Способ и устройство для получения синтез-газа из биомассы
Изобретение относится к способу и устройству для получения синтез-газа из биомассы. Способ согласно изобретению включает стадии сжигания горючего газа в устройстве (4) сгорания с образованием горячих дымовых газов (7), прохождения дымовых газов (7) через средство (1) аккумуляции тепла для нагрева средства (1) аккумуляции тепла до повышенной температуры, нагревание присутствующей в нем газообразной среды и использование ее для нагрева биомассы в реакторе (2) до повышенной температуры с образованием синтез-газа, направление полученного синтез-газа для нагрева в средство аккумуляции тепла, удаление, по меньшей мере, части полученного синтез-газа и рециркуляцию оставшейся части синтез-газа через средство (1) аккумуляции тепла, реактор (2) биомассы и обратно в средство (1) аккумуляции тепла. Техническим результатом является снижение энергозатратности и повышение экологичности способа получения синтез-газа с незначительным содержанием примесей. 4 н. и 13 з.п.ф-лы, 3 ил.
Область техники
Данное изобретение относится к способу и устройству для получения синтез-газа из биомассы. Кроме того, изобретение относится к программному продукту для осуществления способа согласно изобретению и к применению полученного синтез-газа.
Предшествующий уровень техники
О получении синтез-газа, который представляет собой смесь, состоящую преимущественно из СО и H2, из ископаемых материалов, таких как уголь и сырая нефть, известно, например, из патента US 5637259.
Однако, поскольку такой исходный материал доступен лишь в ограниченном количестве, в последнее время ученые сосредоточили внимание на получении синтез-газа из возобновляемого сырья, такого как сырье растительного происхождения, например биомасса.
Примерами такой биомассы являются древесина, солома, макулатура, твердый городской мусор и их смеси.
Известно, что при нагревании древесного материала до высокой температуры, такой как 800°С, в анаэробных условиях из древесного материала выделяются газообразные и жидкие продукты и остается уголь. В результате взаимодействия угля с диоксидом углерода и водой при высоких температурах образуется синтез-газ. Синтез-газ также может быть получен крекингом смолистых материалов.
Состав полученного синтез-газа можно регулировать, например, отделением диоксида углерода, см., например, патент US 6133328.
В патенте US 6133328 описан трехстадийный способ получения синтез-газа из биомассы. На первой стадии биомассу сушат для получения безводной биомассы. На второй стадии биомассу сжигают в анаэробных условиях с образованием угля, а образовавшиеся при этом дымовые газы пропускают через средства аккумуляции тепла для нагрева данных устройств до высокой температуры. На третьей стадии через горячие средства аккумуляции тепла пропускают воду, испаряющуюся с образованием горячего пара, который проходит через уголь, полученный на предыдущей стадии, и образуется синтез-газ.
В патенте ЕР 971017 А2 раскрываются способ и устройство для превращения твердого топлива в сухой газ, обладающий низкой теплотворной способностью, для непосредственного использования в двигателе внутреннего сгорания. Топливо нагревают до температуры, при которой происходит пиролиз, и подвергают дополнительной обработке при температуре, обеспечивающей термический крекинг длинноцепочечных и/или полициклических углеводородов.
Задачей настоящего изобретения является разработка простого и экологически безопасного способа и устройства для получения синтез-газа из биомассы.
Еще одной задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства для получения синтез-газа, которые были бы менее энергозатратными, чем известные способы.
Другой задачей настоящего изобретения является получение синтез-газа для его применения для синтеза химических продуктов, например метанола.
И еще одной задачей настоящего изобретения является получение синтез-газа для его применения в качестве топлива, например, в двигателях внутреннего сгорания или топливных элементах.
Также задачей настоящего изобретения является разработка способа получения синтез-газа, содержащего лишь незначительное количество примесей.
Раскрытие изобретения
Способ согласно изобретению включает стадии сжигания горючих газов с образованием горячих дымовых газов, прохождения указанных дымовых газов через средство аккумуляции тепла для нагрева данного средства аккумуляции тепла до повышенной температуры, использования накопленного при этом тепла для нагрева биомассы до повышенной температуры с образованием синтез-газа и отвода, по меньшей мере, части полученного синтез-газа, и отличается тем, что после нагрева средства аккумуляции тепла газообразная среда циркулирует через средство аккумуляции тепла, биомассу и обратно в средство аккумуляции тепла.
