Способ получения синтез-газа и полукокса пиролизом биомассы

Способ получения синтез-газа и полукокса пиролизом биомассы может найти применение в промышленной теплоэнергетике, производстве электроэнергии и химическом синтезе органических соединений. Способ получения синтез-газа пиролизом биомассы, включающий шнековую транспортировку сырья сквозь зону пиролиза, в которой производят пиролиз органических веществ с получением газа, имеющего высокую теплотворную способность, процесс сепарации твердых и газообразных веществ с отделением твердого остатка, утилизацию водяного пара и твердого остатка с передачей получившегося тепла в другие стадии процесса, отличающийся тем, что способ осуществляют при непрерывной одновременной работе системы шнеков трех камер: сушильной, пиролизной и разделительной, при которой сначала предназначенную для пиролиза биомассу направляют в бункер для сырья, затем биомассу проталкивают через зону сушки, производя одновременный обогрев зоны сушки дымовыми газами и собирая выделяющийся при сушке конденсат коллектором для сбора пара и выводя пар отдельно от дымовых газов, при этом выводимый пар направляют снова в камеру сушки для оптимизации температуры сушки и исключения перегрева сушильного пространства до предпочтительной температуры в 400°С, при этом избыток пара убирают из сушильной камеры при достижении оптимальной температуры, высушенное сырье собирают в бункере сухого сырья, откуда часть его с помощью шнека поступает на сжигание с получением дымовых газов для обогрева шнекового пиролизера, остальную часть высушенного сырья подают посредством шнека в пиролизную камеру и транспортируют в течение промежутка времени от 2 до 7 минут через обогреваемое пиролизное шнековое пространство с обеспечением равномерности толщины прогреваемого слоя биомассы, в котором происходит разложение биомассы с помощью непрерывного конвекционного теплообмена между стенками шнековой камеры и сырьем, а выделяющийся при пиролизе высококалорийный газ собирают в коллекторе для сбора газа, откуда направляют потребителю, при этом твердый углеродный остаток используют в камере сгорания с утилизацией вредных жидких и твердых примесей в виде смол и дегтя, а полукокс собирают в камере приема газа и полукокса и посредством водоохлаждаемого шнека отгружают потребителю, причем дымовые газы после обогрева пиролизного шнека и шнека для сушки отводят через дымоход, а обратный прорыв газа предотвращают газовыми пробками. Технический результат - разложение способом пиролиза широкого спектра органического сырья, с получением высококалорийного синтез-газа и твердого остатка в виде полукокса, при максимальном использовании тепловой энергии биомассы. 1 ил.

 

Заявляемый способ получения синтез-газа и полукокса пиролизом биомассы может найти применение в промышленной теплоэнергетике, производстве электроэнергии и химическом синтезе органических соединений.

Синтетический газ (синтез-газ), состоящий в основном из СО и Н₂, является основой для многих направлений в химическом синтезе, может применяться в качестве горючего газа для производства тепла и электроэнергии. При существующем уровне развития техники крупнотоннажные химические производства получают синтез-газ неполным окислением метана

2СН₄+O₂=2СО+4Н₂

До начала широкого использования природного газа в химической промышленности во второй половине XX столетия синтез-газ получали в основном в коксовых батареях и башенных газификаторах из каменного угля парокислородной конверсией

3С+Н₂O+O₂=3СО+Н₂

В настоящее время значительное увеличение мировых цен на нефть и природный газ заставляют рассматривать другие сырьевые источники для получения синтез-газа. Биомасса - твердое органическое вещество растительного, животного или техногенного происхождения, содержит в своем составе достаточное количество водорода, чтобы при термическом разложении (пиролизе) выделять синтез-газ.

Прототип предлагаемого способа представлен патентом РФ №2240341. Патент относится к способу газификации органических веществ. Способ заключается в том, что целевой газ с высокой теплотворной способностью получают из органических веществ или смеси веществ путем циркуляции в контуре теплонесущей среды через зону нагрева, реакционную зону, зону пиролиза и зону разделения, после чего возвращается в зону нагрева. Органические вещества или смесь веществ расщепляются в зоне пиролиза путем контактирования с нагретой теплонесущей средой на твердый углеродсодержащий остаток и пиролизный газ в качестве летучей фазы. После прохождения зоны пиролиза твердый углеродсодержащий остаток на стадии разделения отделяют от теплонесущей среды. Пиролизный газ смешивают с водяным паром в зоне пиролиза, собранный твердый углеродсодержащий остаток подают в специальную топку и там сжигают. Горячие отходящие газы из указанной топки пропускают в находящуюся в зоне нагрева сыпучую массу теплонесущей среды, причем большую часть заметного тепла определенным образом передают теплонесущей среде.

