Газогенераторная установка и способ генерации газа для производства водородсодержащего синтез-газа
Владельцы патента RU 2785096:
Общество с ограниченной ответственностью "Топливная Экологическая Компания" (RU)
Изобретение относится к газогенераторной установке и ее использованию. Описана газогенераторная установка для получения водородсодержащего синтез-газа с газогенераторным реактором, высота которого превышает его ширину, причем газогенераторный реактор содержит: a. газовпускной патрубок для приема перегретого водяного пара; b. верхний газовыпускной патрубок для выпуска смеси газа с водяным паром; c. нижний газовыпускной патрубок для выпуска синтез-газа, вдоль продольной оси газогенераторного реактора предусмотрен впускной шлюз на верхнем конце газогенераторного реактора для приема сырья в твердой форме, имеющий газонепроницаемое уплотнение газогенераторного реактора; выпускной шлюз для отвода остаточного материала в твердой форме, имеющий газонепроницаемое уплотнение газогенераторного реактора, на нижнем, противоположном верхнему, конце газогенераторного реактора, причем газовпускной патрубок находится ближе к нижнему концу, чем нижний газовыпускной патрубок, а верхний газовыпускной патрубок находится ближе к верхнему концу, чем нижний газовыпускной патрубок, и расстояние между верхним газовыпускным патрубком и нижним газовыпускным патрубком больше, чем расстояние между нижним газовыпускным патрубком и газовпускным патрубком, предусмотрен нагревательной элемент для приема и нагревания смеси газа с водяным паром из газогенераторного реактора и/или водяного пара из парогенератора, причем нагревательный элемент имеет сообщение по текучей среде с газовпускным патрубком для выдачи смеси газа с водяным паром и/или нагретого водяного пара, и/или по текучей среде сообщается с верхним газовыпускным патрубком через газоотсасывающий насос, причем нагревательный элемент выполнен с возможностью нагрева водяного пара посредством микроволн. Описан способ генерации газа для получения синтез-газа с использованием описанной выше газогенераторной установки. Технический результат- уменьшение расхода материала с меньшим потребелением энергии. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.
Предпосылки создания изобретения
Изобретение относится к газогенераторной установке для получения водородсодержащего синтез-газа из богатого углеводородами сырья, содержащей газогенераторный реактор, высота которого превышает его ширину, причем газогенераторный реактор содержит:
a. газовпускной патрубок для приема перегретого водяного пара;
b. верхний газовыпускной патрубок для выпуска смеси газа и водяного пара;
c. нижний газовыпускной патрубок для выпуска синтез-газа.
Изобретение относится также к способу получения синтез-газа с использованием устройства по изобретению. Такое устройство известно также как газификатор с обратной тягой.
Газогенераторные реакторы для производства водородсодержащего синтез-газа из богатого углеводородами сырья известны из уровня техники.
В US 7229483 B2 ракрыт газогенераторный реактор, в который подается углеродсодержащее сырье в форме мелких частиц. В газогенераторный реактор вводится смесь кислорода и водяного пара и сжигается там с беззольным топливом, таким как природный газ, создавая ультраперегретый пар, который содержит водяной пар, диоксид углерода и свободные радикалы при температурах от 1300°C до 2760°C. Ультраперегретый пар в газогенераторном реакторе соединяется с сырьем в условиях высокой турбулентности, при этом исходное сырье реагирует с ультраперегретым паром с образованием синтез-газа, который содержит молекулярный водород, диоксид углерода и моноксид углерода.
Из EP 2082013 B1 известен способ пиролиза в зоне пиролиза, причем в результате пиролиза исходного сырья с органическими веществами он разделяется на твердый углеродсодержащий остаток и пиролизный газ. Пиролизный газ дополнительно нагревают с водяным паром в реакционной зоне, при этом образуется богатый водородом продуктовый газ. Сыпучий материал, циркулирующий в замкнутом контуре как теплоноситель, нагревается горячими газами, образующимися при сгорании углеродсодержащего остатка, и приводится в контакт со смесью пиролизного газа и водяного пара. Сыпучий материал отдает часть своего запасенного тепла в зону пиролиза, чтобы частично или полностью обеспечить тепло, необходимое для пиролиза.
Эти известные способы реализуются со сравнительно высокими затратами энергии и материалов.
Задача изобретения
Задачей настоящего изобретения является разработка газогенераторной установки, с помощью которой способ генерации газа можно осуществить с меньшими расходами материала и с меньшим потреблением энергии. Следующей задачей изобретения является разработать способ, который реализуется с использованием газогенераторной установки согласно изобретению.
Подробное описание изобретения
Согласно изобретению, указанная задача решена посредством газогенераторной установки по пункту 1 формулы изобретения. Отличительные признаки способа получения синтез-газа с использованием газогенераторной установки указаны в пункте 13. Предпочтительные варианты осуществления указаны в соответствующих зависимых пунктах.
Газогенераторная установка согласно настоящему изобретению отличается тем, что вдоль продольной оси газогенераторного реактора предусмотрены:
d. впускной шлюз для приема сырья в твердой форме, имеющий газонепроницаемое уплотнение газогенераторного реактора на верхнем конце газогенераторного реактора;
e. выпускной шлюз для отвода остаточного материала в твердой форме, имеющий газонепроницаемое уплотнение газогенераторного реактора на нижнем, противоположном верхнему, конце газогенераторного реактора,
причем газовпускной патрубок находится ближе к нижнему концу, чем нижний газовыпускной патрубок, а верхний газовыпускной патрубок находится ближе к верхнему концу, чем нижний газовыпускной патрубок, и расстояние между верхним газовыпускным патрубком и нижним газовыпускным патрубком больше, чем расстояние между нижним газовыпускным патрубком и газовпускным патрубком.