Изобретение основано на том, что синтез-газ может быть получен из биомассы без ее предварительной сушки путем многократного, например, от четырех до семи раз, прохождения газообразной среды через средство аккумуляции тепла и биомассу. Циркуляцию продолжают до тех пор, пока температура внутри средства аккумуляции тепла не упадет до уровня, при котором образование синтез-газа значительно снижается.
В этой фазе для подогрева средства аккумуляции тепла до повышенной температуры может быть повторена первая стадия, после чего циркуляцию возобновляют. Кроме того, при необходимости циркуляцию можно реверсировать.
Когда газообразная среда проходит через биомассу и напрямую взаимодействует с ней, биомасса сразу нагревается и, таким образом, в процессе нагрева не происходит потери тепловой энергии. Это наиболее предпочтительно по сравнению с известными способами получения синтез-газа, зависящими от теплообмена через стенку сосуда, в котором содержится биомасса.
За исключением начала стадии сжигания, где может возникнуть необходимость во внешнем источнике горючего газа, предпочтительно, чтобы горючий газ, используемый для образования горячих дымовых газов, являлся частью синтез-газа, образовавшегося при нагревании биомассы. Кислород, используемый для сжигания горючего газа, предпочтительно подавать в виде воздуха, более предпочтительно в виде предварительно нагретого воздуха.
При соответствующем регулировании горения горючего газа температура дымовых газов может достигать 800-1600°С, предпочтительно 1200-1400°С, и при прохождении дымовых газов через средство аккумуляции тепла последнее может нагреваться до столь же высокой температуры. Средство аккумуляции тепла предпочтительно включает пористый слой неорганического теплостойкого материала, такого как частицы оксида кальция. Предпочтительно, чтобы эти частицы имели размер от 20 до 50 мм.
Полученный синтез-газ может содержать примеси, такие как смола и другие высокомолекулярные соединения. Однако при прохождении через горячее средство аккумуляции тепла эти примеси имеют свойство подвергаться термическому крекингу. При использовании в качестве аккумуляторов тепла материалов, обладающих каталитическим действием, высокомолекулярные соединения могут, кроме того, подвергаться каталитическому крекингу известным способом, что позволяет получать синтез-газ, практически не содержащий примесей.
Каталитический крекинг высокомолекулярных соединений, таких как смолы, наиболее предпочтителен по сравнению с термическим крекингом, поскольку является более эффективным и протекает при более низких температурах.
Желательно помещать биомассу в удлиненный вертикально расположенный реактор, а горячую газообразную среду предпочтительно подавать в нижнюю часть реактора и отводить с верхней части.
Изобретение также относится к устройству для получения синтез-газа, которое включает устройство сгорания (камеру сгорания), в котором из горючего газа образуются горячие дымовые газы, средство аккумуляции тепла, устройство для прохождения горячих дымовых газов через указанное средство аккумуляции тепла, реактор биомассы и устройство для циркуляции газообразной среды через указанные средство аккумуляции тепла, реактор биомассы и обратно в средство аккумуляции тепла либо в обратном порядке.
Предпочтительно, чтобы камера сгорания включала в себя горелку с устройством для подачи в нее горючего газа и воздуха.
Согласно предпочтительному осуществлению изобретения устройство для подачи горючего газа в камеру сгорания соединено с устройством для циркуляции газообразной среды через средство аккумуляции тепла и реактор биомассы, что позволяет использовать синтез-газ, полученный в реакторе биомассы, в качестве горючего газа в камере сгорания.
Наиболее предпочтительное осуществление устройства согласно изобретению включает два реактора биомассы, нижние части которых взаимосвязаны через две камеры сгорания и находящееся между ними общее средство аккумуляции тепла, и, кроме того, верхние части взаимосвязаны посредством устройства для транспортировки газообразной среды между двумя реакторами биомассы.
Данное осуществление является наиболее предпочтительным, поскольку предусматривает предварительный нагрев газообразной среды, проходящей через второй реактор биомассы, во время получения газа в первом реакторе. Получаемый газ может быть, например, синтез-газом или другим газообразным продуктом, который может производиться в устройстве согласно изобретению.
Таким образом, на стадии, когда газообразная среда циркулирует через средство аккумуляции тепла и первый реактор биомассы, перед возвратом в средство аккумуляции тепла газообразная среда также проходит через второй реактор биомассы, что приводит к подогреву указанной газообразной среды.
