CZ284609B6 - Process for producing heating gas and apparatus for making the same - Google Patents

Abstract

Method of producing heating gas in a fluid bed by gasification of wood and other biomass. The gasification process is allowed to occur first during an ascendant gas flow, where there is excess heat and the gas, which is transferred to a separate cleavage process with descendant flow, into which the excess heat is channelled. The apparatus for performing this process consists of a fluid reactor (1) with internal gasification section (2), where the fluid bed is formed (3), whilst the gasified material is channelled into the lower space of the internal gasification section (2) by a channelling device (5), with the inlet branch (6) of the main section of the gasifier underneath. The other inlet branches (7, 8) of the gasifier are located at various levels of the height of the inner gasification section (2) and one supply branch (9) of the gasifier is located close to the end of the inner gasification section (2), which is encompassed by a cover (1.1) and top wall (1.2) of the fluid reactor (1). The inner gasification section is surrounded by a thermal conductive wall (12), thus creating an annular space serving as an outer cleavage section (4) to which heat is transferred through the thermal conductive wall (12). The heating gas produced is taken away by an exit branch (10) and the un-gasified residue through the exhaust branch (11).<IMAGE>

Description

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká způsobu výroby topného plynu ve fluidní vrstvě zplyňováním surovin, obsahujících uhlík, zejména dřeva a biomasy, a dále se vynález týká zařízení k provedení tohoto způsobu.The present invention relates to a process for producing fuel gas in a fluidized bed by gasifying carbonaceous feedstocks, in particular wood and biomass, and to a device for carrying out the process.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Zplyňování uhlíkatých materiálů ve fluidní vrstvě má řadu výhod. Jsou to především nižší nároky na úpravu vstupní suroviny a vyšší měrná produkce plynu, vztažená na průřez reaktoru. Obecně se tento postup uskutečňuje v reaktorech se stacionární nebo cirkulující fluidní vrstvou při teplotách přibližně 700 až 1000 °C. Zplyňování ve fluidní vrstvě se uskutečňuje v zařízení, jehož hlavní částí je svislý, válcový reaktor. Drobně zrněná surovina je přiváděna obvykle do dolní části reaktoru, kde se vytváří a udržuje fluidní vrstva vlivem proudění zplyňovadla a vznikajícího plynu ve směru zdola nahoru. Rychlost proudění, nutná pro vytvoření stabilní fluidní vrstvy, je podmiňována vlastnostmi suroviny, jako je granulometrie a zdánlivá měrná hmotnost. Zplyňovadlo, obsahující kyslík, jako například vzduch nebo kyslík svodní párou, je přiváděno do reaktoru a vzniklý plyn, unášející prach, jemný popel a část málo zreagované suroviny, je odváděn ve vrchní části reaktoru a hrubý popel je odváděn spodem reaktoru. Fluidní vrstva zabírá obvykle 1/4 až 1/3 výšky reaktoru. Zbylý prostor nad ní slouží k dokončení štěpení (rozkladných reakcí) vyšších uhlovodíků a dochází zde také k ustavování rovnováhy v plynu. Výška fluidní vrstvy i výška štěpícího prostoru nad ní, potřebná pro zajištění potřebné doby zdržení plynu v reaktoru, souvisí s reakčními podmínkami v reaktoru a vlastnostmi zplyňované suroviny. Ve spodní části reaktoru je přebytek tepla, který vede ke zvyšování teploty v loži až nad teploty měknutí a tavení popela, ke vzniku škváry a k zaškvárování reaktoru. Naopak v důsledku tepelných ztrát a endotermických reakcí dochází v homí části reaktoru k poklesu teploty, což vede k poklesu rozkladu vyšších uhlovodíků a k zadehtování následných filtrů a výměníků tepla. Aby se teplota udržela na potřebné úrovni, přidává se k plynu další okysličovadlo (vzduch, kyslík), čímž se část plynu spálí a jeho teplota znovu vzroste. V důsledku toho se zhoršuje kvalita plynu. Je známa konstrukce reaktoru, kdy jeho válcová část přechází v dolní části do kuželového zúžení. Toto řešení je používáno v případě, kdy spodem reaktoru se přivádí pouze část z celkového množství zplyňovadla. Je rovněž znám reaktor, který se v homí části rozšiřuje, čímž se snižuje rychlost proudění, zvyšuje se doba zdržení a částečně se tak snižuje výška reaktoru.Gasification of carbonaceous materials in the fluidized bed has a number of advantages. These are primarily lower demands on feedstock treatment and higher specific gas production relative to the reactor cross-section. Generally, this process is carried out in a stationary or circulating fluidized bed reactor at temperatures of about 700 to 1000 ° C. Fluidized bed gasification is carried out in a plant whose main part is a vertical, cylindrical reactor. The particulate feedstock is typically fed to the bottom of the reactor where the fluidized bed is formed and maintained by the upstream flow of the gasifier and the resulting gas. The flow rate required to form a stable fluidized bed is determined by the properties of the feedstock, such as granulometry and apparent specific gravity. An oxygen-containing gasifier such as air or oxygen with steam is fed to the reactor and the resulting dust-carrying gas, fine ash, and a portion of the low-reacted feedstock is discharged at the top of the reactor and coarse ash is discharged from the bottom of the reactor. The fluidized bed usually occupies 1/4 to 1/3 of the reactor height. The remaining space above it serves to complete the cleavage (decomposition reactions) of the higher hydrocarbons and equilibrates in the gas. The height of the fluidized bed and the height of the cleavage space above it required to provide the necessary gas residence time in the reactor are related to the reaction conditions in the reactor and the properties of the gasified feedstock. At the bottom of the reactor there is an excess of heat, which leads to an increase in bed temperature above the softening and ash melting temperatures, to the formation of cinder and to the reactor slag. Conversely, due to heat losses and endothermic reactions, the temperature in the upper part of the reactor leads to a decrease in the decomposition of the higher hydrocarbons and to the scalding of the subsequent filters and heat exchangers. In order to maintain the temperature at the desired level, an additional oxidant (air, oxygen) is added to the gas, whereby part of the gas is burned and its temperature rises again. As a result, the gas quality deteriorates. It is known to design a reactor in which the cylindrical part of the reactor passes into the conical constriction in the lower part. This solution is used when only a portion of the total gasifier is fed under the reactor. It is also known to expand the reactor in the upper part, thereby reducing the flow rate, increasing the residence time and partially reducing the reactor height.