Общие признаки прототипа и заявляемого способа получения синтез-газа пиролизом биомассы заключаются в том, что в аналоге, как и в заявляемом способе, производят пиролиз органических веществ с получением газа, имеющего высокую теплотворную способность. Общие признаки также - наличие процесса сепарации твердых и газообразных веществ, отделения твердого остатка, утилизация водяного пара и твердого остатка с передачей получившегося тепла в другие стадии процесса.

Отличие заявляемого способа от аналога проявляется в отсутствие необходимости использовать теплонесущую среду. В заявляемом способе пиролиз биомассы происходит в обогреваемом шнеке, что позволяет не использовать сторонний теплоноситель, то есть уменьшить потери тепла, связанные с оборотом теплонесущей среды.

Цель разработки заявляемого способа получения синтез-газа пиролизом биомассы - разложить способом пиролиза широкий спектр органического сырья, с получением высококалорийного синтез-газа и твердого остатка в виде полукокса, при максимальном использовании тепловой энергии биомассы. Заявленная цель достигается тем, что в одном термоизолированном корпусе в непрерывном процессе утилизации биомассы по единой технологической схеме реализуются процессы сушки биомассы, пиролиза биомассы и разделения газообразных и твердых продуктов пиролиза. Целью разработки способа является также устранение недостатка подобных технологий, заключающегося в том, что твердые и жидкие продукты пиролиза биомассы в виде смол и дегтя затрудняли процесс подготовки сырья к пиролизу, вследствие чего для предотвращения слипания сырья были разработаны требования о переводе сырья в гранулированную форму, гранулированная форма требовалась также при подготовке летучего сырья, например опилок. В настоящем техническом решении поставлена цель использования практически любого вида сырья.

Техническая задача заявляемого способа - разработка процесса пиролиза с оптимальными энергосберегающими режимами.

Поставленная цель достигнута тем, что способ получения синтез-газа пиролизом биомассы включает шнековую транспортировку сырья сквозь зону пиролиза, в которой производят пиролиз органических веществ с получением газа, имеющего высокую теплотворную способность, процесс сепарации твердых и газообразных веществ с отделением твердого остатка, утилизацию водяного пара и твердого остатка с передачей получившегося тепла в другие стадии процесса, причем способ осуществляют при непрерывной одновременной работе системы шнеков трех камер: сушильной, пиролизной и разделительной, при которой сначала предназначенную для пиролиза биомассу направляют в бункер для сырья, затем биомассу проталкивают через зону сушки, производя одновременный обогрев зоны сушки дымовыми газами и собирая выделяющийся при сушке конденсат коллектором для сбора пара и выводя пар отдельно от дымовых газов, при этом выводимый пар направляют снова в камеру сушки для оптимизации температуры сушки и исключения перегрева сушильного пространства до предпочтительной температуры в 400°С, при этом избыток пара убирают из сушильной камеры при достижении оптимальной температуры, высушенное сырье собирают в бункере сухого сырья, откуда часть его с помощью шнека поступает на сжигание с получением дымовых газов для обогрева шнекового пиролизера, остальную часть высушенного сырья подают посредством шнека в пиролизную камеру и транспортируют в течение промежутка времени от 2 до 7 минут через обогреваемое пиролизное шнековое пространство с обеспечением равномерности толщины прогреваемого слоя биомассы, в котором происходит разложение биомассы с помощью непрерывного конвекционного теплообмена между стенками шнековой камеры и сырьем, а выделяющийся при пиролизе высококалорийный газ собирают в коллекторе для сбора газа, откуда направляют потребителю, при этом твердый углеродный остаток используют в камере сгорания с утилизацией вредных жидких и твердых примесей в виде смол и дегтя, полукокс собирают в камере приема газа и полукокса и посредством водоохлаждаемого шнека отгружают потребителю, причем дымовые газы после обогрева пиролизного шнека и шнека для сушки отводят через дымоход, а обратный прорыв газа предотвращают газовыми пробками.