Когда тепловая обработка части биомассы в первом реакторе биомассы заканчивается, термически обработанную биомассу извлекают из реактора и загружают туда свежую биомассу. Во время следующего периода средство аккумуляции тепла нагревается за счет прохождения через него горячих дымовых газов в направлении, противоположном направлению потока на предыдущей стадии, и после повторного нагрева средства аккумуляции тепла газообразная среда циркулирует через средство аккумуляции тепла, второй реактор биомассы, первый реактор биомассы и обратно в средство аккумуляции тепла, при этом происходит подогрев газообразной среды при прохождении ее через первый реактор биомассы. Кроме того, при подогреве газообразной среды при прохождении ее через первый реактор биомассы часть смолистых продуктов в газообразной среде подвергается термическому крекингу.
Выполняя способ изобретения в такой чередующейся манере, можно достичь существенного сбережения энергии. Дополнительное сохранение энергии можно получить путем добавления к двойному реактору биомассы дополнительных средств аккумуляции тепла для сохранения тепла, содержащегося в дымовых газах, покидающих общее средство аккумуляции тепла. Такие дополнительные средства аккумуляции тепла используют для подогрева воздуха, подаваемого в камеру сгорания на следующей стадии, тогда как основные средства аккумуляции тепла обогреваются дымовыми газами, проходящими через указанные устройства в обратном направлении.
Кроме того, за счет чередования направлений потока может быть сведено к минимуму накопление побочных продуктов и нежелательных химических соединений в реакционной среде. Смолы, которые могут образовываться в реакторе биомассы, присутствуют в газообразной форме в нижней части реактора биомассы, где температура является наивысшей, но превращаются в жидкость по мере понижения температуры в верхней части реактора биомассы. Смола конденсируется и, в худшем случае, может засорить систему. При чередовании цикла газификации смола перемещается из верхней части реактора биомассы, где она превращается в жидкость, в нижнюю часть реактора биомассы и затем в средство аккумуляции тепла. Это известным образом усиливает термический и каталитический крекинг смолы.
Другим достоинством применения чередующейся циркуляции газа является то, что в «более холодной» части средства аккумуляции тепла возможно скопление сажи. При чередовании циклов такая накопленная сажа может сгорать или эффективно удаляться. К тому же чередование циркуляции газа предотвращает засорение системы.
Предпочтительно, чтобы устройство для транспортировки газообразных сред между верхними частями двух реакторов биомассы включало трубопровод, содержащий систему клапанов, позволяющую перемещать газообразную среду в обоих направлениях при помощи одностороннего насоса.
Еще одно предпочтительное осуществление изобретения включает два вертикально установленных реактора биомассы, причем каждый реактор в нижней части соединен с камерой сгорания, содержащей устройство для подачи смеси горючего газа и кислородсодержащей среды, такой как воздух, при этом одна часть каждой камеры сгорания соединена с дополнительным средством аккумуляции тепла, а другая часть каждой камеры сгорания соединена с общим средством аккумуляции тепла.
Во время работы оба реактора биомассы заполняют биомассой, и смесь горючего газа с воздухом подают в (первую) камеру сгорания, соединенную непосредственно с первым реактором биомассы, с тем, чтобы образовались горячие дымовые газы. Дымовые газы проходят через общее средство аккумуляции тепла, (вторую) камеру сгорания и через дополнительное средство аккумуляции тепла, соединенное со второй камерой сгорания. На следующей стадии газообразная среда циркулирует через общее средство аккумуляции тепла, первый реактор биомассы и возвращается во вторую камеру сгорания через второй реактор биомассы, в котором газообразная среда отдает тепло перед повторным поступлением в общее средство аккумуляции тепла.
На следующей стадии смесь горючего газа и воздуха сжигают во второй камере сгорания с образованием горячих дымовых газов, которые проходят через общее средство аккумуляции тепла и затем через дополнительное средство аккумуляции тепла, соединенное с первой камерой сгорания, обогревая данное вспомогательное средство аккумуляции тепла.
Конечная стадия попеременно работающего устройства включает циркуляцию газообразной среды через общее средство аккумуляции тепла, второй реактор биомассы и через первый реактор биомассы обратно в общее средство аккумуляции тепла.
Описанное выше устройство представляет собой несложный и компактный агрегат помимо того, что оно является энергосберегающим.
Изобретение также относится к применению синтез-газа, полученного согласно способу изобретения, для синтеза химических продуктов, например метанола, и в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания и топливных элементов.