Nevýhodou těchto popsaných řešení je velká výška reaktoru, která se pohybuje v rozmezí 10 až 20 m. Tato nevýhoda se stává tím výraznější, čím je menší výkon reaktoru, protože průřez a výkon reaktoru jsou přímo úměrné, přičemž výška reaktoru je výkonem ovlivněna jen nevýrazně. Pro malé jednotky tak vychází úzký a vysoký reaktor. Nevýhodou takové konstrukce je velký poměr povrchu reaktoru k objemu reaktoru, což se projevuje relativně velkými ztrátami tepla a velkými požadavky na kvalitu a množství izolačního materiálu. Přitom dochází k poklesu teploty plynu, nadměrnému přidávání okysličovadla, částečnému spalování plynu a snižování jeho výhřevnosti. Další nevýhodou je potom vysoká a relativně nákladná nosná konstrukce reaktoru a některých bezprostředně navazujících zařízení.A disadvantage of these described solutions is the large height of the reactor, which is in the range of 10 to 20 m. This disadvantage becomes more pronounced the lower the reactor power, since the cross-section and the reactor power are directly proportional. For small units, this results in a narrow and high reactor. The disadvantage of such a design is the large ratio of reactor surface to reactor volume, which results in relatively large heat losses and high demands on the quality and quantity of insulation material. This leads to a decrease in the gas temperature, an excessive addition of an oxidant, a partial combustion of the gas and a decrease in its calorific value. A further disadvantage is the high and relatively expensive support structure of the reactor and some of the immediately adjacent devices.

- 1 CZ 284609 B6- 1 GB 284609 B6

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Tyto nevýhody jsou odstraněny způsobem výroby topného plynu ve fluidním loži podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že zplyňovací proces probíhá nejdříve při vzestupném proudění plynu, kde vzniká přebytek tepla, a vzniklý plyn se dále vede do odděleného štěpícího procesu se sestupným prouděním, kam se přebytek tepla přivádí. Zavedením tohoto způsobu dojde ke zlepšení kvality vyráběného plynu a současně se využije přebytečného tepla, vzniklého při zplyňovacím procesu, probíhajícím při vzestupném proudění plynu.These disadvantages are overcome by the method of producing a fluidized bed gas according to the invention, which is characterized in that the gasification process first takes place in an upward gas flow, where excess heat is generated, and the resulting gas is further passed to a separate downstream cleavage process. excess heat is supplied. The introduction of this method will improve the quality of the gas produced and at the same time utilize the excess heat generated by the gasification process as the gas flow increases.

