CZ310023B6 - Způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení k provádění tohoto způsobu - Google Patents

Způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení k provádění tohoto způsobu Download PDF

Info

Publication number
CZ310023B6
CZ310023B6 CZ2022-136A CZ2022136A CZ310023B6 CZ 310023 B6 CZ310023 B6 CZ 310023B6 CZ 2022136 A CZ2022136 A CZ 2022136A CZ 310023 B6 CZ310023 B6 CZ 310023B6
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
pyrolysis
torrefaction
biomass
nanoparticles
reactor
Prior art date
Application number
CZ2022-136A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ2022136A3 (cs
Inventor
Ondřej Němček
Němček Ondřej Ing., Ph.D.
Marcel MIKESKA
Mikeska Marcel Ing., Ph.D.
Jan Kielar
Kielar Jan Ing., Ph.D.
Tomáš NAJSER
Tomáš Ing. Najser
Original Assignee
Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava filed Critical Vysoká Škola Báňská - Technická Univerzita Ostrava
Priority to CZ2022-136A priority Critical patent/CZ310023B6/cs
Priority to PCT/CZ2022/050035 priority patent/WO2022253366A1/en
Publication of CZ2022136A3 publication Critical patent/CZ2022136A3/cs
Publication of CZ310023B6 publication Critical patent/CZ310023B6/cs

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B57/00—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general
    • C10B57/02—Multi-step carbonising or coking processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B53/00—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form
    • C10B53/02—Destructive distillation, specially adapted for particular solid raw materials or solid raw materials in special form of cellulose-containing material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/40—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by dimensions, e.g. grain size
    • B01J35/45—Nanoparticles
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B57/00—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general
    • C10B57/04—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general using charges of special composition
    • C10B57/06—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general using charges of special composition containing additives
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B57/00—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general
    • C10B57/12—Applying additives during coking
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B57/00—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general
    • C10B57/14—Features of low-temperature carbonising processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10B—DESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B57/00—Other carbonising or coking processes; Features of destructive distillation processes in general
    • C10B57/18—Modifying the properties of the distillation gases in the oven
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • C10J3/60—Processes
    • C10J3/64—Processes with decomposition of the distillation products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L9/00—Treating solid fuels to improve their combustion
    • C10L9/08—Treating solid fuels to improve their combustion by heat treatments, e.g. calcining
    • C10L9/083—Torrefaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/06—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of zinc, cadmium or mercury
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/16—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of arsenic, antimony, bismuth, vanadium, niobium, tantalum, polonium, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, technetium or rhenium
    • B01J23/24—Chromium, molybdenum or tungsten
    • B01J23/28—Molybdenum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/42—Platinum
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/44—Palladium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/46—Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
    • B01J23/462—Ruthenium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/38—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals
    • B01J23/40—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of noble metals of the platinum group metals
    • B01J23/46—Ruthenium, rhodium, osmium or iridium
    • B01J23/464—Rhodium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/72—Copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74—Iron group metals
    • B01J23/75—Cobalt
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/74—Iron group metals
    • B01J23/755—Nickel
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • B01J23/8913—Cobalt and noble metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/70—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper
    • B01J23/89—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00 of the iron group metals or copper combined with noble metals
    • B01J23/892—Nickel and noble metals
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/20—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state
    • B01J35/23—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state in a colloidal state
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0916—Biomass
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00—Details of gasification processes
    • C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0983—Additives
    • C10J2300/0986—Catalysts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/04—Gasification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00—Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/14—Injection, e.g. in a reactor or a fuel stream during fuel production
    • C10L2290/141—Injection, e.g. in a reactor or a fuel stream during fuel production of additive or catalyst
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/10—Biofuels, e.g. bio-diesel
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Catalysts (AREA)