Кроме того, изобретение относится к программному продукту, включающему программные средства, выполненные с возможностью, в случае исполнения на вычислительном модуле, управления устройством для реализации способа по п.1, выполнения вычислительным модулем регулировки, по меньшей мере, указанной стадии циркуляции газообразной среды через средство аккумуляции тепла, биомассу и обратно в средство аккумуляции тепла. Предпочтительно, чтобы программные средства были выполнены с возможностью мониторинга температуры или количества образовавшегося синтез-газа вычислительным модулем и, в зависимости от результатов мониторинга, управления направлением потока газообразной среды.
Изобретение также относится к вычислительному модулю, предназначенному для осуществления способа получения синтез-газа, включающему средства, позволяющие вычислительному модулю управлять, по меньшей мере, указанной стадией циркуляции газообразной среды через средство аккумуляции тепла, биомассу и обратно в средство аккумуляции тепла.
Описанные выше, а также далее признаки устройства и способа могут быть реализованы в программном обеспечении и выполнены модулем обработки данных или другими вычислительными средствами посредством выполнения программных средств, таких как исполняемые инструкции. Здесь и далее термин «вычислительный модуль» означает любую систему или устройство, выполненные с возможностью выполнения указанных выше функций, в частности упомянутый выше термин включает обще- и специально-целевые программируемые микропроцессоры, процессоры цифровой обработки сигналов (DSP), специализированные интегральные схемы (ASIC), программируемые логические матрицы (PLA), базовые матричные кристаллы (FPGA), электронные системы специального назначения и так далее, или комбинации перечисленного.
Например, программные средства можно загрузить в память, такую как ОЗУ (RAM), с носителя информации или с другого компьютера через компьютерную сеть. Кроме того, описанные характеристики могут быть реализованы не программно, а аппаратно либо в комбинации программного и аппаратного обеспечения.
Краткое описание графических материалов
Далее изобретение будет подробно описано с помощью следующих графических материалов:
на фиг.1 изображена схема предпочтительного варианта устройства согласно изобретению;
на фиг.2 представлена схема другого предпочтительного варианта устройства согласно изобретению;
на фиг.3 изображен вертикальный разрез еще одного предпочтительного варианта устройства согласно изобретению.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На фиг.1 изображено устройство 1 аккумуляции тепла, соединенное посредством трубопровода 7 или другого устройства для транспортировки газов с камерой 4 сгорания, которая соединена трубопроводом 8 с реактором 2 биомассы. Реактор 2 биомассы соединен с устройством 1 аккумуляции тепла при помощи трубопровода 6, в который включен насос 5. Камера сгорания соединена трубопроводом 9 с накопителем 3 газа, в котором имеется выпускное отверстие 10. Камера сгорания, кроме того, имеет входной патрубок 14.
В устройстве 1 аккумуляции тепла также имеется выпускное отверстие или, например, клапан 11 для отвода дымовых газов, проходящих через средство аккумуляции тепла во время нагрева.
Устройство 1 аккумуляции тепла содержит слой теплостойкого материала, такого как керамические гранулы, фарфор и другие керамические материалы. Средство аккумуляции тепла также может содержать СаО, доломит и другие оксиды металлов, включая оксиды алюминия и магния, а также цеолиты.
Кроме того, в реакторе 2 биомассы имеются устройство 12 для загрузки биомассы и выходное отверстие для удаления побочных продуктов, например золы. В нижней части реактора 2 биомассы может размещаться сито или другие сетчатые устройства, отделяющие биомассу от золы. Золу затем можно удалять из реактора 2 биомассы через выходное отверстие 13.
Устройство работает следующим образом.
Биомассу загружают в реактор 2 биомассы через устройство 12 и в процессе работы биомассу постоянно добавляют в реактор 2 биомассы. Горючий газ из накопителя 3 газов подают в камеру 4 сгорания по трубопроводу 9. В начале работы горючий газ подают в камеру 4 сгорания из внешнего источника. Воздух в качестве источника кислорода для горения подают в камеру 4 сгорания через входное отверстие 14. Образовавшиеся дымовые газы через трубопровод 7 поступают в устройство 1 аккумуляции тепла, обогревая его, и затем покидают устройство 1 аккумуляции тепла через выходное отверстие 11. После нагрева устройства 1 аккумуляции тепла подача горючего газа из накопителя 3 газов в камеру 4 сгорания прекращается. Газовая среда, присутствующая в аппарате, проходит через устройство 1 аккумуляции тепла, где нагревается, через камеру 4 сгорания по трубопроводам 7 и 8 в реактор 2 биомассы, где происходит образование синтез-газа. Полученный синтез-газ направляют по трубопроводу 6 в устройство 1 аккумуляции тепла при помощи насоса 5. Часть полученного синтез-газа отводят из камеры 4 сгорания по трубопроводу 9 на хранение в накопитель 3, тогда как оставшаяся часть синтез-газа вновь циркулирует через реактор 2 биомассы и устройство 1 аккумуляции тепла. Синтез-газ может быть удален из накопителя 3 через выходное отверстие 10.