Zařízení k provedení způsobu je tvořeno fluidním reaktorem s vnitřní zplyňovací částí, která je obklopena vnější štěpící částí, přičemž obě tyto části jsou odděleny tepelně vodivou stěnou a ve vrchní části fluidního reaktoru jsou propojeny. Ve vnitřní zplyňovací části dochází ke vzestupnému proudění plynu a ve vnější štěpící části plyn proudí sestupně. Tepelně vodivá stěna přitom převádí přebytečné teplo z vnitřní zplyňovací části do vnější štěpící části, přičemž plyn přechází z vnitřní zplyňovací části do vnější štěpící části propojením ve vrchní části fluidního reaktoru, které je vytvořeno mezerou mezi horním okrajem tepelně vodivé stěny a vrchní stěnou reaktoru. Tímto provedením je umožněno snížení nutné výšky fluidního reaktoru až na polovinu při zachování potřebného reakčního objemu. Tím se podstatně sníží poměr vnějšího povrchu reaktoru kjeho objemu, což se projeví snížením relativní velikosti ztrát tepla, vztažených na výkon jednotky při snížení požadavků na množství materiálu, potřebného na vnější tepelnou izolaci fluidního reaktoru. Další výhodou je snížení celkové výšky nosné konstrukce reaktoru. Ve výhodném provedení je tepelně vodivá stěna tvořena ocelovým válcem, který je alespoň na jedné straně opatřen žáruvzdornou vyzdívkou. Ocelový válec tak s velikou účinností převádí teplo z vnitřní zplyňovací části, kde je jeho přebytek, do vnější štěpící části, kde je tepla nedostatek. Žáruvzdorná vyzdívka ocelový válec chrání před propálením a současně akumuluje teplo. Hlavní část zplyňovadla je přiváděna spodem do vnitřní zplyňovací části a další části zplyňovadla jsou potom přiváděny na několika úrovních výšky této vnitřní zplyňovací části a poslední přívod zplyňovadla je umístěn centrálně v blízkosti horního konce vnitřní zplyňovací části. Hlavní přívodní hrdlo zplyňovadla je proto umístěno ve spodním prostoru vnitřní zplyňovací části, další přívodní hrdla zplyňovadla jsou umístěna na několika úrovních výšky vnitřní zplyňovací části a poslední přívodní hrdlo zplyňovadla je umístěno centrálně v blízkosti horního konce vnitřní zplyňovací částí, zpravidla nad tímto horním koncem. Tak je dosaženo rovnoměrného rozložení přívodu zplyňovadla a umístěním posledního přívodního hrdla nad horním koncem vnitřní zplyňovací části je usnadněn rovnoměrný a optimální průběh reakce ve vnější štěpící části fluidního reaktoru.The apparatus for carrying out the method consists of a fluidized bed reactor with an internal gasification portion surrounded by an external cleavage portion, both of which are separated by a thermally conductive wall and connected at the top of the fluidized bed reactor. In the inner gasification part, the gas flows upwardly and in the outer splitting part the gas flows downwardly. The thermally conductive wall here transfers the excess heat from the inner gasification portion to the outer splitting portion, whereby the gas passes from the inner gasification portion to the outer splitting portion by interconnecting at the top of the fluidized bed formed by a gap between the upper edge of the thermally conductive wall and the top wall of the reactor. This design makes it possible to reduce the necessary height of the fluidized bed reactor up to half while maintaining the required reaction volume. This significantly reduces the ratio of the outer surface of the reactor to its volume, which results in a reduction in the relative amount of heat loss based on the unit's performance while reducing the amount of material required for the external thermal insulation of the fluidized bed reactor. Another advantage is to reduce the overall height of the reactor support structure. In a preferred embodiment, the thermally conductive wall is formed by a steel cylinder which is provided with at least one side with a refractory lining. Thus, the steel cylinder converts the heat from the internal gasification portion, where there is an excess, to the external cleavage portion, where the heat is scarce, with great efficiency. The refractory lining protects the steel cylinder from burning and at the same time accumulates heat. The main part of the gasifier is fed from below to the inner gasifier and the other parts of the gasifier are then fed at several levels of height of the inner gasifier and the last gasifier inlet is located centrally near the upper end of the inner gasifier. The gasifier main inlet is therefore located in the lower space of the inner gasifier, the other gasifier inlets are located at several levels of the height of the inner gasifier, and the last gasifier inlet is located centrally near the upper end of the inner gasifier, generally above the upper end. In this way, a uniform distribution of the gasifier feed is achieved, and by placing the last inlet port above the upper end of the inner gasification section, a uniform and optimal reaction course in the outer fracturing portion of the fluidized bed reactor is facilitated.

Přehled obrázků na výkresechOverview of the drawings

Zařízení k provedení způsobu podle vynálezu je schematicky znázorněno na přiloženém výkrese.The apparatus for carrying out the method according to the invention is shown schematically in the attached drawing.