Реализация заявляемого способа состоит в том, что предназначенная для пиролиза биомасса поступает в бункер для сырья, откуда шнеком сушки исходного сырья проталкивается через зону сушки, обогреваемую отходящими газами. Пары воды, выделяемые при сушке сырья, собираются коллектором для сбора пара и выводятся из устройства отдельно от дымовых газов. Высушенное сырье собирается в бункере сухого сырья, откуда часть его с помощью шнека подачи топлива в пиролизную поступает на сжигание для обогрева шнекового пиролизера. Основная часть сырья с помощью привода шнека пиролизера транспортируется через обогреваемое шнековое пространство, в котором происходит разложение биомассы. Выделяющийся при пиролизе высококалорийный газ собирается в коллекторе для сбора пиролизного газа, откуда направляется потребителю. Прокаленный твердый углеродный остаток (полукокс) собирается в камере приема газа и полукокса и водоохлаждаемым шнеком отгружается потребителю. Топочные газы, образовавшиеся от сжигания части биомассы в нагнетаемом воздухе из воздушного коллектора пиролизной камеры, после обогрева пиролизного шнека и шнека для сушки отводятся через дымоход. Шнек пиролизера, шнек подачи топлива и шнек отвода полукокса снабжены разрывами витка (газовыми пробками) для предотвращения обратного прорыва газов и работают одновременно. Способ может быть осуществлен в реакторе, представленном на чертеже.

Результат применения заявляемого способа получения синтез-газа пиролизом биомассы заключается в производстве высококалорийного газа из широкого спектра твердого органического сырья при низких производственных затратах и максимальном использовании тепловой энергии биомассы.

Пример конкретного выполнения способа.

Тактико-технические данные процесса пиролиза

Материал для пиролиза: измельченная древесина (биомасса) влажностью до 70%, насыпной вес - 150 кг/м³. Конструктивная особенность установки - все шнеки работают одновременно. Номинальная пропускная способность шнеков за 1 час 220 кг.

Усредненный материальный баланс переработки входного сырья (измельченная древесина) по весу:

- газ - 77,4%

- полукокс - 16,6%

- деготь - 4,7%

- вода - 1,3%

Применительно к установке по часу работы:

- газ - 170,28 кг

- полукокс - 36,52 кг

- деготь - 10,34 кг

- вода - 4,9 кг

Объем горючего газа (при плотности 0,8 кг/м³) составит 170,28/0,8=212,85 м³/час. Эквивалентная калорийность очищенного газа составит 3500 ккал/нм³.

При анализе уровня техники не обнаружено решений с подобным сочетанием экономичности и технической эффективности, что позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ соответствует критериям «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

Способ получения синтез-газа пиролизом биомассы, включающий шнековую транспортировку сырья сквозь зону пиролиза, в которой производят пиролиз органических веществ с получением газа, имеющего высокую теплотворную способность, процесс сепарации твердых и газообразных веществ с отделением твердого остатка, утилизацию водяного пара и твердого остатка с передачей получившегося тепла в другие стадии процесса, отличающийся тем, что способ осуществляют при непрерывной одновременной работе системы шнеков трех камер: сушильной, пиролизной и разделительной, при которой сначала предназначенную для пиролиза биомассу направляют в бункер для сырья, затем биомассу проталкивают через зону сушки, производя одновременный обогрев зоны сушки дымовыми газами и собирая выделяющийся при сушке конденсат коллектором для сбора пара и выводя пар отдельно от дымовых газов, при этом выводимый пар направляют снова в камеру сушки для оптимизации температуры сушки и исключения перегрева сушильного пространства до предпочтительной температуры в 400°C, при этом избыток пара убирают из сушильной камеры при достижении оптимальной температуры, высушенное сырье собирают в бункере сухого сырья, откуда часть его с помощью шнека поступает на сжигание с получением дымовых газов для обогрева шнекового пиролизера, остальную часть высушенного сырья подают посредством шнека в пиролизную камеру и транспортируют в течение промежутка времени от 2 до 7 мин через обогреваемое пиролизное шнековое пространство с обеспечением равномерности толщины прогреваемого слоя биомассы, в котором происходит разложение биомассы с помощью непрерывного конвекционного теплообмена между стенками шнековой камеры и сырьем, а выделяющийся при пиролизе высококалорийный газ собирают в коллекторе для сбора газа, откуда направляют потребителю, при этом твердый углеродный остаток используют в камере сгорания с утилизацией вредных жидких и твердых примесей в виде смол и дегтя, а полукокс собирают в камере приема газа и полукокса и посредством водоохлаждаемого шнека отгружают потребителю, причем дымовые газы после обогрева пиролизного шнека и шнека для сушки отводят через дымоход, а обратный прорыв газа предотвращают газовыми пробками.