Abstract

Předmětem řešení je způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení pro provádění uvedeného způsobu. Dle uvedeného způsobu je biomasa nejdříve zavedena do alespoň jednoho torefakčního reaktoru (3), kde je podrobena torefakci při teplotě 50 °C až 400 °C a tlaku -50 kPa až +100 kPa, následně je zavedena do alespoň jednoho pyrolýzního reaktoru (7), kde je podrobena pyrolýze při teplotě 400 až 800 °C a tlaku -50 kPa až +100 kPa za vzniku pyrolýzního plynu. Během pyrolýzy a/nebo torefakce je provedena aditivace biomasy katalyzátorem zvoleným ze skupiny sestávající z nanočástic niklu, mědi, kobaltu, platiny, palladia, ruthenia, rhodia, molybdenu, rtuti a rhodaminu 6G nebo jakékoliv jejich kombinace. Výsledkem aditivace je plyn obohacený methanem s obsahem methanu 10 až 60 % obj., v němž je analyzován obsah methanu pomocí druhého analyzátoru (9) za vzniku vstupních dat, která jsou vyhodnocena řídicí jednotkou (2). V plynu vzniklém během torefakce je analyzován obsah methanu pomocí prvního analyzátoru (5). Řídicí jednotka (2) následně zpětně-vazebně modifikuje provozní parametry v alespoň jednom torefakčním reaktoru (3) a/nebo pyrolýzním reaktoru (7). Předmětem řešení jsou dále počítačový program, počítačem čitelné médium a signál nosiče.