Транспорт газовой среды через устройство регулируют с помощью насоса 5, например и предпочтительно, одностороннего насоса. Насос 5 может быть установлен в системе там, где это наиболее удобно, предпочтительно, чтобы насос 5 находился между реактором 2 биомассы и устройством 1 аккумуляции тепла, поскольку именно здесь наиболее низкая температура.
На фиг.2 изображено устройство 20 аккумуляции тепла, соединенное трубопроводом 26 с первой камерой 25 сгорания, а первая камера 25 сгорания соединена трубопроводом 27 с первым реактором 21 биомассы. В первой камере 25 сгорания имеются трубопровод 28, ведущий к газовому накопителю, и входное отверстие 29 для подачи воздуха в камеру сгорания. Первый реактор 21 биомассы, кроме того, соединен трубопроводом 30 с первым дополнительным устройством 23 аккумуляции тепла. Верхняя часть реактора 21 биомассы с помощью трубопровода 32 подсоединена к основной газовой линии 33. На основной газовой линии 33 расположены 2 клапана 34 и 35, на вспомогательной газовой линии 38 находятся два клапана 36 и 37. Вспомогательная газовая линия 38 подсоединена к основной газовой линии 33 одним концом - между клапаном 34 и первым реактором 21 биомассы, а вторым - между клапаном 35 и вторым реактором 22 биомассы, тем самым образуя петлю. Односторонний насос 31 установлен на трубопроводе 39, соединяющем основную газовую линию 33 и вспомогательную газовую линию 38. Основная газовая линия 33 соединена трубопроводом 40 со вторым реактором 22 биомассы. Второй реактор 22 биомассы соединен трубопроводом 41 со вторым дополнительным устройством 24 аккумуляции тепла, а также соединен трубопроводом 43 со второй камерой 42 сгорания. Вторая камера 42 сгорания соединена с устройством 20 аккумуляции тепла трубопроводом 44, помимо этого в ней имеется трубопровод 45, ведущий к газовому накопителю, и входное отверстие 46 для подачи воздуха в камеру сгорания.
Устройство работает следующим образом.
Во время первого цикла нагревания воздух поступает через первое дополнительное устройство 23 аккумуляции тепла, в котором аккумулируется тепло предыдущего цикла нагревания, в первую камеру 25 сгорания. Дымовые газы, образовавшиеся при горении газообразной среды, проходят через устройство 20 аккумуляции тепла, нагревая его, и проходят через второе дополнительное устройство 24 аккумуляции тепла, тем самым нагревая второе дополнительное устройство 24 аккумуляции тепла. За первым циклом нагревания следует первый цикл газообразования.
Во время первого цикла газообразования газовая среда, присутствующая в системе, нагревается в устройстве 20 аккумуляции тепла, после чего поступает в первый реактор 21 биомассы, содержащий биомассу, для нагрева биомассы и образования синтез-газа, который насосом 31 подается во второй реактор 22 биомассы, тем самым подогревая газовую среду во втором реакторе 22 биомассы, и поступает в устройство 20 аккумуляции тепла. Пока температура в устройстве 20 аккумуляции тепла является достаточно высокой для образования синтез-газа, часть образовавшегося синтез-газа будет поступать в первый реактор 21 биомассы через устройство 20 аккумуляции тепла и будет продолжаться циркуляция. В начале первого цикла газообразования нагретая газообразная среда, поступающая из устройства 20 аккумуляции тепла, на входе в первый реактор 21 биомассы может иметь температуру в интервале 1200-1400°С. Синтез-газ образуется из биомассы при температуре выше 800°С. Когда температура синтез-газа упадет приблизительно до 900°С, циркуляция прекращается.