Перегретый водяной пар вводится через газовпускной патрубок на нижнем конце газогенераторного реактора и поднимается к верхнему концу. Под перегретым водяным паром в контексте изобретения понимается, в частности, водяной пар с температурой выше температуры кипения в газогенераторном реакторе. Водяной пар, в частности, не содержит капель. При этом водяной пар и, в частности, газогенераторный реактор характеризуются падением температуры от более высокой температуры на нижнем конце газогенераторного реактора до более низкой температуры на верхнем конце газогенераторного реактора. Богатое углеводородами сырье подается в газогенераторный реактор через впускной шлюз на верхнем конце газогенераторного реактора. Затем сырье продвигается в направлении нижнего конца, в частности, под действием силы тяжести. При этом сырье проходит через зону сушки с температурой, при которой сырье сушится, зону карбонизации с температурой, при которой сырье превращается в углеродсодержащий продукт карбонизации, в частности, уголь, в частности, с отщеплением воды, и зону конверсии с температурой, при которой углеродсодержащий продукт карбонизации при реакции с водяным паром по меньшей мере частично превращается в синтез-газ. Остатки от образования синтез-газа выводятся в виде золы из газогенераторного реактора через выпускной шлюз на нижнем конце газогенераторного реактора, в частности, вместе с не содержащими углеводородов веществами. Зона конверсии находится предпочтительно между нижним газовыпускным патрубком и газовпускным патрубком. В частности, синтез-газ проводится вниз в вертикальном направлении или в направлении ориентации газогенераторного реактора. Помимо прочего, это облегчает ввод синтез-газа в газовый резервуар. Синтез-газ содержит, в частности, молекулярный водород, моноксид углерода, диоксид углерода, молекулы воды и/или метан.
Благодаря использованию нескольких зон с возрастающей температурой синтез-газ можно преимущественно получать при более низкой температуре водяного пара. Использование сыпучего материала в качестве теплоносителя, циркулирующего в замкнутом контуре, не обязательно. Отбор синтез-газа происходит через нижний газовыпускной патрубок, который находится в области зоны конверсии. В результате чистота отбираемого синтез-газа повышается по сравнению с уровнем техники, в частности, содержание пыли и смолы в отбираемом синтез-газе снижается, благодаря чему снижаются затраты на очистку синтез-газа. Синтез-газ отбирается из газогенераторного реактора в области самых высоких температур, что делает его особенно подходящим для повторного использования в целях нагрева. Нижний газовыпускной патрубок предпочтительно ограничивает зону конверсии сверху в осевом направлении, так что синтез-газ поднимается из зоны конверсии в направлении газовыпускного патрубка. Температура смеси водяного пара и других газов, содержащихся в газогенераторном реакторе, в частности, углеводородов, составляет в зоне сушки, в частности, до 150°C, в зоне карбонизации, в частности, до 450°C и в зоне конверсии, в частности, до 900°C, предпочтительно до 1300°C. Температура в зоне конверсии может составлять более 1300°C.
Впускной шлюз и выпускной шлюз содержат, в частности, шлюзовые ворота для герметизации шлюзов и шнековые конвейеры для транспортировки сырья или золы. Термин "выше" и "ниже" относятся к направлению по вертикали, в частности, к направлению силы тяжести. Длина газогенераторного реактора больше, чем его ширина, причем газогенераторный реактор установлен, в частности, в вертикальной ориентации. Он предпочтительно имеет форму цилиндра. Предпочтительно, газогенераторный реактор выполнен с цилиндрической камерой. Впускной шлюз и выпускной шлюз предпочтительно образованы на камере.
Сушка происходит, в частности, за счет выпаривания или упаривания сырья. В частности, в газогенераторном реакторе водяной пар, восходящие фракции синтез-газа и летучий углерод образуют газо-паровую смесь. Карбонизация или образование углеродсодержащего материала проводится, в частности, при нормальном давлении под воздействием нагретого водяного пара путем отщепления молекул воды от остающегося углеродсодержащего продукта карбонизации, в частности, угля, например, бурого угля. Образование синтез-газа происходит, в частности, путем реакции углерода или угля с молекулами воды в перегретом водяном паре, в результате чего образуются молекулярный водород, моноксид углерода и/или диоксид углерода как компоненты синтез-газа.
Газогенераторная установка служит, в частности, для газификации углеводородсодержащих продуктов и материалов, таких как уголь, нефтешлам, биомасса, коммунальные отходы, пластики, отработанные шины, отработанные масла и смеси упомянутых материалов, которые в результате термического превращения вносят вклад в получение богатого водородом синтез-газа. Таким образом, газогенераторная установка может применяться также для промышленного производства водорода. Большая часть углерода содержится в остаточном материале, который удаляется из газогенераторного реактора через выпускной шлюз. К остаточному материалу, называемому также остаточными продуктами, относятся также дымовые газы, которые в рамках способа согласно изобретению образуются при сжигании топлива, в частности, в нагревательных элементах. В них содержится только сравнительно небольшой объем диоксида углерода, поскольку сгорание служит только для нагрева внешней обшивки при запуске и для поддержания требуемой температуры газогенераторного реактора.