Description

Způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení k provádění tohoto způsobu
Oblast techniky
Tento vynález se týká způsobu obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení k provádění tohoto způsobu. Tento vynález se rovněž týká použití katalyzátorů pro obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem, počítačového programu obsluhujícího uvedené zařízení a počítačem čitelného média nebo signálu nosiče s uvedeným počítačovým programem.
Dosavadní stav techniky
Aktuální stav poznání v oblasti termického zpracování alternativních materiálů a biomateriálů založených na principu pyrolýzy, torefakce a zplyňování je na dobré úrovni. Tyto technologie jsou poměrně dobře známé a jsou provozovány v průmyslové výrobě i experimentálních provozech.
Obecně lze technologie torefakce a pyrolýzy materiálu, což je termické zpracování vstupního materiálu v inertní atmosféře, tedy zahřívání materiálu bez přístupu vzduchu, rozdělit na tři základní typy dle teploty procesu - nízkoteplotní pyrolýza, zvaná též torefakce (pražení), středně-teplotní pyrolýza a vysokoteplotní pyrolýza. Každý tento typ procesu je určen k produkci tří frakcí. Dle procesní teploty je pak možné získat v různých poměrech především plynnou, kapalnou a tuhou frakci.
Jsou známy postupy pro vedení procesu za účelem zisku výstupních produktů - plynné, kapalné a tuhé frakce prostřednictvím výše zmíněných procesů. Množství, kvalita a složení výstupních produktů jsou ovlivnitelné vedením procesu. Existují způsoby vedení procesu a ovlivnění vlastností produktů změnou teploty procesu, dobou zdržení materiálu v torefakčním a pyrolýzním zařízení, využitím konkrétního druhu vstupní suroviny o známém složení.
V oblasti konstrukce a technologie jsou známy zařízení s různým druhem reaktoru se stacionární vrstvou (vsázkové), průběžné (kontinuální), kdy vstupní materiál je přiváděn do technologie, kde dochází k průběžnému zpracování a zároveň i průběžné produkci produktů v čase. Jsou známy také různé typy zapojení do technologického procesu, kdy před samotným vstupem do technologie jsou instalovány zásobníky a násypné a dávkovací zařízení, naopak za výstupem z technologie pak následují filtrační a odlučovací kolony a zásobníky na uchování produktů plynných, kapalných a tuhých. Z pohledu konstrukčního se jedná vždy o zařízení, které je tvořeno několika hlavními částmi: 1. část je násypná a zásobníková část - zde je skladován materiál a dochází k jeho transportu do samotné akční části, kde dochází k procesu torefakce pyrolýzy; 2. část je tedy samotný reaktor, ať již vsázkový, gravitační, s nuceným posuvem pomocí roštu či šneku, ohřívaný elektricky, plamenem, nebo spalinami; a 3. část technologie je výstupní část za reaktorem, kde dochází k separaci tuhého zbytku a plynu, dochlazování a zkapalňování části plynu za účelem zisku kapalné frakce a případná další filtrace těchto produktů.
Mezinárodní patentová přihláška WO 2017217573 A1 popisuje způsob výroby a zařízení pro výrobu karbonizovaných pelet s vysokým podílem uhlíku a vysokou výhřevností. Karbonizace je druh pyrolýzy, který zanechává především zbytek s vysokým podílem uhlíku. Uvedený způsob výroby zahrnuje krok přípravy dřevěné štěpky, krok torefakce dřevěné štěpky v bezkyslíkové atmosféře, krok mletí torifikované dřevěné štěpky na práškovou formu, krok formování směsi práškové torifikované dřevěné štěpky, pojiva, roztoku nanokatalyzátorů a dalších aditiv do pelet a krok karbonizace pelet. V torefakčním reaktoru v kroku torefakce vzniká při teplotě 180 až 400 °C a tlaku 0 až -0,1 kPa torefakční plyn, který je veden do karbonizačního
- 1 CZ 310023 B6 reaktoru, a v karbonizačním reaktoru v kroku karbonizace při teplotě 200 až 500 °C vzniká dále karbonizační plyn, který je spolu s torefakčním plynem veden do spalovací komory pro získání tepla a jeho vrácení zpátky do systému. Torefakčním plynem je směs oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého, vodíku a uhlovodíků, zejména methanu a/nebo acetylenu. Karbonizační plyn na výstupu z karbonizačního reaktoru zahrnuje uhlovodíky, zejména methan a/nebo acetylen bez uvedení konkrétního obsahu methanu. Mezi použité nanokatalyzátory patří nanočástice niklu, mědi, železa, zinku, hořčíku nebo hliníku, zejména v obsahu 0,01 až 5 hmotnostních dílů (např. 0,1 až 50 mg) vůči 100 hmotnostním dílům (např. 1 g) práškové torifikované dřevěné štěpky.