Příklad provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

V jednom z výhodných uplatnění způsobu podle vynálezu zplyňovací proces probíhá při vzestupném proudění plynu, přičemž hlavní část zplyňovadla je do tohoto procesu přivedena pod přívodem zplyňované hmoty. Zplyňování probíhá ve vznosu a při vzestupném proudění plynuje do procesu ještě dvakrát přidáno zplyňovadlo. Poslední část zplyňovadla se přidává při obrácení proudění plynu, kdy nastává jeho sestupné proudění, při kterém probíhá štěpící proces, kterému je dodáváno teplo ze zplyňovacího procesu, probíhajícího při vzestupném proudění plynu.In one preferred application of the method according to the invention, the gasification process takes place in an ascending gas flow, the major part of the gasifier being introduced into the process under the gasification mass feed. The gasification is carried out in the buoyancy and the gasifier is added twice more to the process as the gas flows upward. The last part of the gasifier is added during the reversal of the gas flow, in which its downward flow occurs, during which the splitting process takes place, to which heat is supplied from the gasification process taking place in the ascending gas flow.

Zařízení k provedení způsobu podle vynálezu je tvořeno fluidním reaktorem 1, sestávajícím z vnitřní zplyňovací části 2, jejíž prostor je ohraničen tepelně vodivou stěnou 12, která je vytvořena ocelovým válcem, jehož stěny jsou opatřeny žáruvzdornou vyzdívkou. Tepelně vodiváThe device for carrying out the process according to the invention consists of a fluidized bed reactor 1 consisting of an internal gasification part 2, the space of which is delimited by a thermally conductive wall 12 formed by a steel cylinder whose walls are provided with a refractory lining. Thermally conductive

-2 CZ 284609 B6 stěna 12 je obklopena pláštěm 1.1, přičemž mezi tepelně vodivou stěnou 12 a pláštěm 1.1 je tak vytvořen prstencový prostor, tvořící vnější štěpící část 4. Ocelový válec tepelně vodivé stěny 12 přechází ve spodní části do kuželového tvaru a dále do výstupního hrdla 11 nezplyněných zbytků, které při uzavření tvoří rovněž vstupní hrdlo, neboť je na něj napojeno přívodní ústrojí 5 zplyňovaného materiálu. Výstupní hrdlo 11 je pod napojením přívodního ústrojí 5 opatřeno přívodním hrdlem 6 hlavní části zplyňovadla. V kuželové části tepelně vodivé stěny 12 je vyústěno další přívodní hrdlo 7 zplyňovadla a nad ním ve válcové části tepelně vodivé stěny 12 přívodní hrdlo 8 zplyňovadla. Poslední přívodní hrdlo 9 zplyňovadla je umístěno v ose fluidního reaktoru 1 nad koncem tepelně vodivé stěny 12. Plášť 1,1 fluidního reaktoru 1 opisuje tvar tepelně vodivé stěny 12 a ve spodní části přechází do odváděcího hrdla 10 topného plynu.The wall 12 is surrounded by the jacket 1.1, whereby an annular space forming the outer cleavage portion 4 is formed between the thermally conductive wall 12 and the jacket 1.1. The steel cylinder of the thermally conductive wall 12 passes at the bottom into a conical shape and further into the outlet the gasses 11 of the ungassed residues, which also form the inlet neck when closed, since the gas supply material 5 is connected thereto. The outlet orifice 11 is provided with a supply orifice 6 of the main part of the gasifier under the connection of the feed device 5. In the conical part of the thermally conductive wall 12, another gasifier inlet throat 7 opens and above the gasifier inlet throat 8 in the cylindrical part of the thermally conductive wall 12. The last inlet port 9 of the gasifier is located in the axis of the fluidized bed reactor 1 above the end of the thermally conductive wall 12. The jacket 1.1 of the fluidized bed reactor 1 describes the shape of the thermally conductive wall 12 and passes into the fuel gas outlet port 10.