В частности, настоящее изобретение относится к способу генерации газа и к газогенераторной установке, в которой с использованием перегретого водяного пара можно перерабатывать отходы, содержащие углеводороды. Остатки, образующиеся после термической переработки в процессе генерации газа, или остаточные вещества, или остаточный материал можно повторно использовать, в частности, для строительства дорог. Перегретый водяной пар предпочтительно используется как катализатор для удаления вредных отработавших газов и в качестве средства для очистки от примесей в газогенераторной установке или установке газификации. Газогенераторная установка способна самоочищаться в значительной степени. Газогенераторный реактор может, в частности, загружаться и разгружаться в непрерывном режиме. Температура водяного пара на входе в газогенераторный реактор составляет, в частности, 900°C-1300°C, предпочтительно 1000°C. Тем самым достигается высокая теплотворная способность синтез-газа и высокая эффективность, в частности, синтез-газ имеет сравнительно высокую тепловую энергию. Газогенераторная установка может содержать один или несколько теплообменником, чтобы, наряду с прочим, передавать тепло от синтез-газа на водяной пар. Теплообменники предпочтительно выполнены из пористой керамики или листового металла.
Верхний газовыпускной патрубок, в частности, для выпуска смеси газа с водяным паром, которая содержит, в частности, водяной пар, и/или дымовые газы, и/или синтез-газ, и/или летучий углерод, из зоны сушки, предпочтительно выполнен в зоне загрузки выше зоны сушки.
Один предпочтительный вариант осуществления газогенераторной установки отличается тем, что в газогенераторном реакторе предусмотрен коллектор синтез-газа для приема синтез-газа, который по текучей среде сообщается с нижним газовыпускным патрубком для выпуска синтез-газа. Коллектор синтез-газа предпочтительно находится на уровне нижнего газовыпускного патрубка, в частности, в или на зоне конверсии, в которой создается синтез-газ, предпочтительно выше газовпускного патрубка. В этом случае коллектор синтез-газа может напрямую принимать синтез-газ после его образования, причем в чистой нагретой форме и передавать дальше на другие нагревательные элементы и потребителям синтез-газа.
Коллектор синтез-газа предпочтительно имеет форму трубы, и/или простирается по всему периметру внутренней стенки газогенераторного реактора, и/или имеет форму кольца. Коллектор синтез-газа содержит, в частности, отводную трубу для выпуска синтез-газа из газогенераторного реактора. Через кольцевой коллектор синтез-газа, расположенный по периметру внутренней стенки газогенераторного реактора, синтез-газ однородно отбирается из коллектора синтез-газа. В частности коллектор синтез-газа имеет трубу с образованными в ней сквозными отверстиями. Коллектор синтез-газа дополнительно может иметь обращенные внутрь трубные вставки, в частности, на отводной трубе для приема синтез-газа, образующегося в области продольной оси.
Один предпочтительный вариант осуществления отличается тем, что в газогенераторном реакторе предусмотрен парогазовый коллектор для выпуска смеси газа с водяным паром, в частности водяного пара, в газогенераторный реактор, причем коллектор по текучей среде сообщается с газовпускным патрубком. Парогазовый коллектор предпочтительно расположен на уровне газовпускного патрубка ниже нижнего газовыпускного патрубка в зоне конверсии, так что синтез-газ создается ниже нижнего газовыпускного патрубка и затем поднимается в направлении нижнего газовыпускного патрубка.
Парогазовый коллектор предпочтительно имеет трубчатую конструкцию и/или расположен полностью по периметру на внутренней стенке газогенераторного реактора, и/или выполнен в форме кольца. Парогазовый коллектор находится, в частности, на нижнем конце газогенераторного реактора, называемого также парогазовым реактором. Парогазовый коллектор предпочтительно содержит трубу с выполненными в ней сквозными отверстиями. Парогазовый коллектор имеет, в частности, нагнетательную трубу, по которой течет перегретый водяной пар. Форма парогазового коллектора обеспечивает равномерно распределенную по периметру парогазового коллектора подачу водяного пара для генерации синтез-газа.
Один предпочтительный усовершенствованный вариант отличается тем, что парогазовый коллектор содержит форсунки, в частности, с множеством отверстий. Форсунки расположены, в частности, вдоль парогазового коллектора, предпочтительно радиально симметрично. Форсунки выполнены, например, в виде воронок с сужением в направлении продольной оси газогенераторного реактора. Через форсунки газ, в частности, содержащий водяной пар, выпускается с ускорением в газогенераторный реактор, так что он течет с импульсом, увеличивающимся в направлении продольной оси газогенераторного реактора. Это приводит к более однородному распределению водяного пара. Отверстия могут быть образованы вдоль форсунок и/или на концах форсунок, чтобы еще больше улучшить однородность распределения.
Предпочтительные варианты осуществления газогенераторной установки характеризуются первым нагревательным элементом, причем первый нагревательный элемент находится, в частности, на нижнем конце газогенераторного реактора. Первый нагревательный элемент выполнен, в частности, как газовая горелка. В частности, первый нагревательный элемент служит для нагрева внешней обшивки газогенераторного реактора. Посредством первого нагревательного элемента газогенераторный реактор нагревается, в частности, на своем нижним конце, чтобы обеспечить температуру, необходимую для процесса генерации газа внутри газогенераторного реактора.
Газогенераторная установка предпочтительно содержит газораспределитель для приема синтез-газа из газогенераторного реактора, при этом газораспределитель выполнен с возможностью выдачи по меньшей мере части синтез-газа к первому нагревательному элементу, а первый нагревательный элемент предназначен для сжигания синтез-газа из газораспределителя. Газораспределитель имеет, в частности, одно впускное отверстие для приема синтез-газа и одно или несколько выпускных отверстий для газа, через которые синтез-газ может выходить. Газогенераторный реактор по текучей среде сообщается с газораспределителем, а газораспределитель по текучей среде сообщается с первым нагревательным элементом. Синтез-газ снова сжигается для снижения расхода материала и энергии, чтобы обеспечить между нижним газовыпускным патрубком и нижним концом газогенераторного реактора температуру, которая необходима для образования синтез-газа. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления газогенераторный реактор работает на по меньшей мере части синтез-газа в качестве топлива. В частности, газораспределитель имеет один или несколько теплообменником, чтобы отбирать тепло из синтез-газа перед его повторным использованием.