Когда образование синтез-газа прекращается, начинается второй цикл нагревания. Воздух поступает через второе дополнительное устройство 24 аккумуляции тепла и подогревается перед подачей во вторую камеру 42 сгорания для сжигания горючего газа. Дымовые газы из второй камеры 42 сгорания движутся через общее устройство 20 аккумуляции тепла и через первое дополнительное устройство 23 аккумуляции тепла, отдавая тепло и тем самым нагревая первое дополнительное устройство 23 аккумуляции тепла. Второй цикл газообразования протекает аналогично первому, но в противоположном направлении. Газ в системе нагревается в общем устройстве 20 аккумуляции тепла и поступает во второй реактор биомассы, содержащий биомассу. Начинается образование газа, после чего образовавшийся газ подается с помощью насоса 31 в первый реактор 21 биомассы, где нагревает газообразную среду, и далее поступает в общее устройство 20 аккумуляции тепла. Циркуляция может продолжаться до тех пор, пока температура в общем устройстве 20 аккумуляции тепла будет достаточно высокой для образования синтез-газа. После второго цикла газообразования может быть повторен первый цикл нагревания.
Для регулирования направления движения газовой среды используют четыре клапана 34, 35, 36, 37 и насос 31. Во время первого цикла газообразования первый клапан 34 и второй клапан 37 открыты, а третий клапан 36 и четвертый клапан 35 закрыты. Во время второго цикла газообразования третий клапан 36 и четвертый клапан 35 открыты, а первый клапан 34 и второй клапан 37 закрыты. Направлением движения можно управлять путем задания определенных интервалов времени, измерениями в режиме реального времени, например, газов или температуры в устройстве, либо другими управляющими факторами процесса.
Согласно предпочтительному осуществлению клапанами управляет процессор (не показан детально на фиг.2), например соответствующим образом запрограммированный микропроцессор, компьютер или другие приемлемые вычислительные средства.
На фиг.3 изображено V-образное устройство с общим устройством 60 аккумуляции тепла, соединенным с первой камерой 63 сгорания. Первая камера 63 сгорания соединена с первым дополнительным устройством 61 аккумуляции тепла. В первой камере 63 сгорания имеется трубопровод 64 для подачи в первую камеру 63 сгорания горючего газа. Первая камера 63 сгорания также соединена с первым реактором 65 биомассы. Первый реактор 65 биомассы соединен со вторым реактором 66 биомассы трубопроводом 67, в который включен насос 68. Второй реактор 66 биомассы соединен со второй камерой 69 сгорания, в указанной второй камере 69 сгорания имеется трубопровод 70 для подачи в нее горючего газа. Вторая камера 69 сгорания также соединена со вторым дополнительным устройством 62 аккумуляции тепла.
Устройство работает следующим образом.
Во время первого цикла нагревания воздух поступает через первое дополнительное устройство 61 аккумуляции тепла, нагревается и затем поступает в первую камеру 63 сгорания, в которую подается горючий газ. Смесь горючего газа и воздуха сжигается, а образовавшиеся дымовые газы проходят через общее средство аккумуляции тепла, тем самым обогревая его, и через второе дополнительное устройство 62 аккумуляции тепла, обогревая его, прежде чем газ покинет устройство для получения синтез-газа. Когда общее средство аккумуляции тепла нагрето, начинается первый цикл газообразования, в ходе которого газообразная среда, уже имеющаяся в устройстве для получения синтез-газа, проходит через общее устройство 60 аккумуляции тепла, где нагревается, и затем поступает в первый реактор 65 биомассы, содержащий биомассу. Образовавшийся синтез-газ поступает во второй реактор 66 биомассы, обогревая газообразную среду, и затем поступает в первый реактор 65 биомассы через общее устройство 60 аккумуляции тепла. Циркуляция продолжается до тех пор, пока температура остается достаточно высокой для образования синтез-газа.
Когда температура в устройстве 60 аккумуляции тепла падает настолько, что образование синтез-газа становится невозможным, начинается второй цикл нагревания. Воздух поступает через второе дополнительное устройство 62 аккумуляции тепла и нагревается перед входом во вторую камеру 69 сгорания, куда подают горючий газ. Образовавшиеся дымовые газы проходят через общее устройство 60 аккумуляции тепла, нагревая его, и выходят из устройства для получения синтез-газа через первое дополнительное устройство 61 аккумуляции тепла. Второй цикл газообразования начинается с нагрева газа, уже находящегося в аппарате, в общем устройстве 60 аккумуляции тепла и подачи его во второй реактор 66 биомассы, при этом образуется синтез-газ, который движется через первый реактор 65 биомассы и далее через общее устройство 60 аккумуляции тепла до тех пор, пока температура в нем остается достаточно высокой для образования синтез-газа. В противном случае второй цикл газообразования останавливается и начинается новый цикл нагревания.
