда в нем необходима дополнительная реакция обменного разложения углерода для дополнительного повышения качества продукта.

Если в загруженной биомассе содержится воды больше, чем необходимо для осуществления процесса, то она может быть отведена с помощью конденсатора 37 и отделителя 38 конденсата. Этот байпас управляется клапаном 39 и предназначен только для тонкой настройки. Перед введением в процесс биомассу необходимо по возможности подготовить путем смешения, прессования и/или сушки до оптимального содержания воды.

Этот дополнительный контур служит для окончательной сушки и дополнительного подогрева биомассы до температуры, лежащей несколько ниже температуры разложения около 280°C. Наличие еще одного дополнительного контура особо оптимально в том случае, когда процесс должен проводиться в условиях высокого давления, например, при 30 барах.

На фиг.3 показан каскад из четырех реакторов 45, 46, 47, 48 кипящего слоя. Уже одно такое каскадное расположение обеспечивает высокое качество продукта. Поток продукта из газа и кокса направляется после реактора 46 кипящего слоя с помощью отбивного щитка 57а к отделителю 49. Кокс по трубопроводу 50 поступает в реактор 47 кипящего слоя. Теперь поступающий по трубопроводу 51 свободный от частиц газ может подогреваться без учета температуры размягчения золы, например, с помощью электрического нагревательного элемента 52. Для дополнительного поддержания разложения смол под реактором 47 кипящего слоя может быть расположен слой 53 катализатора на никелевой основе, например, в виде сотовой структуры. Для возобновления активности катализатора целесообразно предусмотреть множество труб 56 с соплами. Посредством чередующихся толчков пара из одной из труб 56 возможно осуществлять упомянутое возобновление активности во время работы. В том случае, когда применяется биомасса с очень низкой температурой размягчения золы, целесообразно примешивать к нагретому газу через трубопровод 55 охлажденный синтез-газ или другой охлажденный газ, образующийся при последующем процессе. Содержащие метан газы, образующиеся при последующем процессе, целесообразно подавать на участок 54, т.е. к катализаторному слою, с тем, чтобы можно было разложить метан. Нагревательная секция предусмотрена в середине каскада. В зависимости от температурного режима эта секция может также находиться и в другом месте. Показанная компоновка рассчитана на высокую степень преобразования углерода при сравнительно низкой температуре.

В каскад реакторов кипящего слоя подогретая биомасса подается транспортирующим устройством 42, а нагретый выпар - по трубопроводу 40, как это подробно показано на фиг.2. Нижний реактор 45 кипящего слоя может обогреваться технологическим теплом от нагревательного устройства 7, но это не обязательно. Однако нагрев обеспечивает оптимальную эксплуатацию. Последовательно расположенные реакторы 46, 47, 48 кипящего слоя необходимо обогревать предпочтительно с помощью электронагревательного устройства 12. На участках, обозначенных позицией 44, может, при необходимости, подаваться кислород. В водородной энергетике кислород повышает лишь среднюю долю электроэнергии от полезной энергии конечного потребителя. На кпд кислород практически не оказывает влияния.

На фиг.4 изображено устройство согласно изобретению, которое почти идентично устройству на фиг.3. Отличие состоит лишь в том, что газ после отделения кокса проходит стадию 60 горячей очистки. В качестве катализаторов, пригодных для обеспечения хорошей очистки от серы, служат прежде всего оксиды металлов. В целях обеспечения регенерации также во время работы очистка газа должна быть предпочтительно двойной. Горячая очистка газа оптимальна для биомассы с высоким содержанием серы, так как в этом случае слой катализатора 53 обладает высокой эффективностью и длительным сроком службы уже при низких температурах. Для горячей очистки температуру газа необходимо снизить предпочтительно до температуры менее 600°C. Это может быть достигнуто за счет того, что часть выпара из трубопровода 40 поступает через клапан 58 в холодильник 59. Охлаждение газа с помощью холодильника 59 практически не влияет на кпд. При этом изменяется лишь температурная градация внутри каскада реакторов кипящего слоя и соответственно вводимое количество электроэнергии.

На фиг.5 показана компоновка, аналогичная изображенной на фиг.3. Однако в данном случае слой катализатора заменен на множество электродов 68, между которыми создаются электрические разряды в чередующихся направлениях и через короткие интервалы. В результате газ частично переводится в плазменное состояние. Образующиеся при этом свободные радикалы разлагают любые углеводороды, с которыми они входят в контакт, на углерод (крекинг-сажу) и водород, которые затем непосредственно или же в последовательно расположенном реакторе 47 кипящего слоя превращаются в синтез-газ. «Грозовой разряд» вызывает в газе высокую турбулентность, обеспечивающую большую скорость реакции. Образование плазмы связано также с повышением температуры, которая уже сама по себе вызывает разложение смол. Следовательно плазменный нагрев является особо эффективной формой деструкции смол. Старение или отравление, имеющие место в катализаторном слое, в этом случае исключены.

Пополнение и смена материала для образования слоя может производиться, как уже отмечалось, для каждого реактора кипящего слоя раздельно посредством известных устройств. Оптимальное решение при этом состоит в том, что к биомассе примешивают в незначительном количестве песок, который отводится только из наиболее горячего реактора 48 кипящего слоя. Этот отвод песка может производиться, например, с помощью шнека 69. Песок с возросшей крупностью вследствие спеканий отделяется затем грохотом 64 и выводится через шлюзовые затворы. Не использованная часть песка отводится после этого в самый нижний реактор 45 кипящего слоя, например, посредством пневматического транспортера. Для исключения толчков вследствие переполнения кипящего слоя целесообразно оборудовать сопловое днище 4 трубами 61, несколько выступающими в свободное пространство 6 и расположенными под углом. Для предупреждения обратного течения песка во время перерыва в работе установки могут быть предусмотрены отбойные тарелки 62 или радиальные сверления. Применение песчаного слоя предназначено особенно для реакторов кипящего слоя, которые эксплуатируются в предельном диапазоне от стационарного до циркулирующего кипящего слоя.

Изобретение не ограничивается описанными примерами своего выполнения и для специалиста присутствует возможность для многообразных модификаций и вариантов в рамках изобретения. В частности, объем защиты изобретения определяется его формулой.