Один усовершенствованный вариант отличается тем, что газораспределитель предназначен для выдачи воды в синтез-газ, отбираемый из газогенераторного реактора. Газораспределитель имеет средство для передачи воды в синтез-газ, отбираемый из газогенераторного реактора. Газораспределитель предпочтительно содержит резервуар для хранения воды.
В одном предпочтительном варианте осуществления газогенераторная установка отличается вторым нагревательным элементом для приема и нагрева смеси газа с водяным паром, в частности, водяного пара, из газогенераторного реактора, причем второй нагревательный элемент по текучей среде сообщается с газовпускным патрубком для отбора смеси газа с водяным паром, в частности, нагретого водяного пара, и/или находится в сообщении по текучей среде с верхним газовыпускным патрубком через газоотсасывающий нанос. Вторым нагревательным элементом смесь газа с водяным паром, в частности, водяной пар, предварительно нагревается перед подачей в газогенераторный реактор. Смесь газа с водяным паром через соединение по текучей среде проводится через верхний газовыпускной патрубок из газогенераторного реактора ко второму нагревательному элементу. В частности, второй нагревательный элемент предназначен для нагрева водяного пара до желательной температуры, в частности, до 1300°C, и/или для регулирования количества водяного пара, выходящего из второго нагревательного элемента. Предпочтительно, второй нагревательный элемент используется для нагрева водяного пара к началу процесса генерации газа. В процессе генерации газа для получения богатого углеродом продукта карбонизации, как, например, уголь, из сырья в зоне карбонизации предпочтительно используется энергия синтез-газа и экзотермических реакций, чтобы обеспечить достаточно высокую температуру в зоне конверсии. Этим достигается высокая степень автономности газогенераторной установки. Второй нагревательный элемент может также применяться для нагревания других выходящих из газогенераторного реактора веществ, таких как углеводороды.
Один усовершенствованный вариант газогенераторной установки отличается тем, что второй нагревательный элемент предусмотрен для генерации микроволн. В частности, второй нагревательный элемент способен генерировать электромагнитные волны с частотами в диапазоне от 1 ГГц до 300 ГГц. Микроволны позволяют особенно эффективно нагревать водяной пар, в частности, перегревать.
В одном предпочтительном усовершенствованном варианте газогенераторная установка отличается тем, что газораспределитель предназначен для передачи синтез-газа из газогенераторного реактора на генератор для генерации электроэнергии, при этом второй нагревательный элемент предназначен для нагревания смеси газа с водяным паром, в частности, водяного пара, с использованием электроэнергии. Генератор предпочтительно приводится в действие двигателем, который, в свою очередь, работает на синтез-газе из газораспределителя. Двигатель выполнен, в частности, как двигатель внутреннего сгорания для сжигания синтез-газа и приведения в действие генератора. Это приводит к уменьшению расхода материалов и энергопотребления. Электроснабжение второго нагревательного элемента может обеспечиваться, полностью или частично, электрогенератором, который приводится в действие двигателем с использованием синтез-газа. Эффективность способа генерации газа с использованием газогенераторной установки можно повысить за счет подачи на второй нагревательный элемент тепла из теплообменника, на который подается нагретый водяной пар из синтез-газа.
Способ генерации газа для получения синтез-газа с использованием газогенераторной установки в соответствии с одним из указанных выше вариантов осуществления включает следующие этапы:
a. содержащее углеводороды сырье вводится в газогенераторный реактор через впускной шлюз на верхнем конце газогенераторного реактора;
b. газогенераторный реактор нагревается первым нагревательным элементом на нижнем конце газогенераторного реактора, в частности, на его внешней обшивке;
c. в газогенераторный реактор через газовпускной патрубок на нижнем конце газогенераторного реактора вводится перегретый водяной пар;
d. водяной пар течет в направлении верхнего конца газогенераторного реактора, при этом происходит падение температуры от более высокой температуры на нижнем конце до более низкой температуры на верхнем конце газогенераторного реактора;
e. сырье перемещается в направлении к нижнему концу газогенераторного реактора;
f. сырье проходит через зону сушки с температурой, при которой сырье сушится;
g. сырье проходит через зону карбонизации с температурой, при которой сырье, по меньшей мере частично, превращается в углеродсодержащий продукт карбонизации, в частности, с отщеплением воды;
h. углеродсодержащий продукт карбонизации проходит через зону конверсии с температурой, при которой углеродсодержащий продукт карбонизации, по меньшей мере частично, реагирует с водяным паром с превращением в синтез-газ;
i. синтез-газ выводится из газогенераторного реактора через нижний газовыпускной патрубок в зоне конверсии;
j. остаточный материал от производства синтез-газа выводится из газогенераторного реактора, в частности в виде золы, через выпускной шлюз на нижнем конце газогенераторного реактора.
Такой процесс позволяет получать синтез-газ со сравнительно небольшими затратами энергии и материалов. Кроме того, синтез-газ получают в особо чистом виде.
Один предпочтительный вариант осуществления способа генерации газа отличается тем, что по меньшей мере часть синтез-газа, образованного в газогенераторном реакторе, вводится через газораспределитель в первый нагревательный элемент для сжигания. Повторное использование синтез-газа для обеспечения температуры, необходимой для получения синтез-газа, способствует снижению расхода материалов и энергопотребления в процессе производства газа.