Биомасса согласно изобретению включает растительные продукты, например древесину, включая древесную щепу, кукурузу, пшеницу, канолу, солому, морскую биомассу; побочные продукты и отходы, например шелуху гороха, рисовую лузгу; отходы, например городские отходы, канализационные отходы; излишки, например поставленные в избытке пищевые культуры; естественную растительность, например упавшие ветви деревьев. Для того чтобы газ мог эффективно проходить через биомассу, предпочтительно, чтобы биомасса имела размер частиц более 10 мм.
Синтез-газ, полученный согласно способу изобретения, преимущественно содержит водород, монооксид углерода и диоксид углерода, но может также содержать метан, углеводороды с содержанием атомов углерода не менее 2, кислород и азот. Предпочтительны следующие концентрации: водород 40-60 об.%, монооксид углерода 20-30 об.%, диоксид углерода 5-10 об.%, метан 4-8 об.%, углеводороды от С2 100-500 м.д., кислород 0-1 об.% и азот 5-10 об.%. Более предпочтительными являются следующие концентрации: 40 об.% водорода (H2), 25 об.% монооксида углерода, 15 об.% диоксида углерода, 4 об.% метана, 100 м.д. углеводородов от С2, 1 об.% кислорода, 7 об.% азота.
В альтернативном осуществлении изобретения полученный синтез-газ имеет следующие концентрации: водород 15-30 об.%, монооксид углерода 30-50 об.%, диоксид углерода 1-15 об.%, метан 0,5-5 об.%, углеводороды от С2 200-1200 м.д., кислород 0,5-1,5 об.% и азот 25-35 об.%. Более предпочтительными являются такие концентрации: 21 об.% водорода (H2), 40 об.% монооксида углерода, 8 об.% диоксида углерода, 2 об.% метана, 550 м.д. углеводородов от С2, 1 об.% кислорода, 27 об.% азота.
Пример 1
Устройство, изображенное на фиг.3, используют для получения синтез-газа из еловой щепы.
Во время первого цикла нагревания средства аккумуляции тепла обогреваются теплом, полученным от сгорания воздуха и пропана, в течение приблизительно 40 минут до температуры 1150-1200°С. Во время первого цикла газообразования нагретый газ проходит через биомассу в течение приблизительно 3 минут, продуцируя около 0,8 м3/мин синтез-газа. Подогрев средств аккумуляции тепла частью образовавшегося синтез-газа до температуры 1150-1200°С продолжается в течение приблизительно 15 минут. Объем циркулирующего потока синтез-газа в системе составляет около 2 м3/мин.
Полученный синтез-газ имеет следующий химический состав:
| Водород | 40 об.% |
| Монооксид углерода | 25 об.% |
| Диоксид углерода | 15 об.% |
| Метан | 4 об.% |
| Углеводороды от С2 | 100 м.д. |
| Кислород | 1 об.% |
| Азот | 7 об.% |
Пример 2
Устройство, изображенное на фиг.2, используют для получения синтез-газа из еловой щепы.
Во время первого цикла нагревания средства аккумуляции тепла обогреваются теплом, полученным от сгорания воздуха и пропана, в течение приблизительно 40 минут до температуры 1150-1200°С. Во время первого цикла газообразования нагретый газ проходит через биомассу в течение приблизительно 3 минут, продуцируя около 0,8 м3/мин синтез-газа. Подогрев средств аккумуляции тепла частью образовавшегося синтез-газа до температуры 1150-1200°С продолжается в течение приблизительно 15 минут. Объем циркулирующего потока синтез-газа в системе составляет около 2 м3/мин.