Funkce zařízení je následující: Zplyňovaný materiál je přiváděn přívodním ústrojím 5 do uzavřeného výstupního hrdla 11, do kterého je přivedena přívodním hrdlem 6 rovněž hlavní část zplyňovadla, přičemž další část zplyňovadla je přivedena přívodním hrdlem 7, přičemž se vytvoří fluidní vrstva 3, ve které probíhá zplyňovací proces se vzestupným prouděním plynu, do kterého je ve vnitřní zplyňovací části 2 přivedena přívodním hrdlem 8 další část zplyňovadla. Plyn postupuje směrem nahoru a po výstupu z vnitřní zplyňovací části 2 je jeho směr proudění obrácen směrem dolů působením homí stěny 1.2 fluidního reaktoru 1, přičemž v místě této změny směruje současně do procesu přivedena další část zplyňovadla přívodním hrdlem 9. Plyn sestupuje směrem dolů ve vnější štěpící části 4, přičemž pobíhá štěpící proces za působení tepla, přivedeného tepelně vodivou stěnou 12, a ve spodní části fluidního reaktoru 1 je vyrobený topný plyn odveden odváděcím hrdlem 10. Nezplyněné zbytky materiálu jsou odvedeny výstupním hrdlem 11.The function of the apparatus is as follows: The gasified material is fed via a feed device 5 to a closed outlet nozzle 11, to which the main portion of the gasifier is also fed via the inlet 6, and a further portion of the gasifier is fed through the inlet 7, forming a fluidized bed 3 gasification process with upward gas flow, to which in the inner gasification part 2 a further part of the gasifier is supplied through the inlet neck 8. The gas advances upwardly and upon exit from the inner gasification section 2, its flow direction is reversed downwardly by the upper wall 1.2 of the fluidized bed reactor 1, at which point another portion of the gasifier is fed to the process. 4, whereby the cleavage process is carried out under the effect of the heat supplied by the thermally conductive wall 12, and in the lower part of the fluidized bed reactor 1, the fuel gas produced is discharged through a discharge port 10. Ungassed material residues are discharged through the discharge port 11.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Využití způsobu a zařízení je určeno zejména pro zplyňování dřeva a ostatní biomasy a to jak pro malé, tak i pro větší výkony.The use of the method and equipment is intended especially for gasification of wood and other biomass for both small and larger outputs.

Claims (6)

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS 1. Způsob výroby topného plynu ve fluidní vrstvě zplyňováním surovin, obsahujících uhlík, zejména dřeva a biomasy, vyznačující se tím, že zplyňovací proces se nechá probíhat nejdříve při vzestupném proudění plynu, přičemž vzniká přebytek tepla, a vzniklý plyn se dále vede do odděleného štěpícího procesu se sestupným prouděním, do kterého se vzniklý přebytek tepla přivádí.Process for producing fuel gas in a fluidized bed by gasification of carbon-containing feedstocks, in particular wood and biomass, characterized in that the gasification process is first carried out in an ascending gas flow, generating excess heat, and the resulting gas is further passed to a separate a downward flow process to which the excess heat is supplied. 2. Zařízení k provedení způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že je tvořeno fluidním reaktorem (1) s vnitřní zplyňovací částí (2), která je obklopena vnější štěpící částí (4), přičemž obě tyto části (2, 4) jsou odděleny tepelně vodivou stěnou (12) a ve vrchní části fluidního reaktoru (1) jsou propojeny.Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that it comprises a fluidized bed reactor (1) with an internal gasification part (2) which is surrounded by an external cleavage part (4), both parts (2, 4) being They are separated by a thermally conductive wall (12) and are connected in the upper part of the fluidized bed reactor (1). 3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že tepelně vodivá stěna (12) je tvořena ocelovým válcem, který je alespoň na jedné straně opatřen žáruvzdornou vyzdívkou.Device according to claim 2, characterized in that the thermally conductive wall (12) is formed by a steel cylinder which is provided with a refractory lining on at least one side. 4. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že do spodního prostoru vnitřní zplyňovací části (2) je zaústěno hrdlo (6) přívodu hlavní části zplyňovadla a na několika úrovních výšky vnitřní zplyňovací části (2) jsou zaústěna další přívodní hrdla (7, 8) zplyňovadla.Apparatus according to claim 2, characterized in that the inlet port (6) of the inlet port (6) of the main part of the gasifier is connected to the lower space of the inner gasifier (2) and further inlet ports (7) are connected at several levels. 8) gasifiers. -3 CZ 284609 B6-3 CZ 284609 B6 5. Zařízení podle nároku 2 nebo 4, vyznačující se tím, že v blízkosti horního konce vnitřní zplyňovací části (2) je centrálně umístěno přívodní hrdlo (9) zplyňovadla.Apparatus according to claim 2 or 4, characterized in that a supply port (9) of the gasifier is centrally located near the upper end of the inner gasification portion (2). 6. Zařízení podle nároku 5 vyznačující se t í m , že přívodní hrdlo (9) zplyňovadla je 5 umístěno nad homí konec vnitřní zplyňovací části (2).The device according to claim 5, characterized in that the gasifier feed port (9) is located above the upper end of the inner gasification portion (2).