Один предпочтительный вариант осуществления способа генерации газа отличается тем, что смесь газа с водяным паром, в частности, содержащая водяной пар, проводится из газогенераторного реактора на второй нагревательный элемент, нагревается этим вторым нагревательным элементом, в частности, перегревается, и затем через газовпускной патрубок снова вводится в газогенераторный реактор. Водяной пар перед вводом в газогенераторный реактор предварительно нагревают. При этом водяной пар из газогенераторного реактора используется повторно. В частности, водяной пар нагревается вторым нагревательным элементом с использованием синтез-газа из газогенераторного реактора. В результате расход материала и энергопотребление дополнительно снижаются.
В газогенераторной установке обрабатывается, в частности, углеродсодержащее, предпочтительно углеводородное сырье. Существенным признаком процесса генерации газа или процесса газификации является эндотермический характер самых важных химических реакций, особенно для генерации синтез-газа, которые протекают в рассматриваемом процессе. Для получения приемлемых экономических характеристик необходимо снизить потери тепла. В частности, часть химической энергии полученного синтез-газа используется для снабжения теплом процесса генерации газа. Потребляемая энергия зависит, в частности, от влагосодержания, в частности, содержания воды, в отходах или сырье. При влажности отходов до примерно 40% реализация способа генерации газа может считаться оправданной с точки зрения энергопотребления.
Для стабилизации параметров выходящего синтез-газа в условиях обработки компонентов газа в газогенераторном реакторе, которые являются гетерогенными по составу и размерам, особенно важно обеспечить однородность температурного профиля внутри газогенераторного реактора и эффективное энергоснабжение.
Способ генерации газа подходит для экологически чистой переработки различного типа отходов, а также обеспечивает возможность получения синтез-газа с высоким содержанием водорода. Водяной пар действует как инертная среда, так что никаких нежелательных новых химических соединений не образуется.
Газогенераторный реактор или реактор газификации способен, в частности, работать с перегретый паром с температурой 1300°C или выше и при непрерывной загрузке и выгрузке сырья и зольных остатков. Процесс реализуется путем подачи и отвода газов или газообразных частиц, которые распределены по всему реактору.
На энергопотребление газогенераторного реактора влияет правильный выбор геометрической формы и размеров конструкции, а также регулирование источника тепла. В рамках процесса генерации газа для теплопередачи существенное значение имеют следующие процессы: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.
Для возврата тепловой энергии, т.е. рекуперации тепла, используются теплообменники, в частности, с большой активной поверхностью, а также генератор для выработки электроэнергии для второго источника нагрева с синтез-газом.
Другие преимущества изобретения следуют из описания и чертежей. Кроме того, указанные выше и подробно описываемые ниже отличительные признаки могут применяться как по отдельности, так и вместе в любой комбинации. Показанные и описанные варианты осуществления не следует понимать как исчерпывающий список, напротив, они имеют иллюстративный характер для раскрытия изобретения.
Подробное описание изобретения и чертежей
Фиг. 1 показывает схему газогенераторной установки;
фиг. 2 схематически показывает газогенераторный реактор газогенераторной установки в виде в вертикальном сечении;
фиг. 3 схематически показывает газогенераторный реактор в виде в горизонтальном сечении;
фиг. 4 показывает схему способа получения синтез-газа с использованием газогенераторной установки.
Представленная на фиг. 1 газогенераторная установка 10 для получения водородсодержащего синтез-газа 12 содержит газогенераторный реактор 14. Через газовпускной патрубок 16 газогенераторного реактора 14 перегретый водяной пар 18, в частности, газы, образующиеся в процессе генерации газа, поступают в газогенераторный реактор 14. Через верхний газовыпускной патрубок 20a газогенераторного реактора 14 смесь 22 газа с водяным паром отводится из газогенераторного реактора 14, в частности, на второй нагревательный элемент 38b в форме СВЧ-генератора (смотри ниже). Для отсасывания и дальнейшего применения смеси 22 газа с водяным паром из газогенераторного реактора 14 на верхнем газовыпускном патрубке 20a предусмотрен газоотсасывающий нанос 24, в частности, эксгаустер с отсасывающим насосом. Через нижний газовыпускной патрубок 20b газогенераторного реактора 14 синтез-газ 12 вытекает из газогенераторного реактора 14. Вдоль продольной оси LA газогенераторного реактора 14 на верхнем конце 26a газогенераторного реактора 14 предусмотрен впускной шлюз 28a, через который содержащее углеводороды сырье 30 может вводиться в твердой форме в газогенераторный реактор 14. На нижнем конце 26b газогенераторного реактора 14 образован выпускной шлюз 28b, через который из газогенераторного реактора 14 может отводиться остаточный материал 32, в частности остатки от производства синтез-газа, предпочтительно в твердой форме. Впускной шлюз 28a и/или выпускной шлюз 28b содержит винтовой конвейер 34a, 34b (смотри фиг. 2) для транспортировки сырья или остаточного материала 32 и шлюзовые ворота или затворы 36a, 36b для герметизации шлюзов 28a, 28b.
Первый нагревательный элемент 38a на нижнем конце 26b газогенераторного реактора 14 служит для нагрева газогенераторного реактора 14 на его нижнем конце 26b. Дымовые газы (не показано) из первого нагревательного элемента 38a текут вдоль внешней обшивки газогенераторного реактора 14, в частности, через соединение 40a по текучей среде, и через теплообменник 42a для установки температуры дымовых газов перед выпуском дымовых газов в окружающую среду. Смесь 22 газа с водяным паром течет в направлении верхнего конца 26a газогенераторного реактора 14, при этом происходит падение температуры от более высокой температуры T1 на нижнем конце 26b до более низкой температуры T2 на верхнем конце 26a газогенераторного реактора 14. Сырье 30 продвигается в направлении нижнего конца 26b газогенераторного реактора 14, в частности, под действием силы тяжести.