Полученный синтез-газ имеет следующий химический состав:
| Водород | 21 об.% |
| Монооксид углерода | 40 об.% |
| Диоксид углерода | 8 об.% |
| Метан | 2 об.% |
| Углеводороды от С2 | 550 м.д. |
| Кислород | 1 об.% |
| Азот | 27 об.% |
1. Способ получения синтез-газа из биомассы, включающий стадии
а) сжигания горючих газов в устройстве сгорания с образованием горячих дымовых газов,
б) прохождения указанных дымовых газов через средство аккумуляции тепла с нагревом данного средства аккумуляции тепла до повышенной температуры,
в) нагревания газообразной среды, присутствующей в средстве аккумуляции тепла,
г) направления горячей газообразной среды в реактор, содержащий биомассу,
д) нагревания биомассы до повышенной температуры горячей газообразной средой с образованием синтез-газа,
е) направления синтез-газа в средство аккумуляции тепла для нагрева указанного синтез-газа,
ж) удаления по меньшей мере части полученного синтез-газа, и
з) рециркуляции оставшейся части синтез-газа в виде горячей газообразной среды в реактор с продолжением процесса получения синтез-газа на стадиях д)-ж).
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что продолжают циркуляцию газообразной среды через средство аккумуляции тепла и биомассу до тех пор, пока температура газообразной среды не упадет до уровня, при котором образование синтез-газа значительно снижается.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что повторяют стадию нагрева средства аккумуляции тепла через интервалы времени.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что часть полученного синтез-газа используют в качестве горючего газа.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что горючий газ сжигают с воздухом.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что используют предварительно нагретый воздух.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что нагревают средство аккумуляции тепла до температуры 800-1600°С, предпочтительно 1200-1400°С.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве средства аккумуляции тепла используют слой теплостойкого неорганического материала.
9. Способ по п.8, отличающийся тем, что используют теплостойкий неорганический материал, включающий компонент, способный катализировать крекинг высокомолекулярных соединений, образующихся при тепловой обработке биомассы.
10. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют два реактора биомассы и поочередно нагревают содержащуюся в них биомассу газообразной средой, нагретой в общем средстве аккумуляции тепла.
11. Устройство для получения синтез-газа, содержащее устройство (4) сгорания для получения горячих дымовых газов из горючего газа, средство (1) аккумуляции тепла, устройство (5) для прохождения газообразной среды через указанное средство аккумуляции тепла, реактор (2) биомассы и устройства (6, 7, 8) для циркуляции газообразной среды через указанное средство аккумуляции тепла, реактор биомассы и обратно в средство аккумуляции тепла.
12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что включает устройство (6, 7, 8) для соединения устройств для циркуляции с устройством (4) сгорания.
13. Устройство для получения синтез-газа, содержащее устройство (25, 42 или 63, 69) сгорания для получения горячих дымовых газов из горючего газа, средство (20 или 60) аккумуляции тепла, два реактора (21, 22 или 65, 66) биомассы, при этом реакторы (21 и 22) в нижней части соединены друг с другом посредством двух устройств (25, 42) сгорания через трубопроводы (27, 43) и находящимся между ними общим средством (20) аккумуляции тепла через трубопроводы (26, 44), а в верхней части соединены друг с другом посредством устройств (31, 32, 33, 38, 40) транспортировки газообразной среды между двумя реакторами биомассы, при этом другие два реактора (65 и 66) в нижней части соединены друг с другом посредством двух устройств (63, 69) и находящимся между ними общим средством (60) аккумуляции тепла, а в верхней части соединены друг с другом посредством устройств (67, 68) транспортировки газообразной среды между двумя реакторами биомассы.
14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что включает дополнительные средства (23, 24 или 61, 62) аккумуляции тепла для сохранения тепла, содержащегося в дымовых газах, покидающих общее средство (20 или 60) аккумуляции тепла.
15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что устройства (32, 33, 38, 40 или 67) для транспортировки газообразной среды между верхними частями двух реакторов (21, 22 или 65, 66) биомассы включают односторонний насос (31 или 68) и трубопроводы, содержащие систему клапанов (34, 35, 36, 37), выполненную с возможностью перемещения газообразной среды в противоположных направлениях.
16. Устройство по п.15, отличающееся тем, что включает два (21, 22 или 65, 66) вертикально установленных реактора биомассы, каждый из которых в нижней части соединен с устройством (25, 42 или 63, 69) сгорания, содержащем устройства (28, 29, 45, 46 или 64, 70) для подачи в нее смеси горючего газа и кислородсодержащей среды, при этом один конец каждого устройства сгорания соединен с дополнительным средством (23, 24 или 61, 62) аккумуляции тепла, а другой конец каждого устройства сгорания соединен с общим средством (20 или 60) аккумуляции тепла.
17. Применение синтез-газа, полученного способом по любому из пп.1-10, для синтеза химических продуктов, таких как метанол, и в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания или топливных элементов.