При этом сырье 30 проходит через зону 44a сушки с температурой T3, при которой сырье 30 сушится. Затем сырье 30 проходит через зону 44b карбонизации с температурой T4, при которой сырье 30 по меньшей мере частично превращается в углеродсодержащий продукт 46 карбонизации, в частности, уголь, с отщеплением воды. После этого углеродсодержащий продукт 46 карбонизации проходит через зону 44c конверсии с температурой T5, при которой углеродсодержащий продукт 46 карбонизации по меньшей мере частично реагирует с водяным паром 18 с образованием синтез-газа 12. Синтез-газ 12 отводится из газогенераторного реактора 14 через нижний газовыпускной патрубок 20b в зоне 44c конверсии. Остаточный материал 32, в частности, остатки от производства синтез-газа 12, выводится в виде золы 48 из газогенераторного реактора 14 через выпускной шлюз 28b на нижнем конце 26b газогенераторного реактора 14.
Газораспределитель 50 через соединение 40b по текучей среде принимает синтез-газ 12 из газогенераторного реактора 14. Газораспределитель 50 через соединение 40c по текучей среде направляет первую часть 12a синтез-газа 12 на первый нагревательный элемент 38a. Первый нагревательный элемент 38a предназначен для сжигания синтез-газа 12. Газораспределитель 50 направляет вторую часть 12b синтез-газа 12 через соединение 40d по текучей среде в окружающую среду газогенераторной установки 10, например, в цистерну (не показана). Газораспределитель 50 содержит цистерну 52 для воды, из которой вода 54 подается к синтез-газу 12.
Второй нагревательный элемент 38b для приема и нагревания смеси 22 газа с водяным паром, в частности, водяного пара 18, из газогенераторного реактора 14 имеет соединение 40e по текучей среде с газовпускным патрубком 16 для выдачи нагретой смеси 22 газа с водяным паром, в частности, нагретого водяного пара 18. Второй нагревательный элемент 38b выполнен с возможностью генерирования микроволн, которые обеспечивают нагревание, в частности, перегревание, смеси 22 газа с водяным паром, в частности, водяного пара 18. Газораспределитель 50 способен через соединение 40f по текучей среде отдавать синтез-газ 12 из газогенераторного реактора 14 на двигатель внутреннего сгорания 56, который с образованием отработавших газов 58 приводит в действие генератор 60, вырабатывающий электроэнергию, при этом второй нагревательный элемент 38b предназначен для нагревания второй смеси 22 газа с водяным паром, в частности, водяного пара 18, с применением электроэнергии. Для установки желаемой температуры синтез-газа газораспределитель 50 содержит теплообменник 42b. Посредством теплообменника 42c, который находится на соединении 40b по текучей среде между нижним газовыпускным патрубком 20b и газораспределителем 50, тепло для генерации водяного пара 18 передается по трубопроводу 64 на второй нагревательный элемент 38b. Электрогенератор 66 служит для запуска второго нагревательного элемента 38b перед началом процесса генерации газа. Парогенератор 68 к началу процесса генерации газа создает водяной пар 18, который через соединение 40g по текучей среде вводится во второй нагревательный элемент 38b.
На фиг.2 показан вид в сечении газогенераторного реактора 14 с коллектором 70 синтез-газа для приема синтез-газа 12 и последующего отвода синтез-газа 12 из газогенераторного реактора 14. Коллектор 70 синтез-газа по текучей среде сообщается с нижним газовыпускным патрубком 20b. Парогазовый коллектор 72 служит для подачи водяного пара 18 в газогенераторный реактор 14. Направленные внутрь газогенераторного реактора 14 форсунки 74a, 74b парогазового коллектора 72 имеют множество отверстий 76a, 76b для однородного распределения водяного пара 18. Показана также смесь 22 газа с водяным паром, в частности, содержащая водяной пар 18, которая поднимается из зоны 44a сушки, зоны 44b карбонизации и зоны 44c конверсии к верхнему газовыпускному патрубку 20a и через газоотсасывающий нанос 24 проводится во второй нагревательный элемент 38b, в частности, СВЧ-генератор. Смесь 22 газа с водяным паром, в частности, перегретый водяной пар 18, снова вводится через газовпускной патрубок 16 в газогенераторный реактор 14. Кроме того, показан первый нагревательный элемент 38a для нагрева газогенераторного реактора 14 и второй нагревательный элемент 38b для нагрева смеси 22 газа с водяным паром, в частности, водяного пара 18, который вводится в газогенераторный реактор 14 через газовпускной патрубок 16.
Высота HR газогенераторного реактора 14 больше, чем его ширина BR. Вертикальное расстояние A1 между газовпускным патрубком 16 и нижним концом 26b газогенераторного реактора 14 меньше, чем расстояние A2 между нижним концом 26b и нижним газовыпускным патрубком 20b. Расстояние A3 между верхним газовыпускным патрубком 20a и верхним концом 26a газогенераторного реактора 14 меньше, чем расстояние A4 между нижним газовыпускным патрубком 20b и верхним концом 26a. Расстояние A5 между верхним газовыпускным патрубком 20a и нижним газовыпускным патрубком 20b больше, чем расстояние A6 между нижним газовыпускным патрубком 20b и газовпускным патрубком 16.
На фиг. 3 показан газогенераторный реактор 14 на виде в сечении через плоскость сечения, обозначенную на фиг. 2 AA. Коллектор 70 синтез-газа содержит трубу 78, в частности, отводную трубу, для приема синтез-газа 12. Отводная труба 78 проходит в форме кольца 80a по всему периметру внутренней стенки 82 газогенераторного реактора 14. Отводная труба 78 ведет к нижнему газовыпускному патрубку 20b. На отводной трубе 78 образованы обращенные внутрь трубные вставки 84a, 84b для приема синтез-газа 12. Показан также первый нагревательный элемент 38a на газогенераторном реакторе 14.
Парогазовый коллектор 72 содержит нагнетательную трубу 86, по которой течет водяной пар 18. Нагнетательная труба 86 с находящимися на нагнетательной трубе 86 форсунками 74a, 74b проходит в форме кольца 80b на нижнем конце 26b (смотри фиг. 1) газогенераторного реактора 14. Газовпускной патрубок 16 открывается в нагнетательную трубу 86.
На фиг. 4 показана схема способа 100 получения синтез-газа 12 с использованием газогенераторной установки 10. На первом этапе 102, в частности, после пуска газогенераторной установки 10, содержащее углеводород сырье 30 вводится в газогенераторный реактор 14 через впускной шлюз 28a на верхнем конце 26a газогенераторного реактора 14. Сырье 30 продвигается в направлении нижнего конца 26b газогенераторного реактора 14, в частности, под действием силы тяжести. На втором этапе 104 газогенераторный реактор 14 на его нижнем конце 26b нагревается первым нагревательным элементом 38a, находящимся на нижнем конце 26b газогенераторного реактора 14. На третьем этапе 106 в газогенераторный реактор 14 через газовпускной патрубок 16 на нижнем конце 26b газогенераторного реактора 14 вводится перегретый водяной пар 18. Водяной пар 18 течет в направлении верхнего конца 26a газогенераторного реактора 14, при этом происходит падение температуры от более высокой температуры T1 на нижнем конце 26b до более низкой температуры T2 на верхнем конце 26a газогенераторного реактора 14. На четвертом этапе 108 сырье 30 проходит через зону 44a сушки с температурой T3, при которой сырье 30 сушится. На пятом этапе 110 сырье 30 проходит через зону 44b карбонизации с температурой T4, при которой сырье 30, по меньшей мере частично, превращается в углеродсодержащий продукт 46 карбонизации с отщеплением воды 54. На шестом этапе 112 углеродсодержащий продукт 46 карбонизации проходит через зону 44c конверсии с температурой T5, при которой углеродсодержащий продукт 46 карбонизации по меньшей мере частично реагирует с водяным паром 18 с превращением в синтез-газ 12. На седьмом этапе 114 синтез-газ 12 выводится из газогенераторного реактора 14 через нижний газовыпускной патрубок 20b в зоне конверсии 44c. На восьмом этапе 116 материал 32, оставшийся от производства синтез-газа 12, выводится из газогенераторного реактора 14, в частности, в виде золы 48, через выпускной шлюз 28b на нижнем конце 26b газогенераторного реактора 14.
Оценивая все фигуры чертежа, можно сделать вывод, что изобретение относится к газогенераторной установке 10 для получения водородсодержащего синтез-газа 12. Газогенераторная установка 10 содержит газогенераторный реактор 14. Газогенераторный реактор 14 ориентирован в вертикальном направлении, и его длина HR в вертикальном направлении превышает его ширину BR. Газовпускной патрубок 16 газогенераторного реактора 14 предназначен для проведения смеси 22 газа с водяным паром, в частности, перегретого водяного пара 18, через газовпускной патрубок 16 в газогенераторный реактор 14. Через верхний газовыпускной патрубок 20a газогенераторного реактора 14 смесь 22 газа с водяным паром может отводиться из газогенераторного реактора 14. Смесь 22 газа и водяного пара можно после перегревания снова использовать во втором нагревательном элементе 38b. Синтез-газ 12 может выходить из газогенераторного реактора 14 через нижний газовыпускной патрубок 20b. Газовпускной патрубок 16 находится на меньшем расстоянии A1 по вертикали от нижнего конца 26b, чем нижний газовыпускной патрубок 20b. Верхний газовыпускной патрубок 20a находится на меньшем вертикальном расстоянии A3 от верхнего конца 26a газогенераторного реактора 14, чем нижний газовыпускной патрубок 20b. Вертикальное расстояние A5 между верхним газовыпускным патрубком 20a и нижним газовыпускным патрубком 20b больше, чем вертикальное расстояние A6 между нижним газовыпускным патрубком 20b и газовпускным патрубком 16.
1. Газогенераторная установка (10) для получения водородсодержащего синтез-газа (12) с газогенераторным реактором (14), высота (HR) которого превышает его ширину (BR), причем газогенераторный реактор (14) содержит:
a. газовпускной патрубок (16) для приема перегретого водяного пара (18);
b. верхний газовыпускной патрубок (20a) для выпуска смеси (22) газа с водяным паром;
c. нижний газовыпускной патрубок (20b) для выпуска синтез-газа (12),
отличающаяся тем, что вдоль продольной оси (LA) газогенераторного реактора (14) предусмотрен:
d. впускной шлюз (28a) на верхнем конце (26a) газогенераторного реактора (14) для приема сырья (30) в твердой форме, имеющий газонепроницаемое уплотнение газогенераторного реактора (14);
e. выпускной шлюз (28b) для отвода остаточного материала (32) в твердой форме, имеющий газонепроницаемое уплотнение газогенераторного реактора (14), на нижнем (26b), противоположном верхнему (26a), конце газогенераторного реактора (14),
причем газовпускной патрубок (16) находится ближе к нижнему концу (26b), чем нижний газовыпускной патрубок (20b), а верхний газовыпускной патрубок (20a) находится ближе к верхнему концу (26a), чем нижний газовыпускной патрубок (20b), и расстояние A5 между верхним газовыпускным патрубком (20a) и нижним газовыпускным патрубком (20b) больше, чем расстояние A6 между нижним газовыпускным патрубком (20b) и газовпускным патрубком (16), отличающаяся тем, что предусмотрен нагревательной элемент (38b) для приема и нагревания смеси (22) газа с водяным паром из газогенераторного реактора (14) и/или водяного пара (18) из парогенератора (68), причем нагревательный элемент (38b) имеет сообщение (40e) по текучей среде с газовпускным патрубком (16) для выдачи смеси (22) газа с водяным паром и/или нагретого водяного пара (18), и/или по текучей среде сообщается с верхним газовыпускным патрубком (20a) через газоотсасывающий нанос (24), причем нагревательный элемент (38b) выполнен с возможностью нагрева водяного пара посредством микроволн.
2. Газогенераторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что в газогенераторном реакторе (14) расположен коллектор (70) синтез-газа для приема синтез-газа (12), сообщающийся по текучей среде с нижним газовыпускным патрубком (20b).
3. Газогенераторная установка по п. 2, отличающаяся тем, что коллектор (70) синтез-газа имеет форму трубы, и/или простирается по всему периметру внутренней стенки (82) газогенераторного реактора (14), и/или выполнен в форме кольца.
4. Газогенераторная установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что в газогенераторном реакторе (14) предусмотрен парогазовый коллектор (72) для выпуска смеси (22) газа с водяным паром, в частности водяного пара (18), в газогенераторный реактор (14), причем коллектор по текучей среде сообщается с газовпускным патрубком (16).
5. Газогенераторная установка по п. 4, отличающаяся тем, что парогазовый коллектор (72) имеет форму трубы, и/или простирается по всему периметру внутренней стенки (82) газогенераторного реактора (14), и/или имеет форму кольца.
6. Газогенераторная установка по п. 5, отличающаяся тем, что парогазовый коллектор (72) имеет форсунки (74a, 74b), в частности, с множеством отверстий (76a, 76b).
7. Газогенераторная установка по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что предусмотрен нагревательный элемент (38a), причем нагревательный элемент (38a) находится, в частности, на нижнем конце (26b) газогенераторного реактора (14).
8. Газогенераторная установка по п. 7, отличающаяся газораспределителем (50) для приема синтез-газа (12) из газогенераторного реактора (14), причем газораспределитель (50) выполнен с возможностью выдачи по меньшей мере части синтез-газа (12) на первый нагревательный элемент (38a), а первый нагревательный элемент (38a) предназначен для сжигания синтез-газа (12) из газораспределителя (50).
9. Газогенераторная установка по п. 8, отличающаяся тем, что газораспределитель (50) выполнен с возможностью выдачи воды (54) в синтез-газ (12), отбираемый из газогенераторного реактора (14).
10. Газогенераторная установка по любому из пп. 8 или 9, причем газораспределитель (50) предназначен для подачи синтез-газа (12) из газогенераторного реактора (14) на генератор (60) для генерации электроэнергии, при этом второй нагревательный элемент (38b) предназначен для нагревания смеси (22) газа с водяным паром, в частности водяного пара (18), с использованием электроэнергии.
11. Способ (100) генерации газа для получения синтез-газа (12) с использованием газогенераторной установки (10) по любому из предыдущих пунктов, включающий следующие этапы:
a. содержащее углеводород сырье (30) вводится в газогенераторный реактор (14) через впускной шлюз (28a) на верхнем конце (26a) газогенераторного реактора (14);
b. газогенераторный реактор (14) нагревается первым нагревательным элементом (38a) на его нижнем конце (26b), в частности на его внешней обшивке;
c. в газогенераторный реактор (14) через газовпускной патрубок (16) на нижнем конце (26b) газогенераторного реактора (14) вводится перегретый водяной пар (18);
d. водяной пар (18) течет в направлении верхнего конца (26a) газогенераторного реактора (14), при этом происходит падение температуры от более высокой температуры T1 на нижнем конце (26b) до более низкой температуры T2 на верхнем конце (26a) газогенераторного реактора (14);
e. сырье (30) перемещается в направлении нижнего конца (26b) газогенераторного реактора (14);
f. сырье (30) проходит через зону (44a) сушки с температурой Т3, при которой сырье (30) сушится;
g. сырье (30) проходит через зону (44b) карбонизации с температурой T4, при которой сырье (30), по меньшей мере частично, превращается в углеродсодержащий продукт (46) карбонизации, в частности, с отщеплением воды (54);
h. углеродсодержащий продукт (46) карбонизации проходит через зону (44c) конверсии с температурой T5, при которой углеродсодержащий продукт (46) карбонизации, по меньшей мере частично, реагирует с водяным паром (18) с превращением в синтез-газ (12);
i. синтез-газ (12) выводится из газогенераторного реактора (14) через нижний газовыпускной патрубок (20b) в зоне конверсии (44c);
j. остаточный материал (32) от производства синтез-газа (12) выводится из газогенераторного реактора (14), в частности в виде золы (48), через выпускной шлюз (28b) на нижнем конце (26b) газогенераторного реактора (14), отличающийся тем, что смесь (22) газа с водяным паром отводят из газогенераторного реактора (14) к нагревательному элементу (38b), нагревают посредством микроволн в нагревательном элементе (38b) и затем через газовпускной патрубок (16) снова вводят в газогенераторный реактор (14), и/или пар от парогенератора (68) подают к нагревательному элементу (38b) нагревают посредством микроволн в нагревательном элементе (38b) и затем через газовпускной патрубок (16) вводят в газогенераторный реактор (14).
12. Способ по п. 11, отличающийся тем, что по меньшей мере часть (12a) полученного в газогенераторном реакторе (14) синтез-газа (12) вводят для сжигания в нагревательный элемент (38a) через газораспределитель (50).