Čínská patentová přihláška CN 109974002 A popisuje proces zpracování odpadu s paralelně uspořádanými pyrolýzními reaktory a spalovacími komorami, přičemž vzniká pyrolýzní plyn bez obsahu dioxinu pro získání tepla a energie. Paralelní uspořádání zajišťuje větší plochu pro výměnu a rovnoměrné předávání tepla.
Evropská patentová přihláška EP 2428546 A1 popisuje proces generování tuhého nebo polotuhého biopaliva rychlou pyrolýzou biomasy se třemi, sériově zapojenými reaktory s tekutými loži: předehřívací, pyrolýzní a spalovací reaktor. Vzniklý pyrolýzní plyn zahrnuje zejména oxid uhelnatý, oxid uhličitý a vodík.
Kromě jednostupňové aditivace torifikované biomasy nanočásticemi mědi nebo niklu před karbonizací podle WO 2017217573 A1 v současnosti není známa aplikace aditiv na biomasu pro její torefakční a pyrolýzní zpracování za účelem změny složení a poměrného zastoupení finálně produkovaného plynu, s důrazem na obohacení tohoto plynu methanem.
V současné době rovněž není známo řešení více sekčního zapojení torefakčních či pyrolýzních reaktorů v paralelním či sériovém zapojení tak, aby bylo možné provádět dávkování stejné biomasy do všech takto zapojených reaktorů současně, a přitom využít v každém samotném reaktoru jinak působících fyzikálních či chemických podmínek a dalších parametrů. Díky tomuto zapojení a kontinuální analýze s následnou odezvou na řízení každého zapojeného reaktoru je možné provádět cílené řízení za účelem požadované změny složení finálně produkovaného plynu.
V dokumentu WO 2017051008 A1 je popsán způsob úpravy materiálu na bázi biomasy na methan. Tento způsob probíhá v hydropyrolýzním reaktoru za přítomnosti katalyzátoru obsahujícího, Co a/nebo Ni v množství 2 až 75 % hmotn., vztaženo na hmotnost katalyzátoru, při teplotě 300 až 600 °C a tlaku 0,5 až 7,5 MPa. Produkovaný plyn obsahuje uhlovodíky, z nichž 70 % hmotn. tvoří methan. Nosičem katalyzátoru je oxid hliníku, křemíku, titanu, ceria, nebo jejich binární oxidy. Ve výhodném provedení je množství aktivních kovů nejméně 5, 20 nebo 30 % hmotn. Další katalyzátor může být přidáván v průběhu procesu. Velikost částic katalyzátoru se pohybuje mezi 0,3 až 4,0 mm. Příkladem biomasy může být dřevo, kůra, lignin, sinice, řasy, papírový odpad, odpadní kaly a zbytky zemědělské a lesnické produkce. Jako surovina pro tento způsob může sloužit i biomasa po torefakci. Součástí způsobu může být i předběžná úprava hydropyrolýzou za přítomnosti katalyzátoru. V tomto řešení není popsán způsob řízení uvedeného způsobu úpravy materiálu na bázi biomasy na methan.
V dokumentu US 2010228062 A1 jsou uvedeny příklady katalyzátorů pro tvorbu methanu v pyrolýzním plynu. Tato reakce probíhá při teplotě 400 až 600 °C a tlaku 2 až 100 kPa. V tomto dokumentu je také uvedeno, že biomasa před pyrolýzou může být modifikována torefakcí a že se k biomase mohou přidávat před pyrolýzou další látky. V tomto řešení není popsán způsob řízení uvedeného způsobu tvorby methanu v pyrolýzním plynu.
V dokumentu EP 3470386 A1 je popsán způsob úpravy biomasy, při kterém se k biomase přidá katalyzátor, tato směs se vysuší a následně proběhne krok torefakce. Sušení probíhá při teplotě mezi 120 a 190 °C a torefakce při teplotě mezi 200 a 300 °C. Katalyzátor se může dávkovat i do prvního reaktoru. V tomto řešení není popsán způsob řízení uvedeného způsobu úpravy biomasy.
- 2 CZ 310023 B6
Další podobná řešení jsou známé z publikace Zhang a kol. (2017) s názvem „Improving hydrocarbon yield by two-step pyrolysis of pinewood in a fluidized-bed reactor“ nebo z americké patentové přihlášky US 2012315681 A1.
V dokumentu WO 8908613 A1 je popsán způsob úpravy odpadního organického materiálu na plyn obsahující převážně methan a oxid uhličitý. Při tomto způsobu se odpadní organický materiál ve formě vodné suspenze nebo kalu pyrolyzuje při teplotě 250 až 500 °C a tlaku nejméně 5 MPa za přítomnosti redukovaného niklu, který katalyzuje reakci organického materiálu s vodou, při které vzniká plyn obsahující převážně methan a oxid uhličitý. Způsob zahrnuje také předběžnou úpravu organického materiálu před jeho vstupem do tlakového reaktoru, při které se tento materiál rozkládá a předehřívá. Součástí zařízení k provádění tohoto způsobu je i systém pro odběr vzorků během provozu reaktoru. Vzorky se odebírají z reaktoru. Systém pro odběr vzorků a reaktor, konkrétně autokláv, jsou dálkově řízeny řídicí jednotkou. Katalyzátor se přidává k odpadnímu organickému materiálu před jeho vstupem do reaktoru. Dále jsou popsány vzorky katalyzátorů Ni/Al2O3 a jejich účinnost při katalýze hexonu při dávce 1,2 g katalyzátoru na g hexonu.
Ve výše uvedeném řešení není dálkové řízení systému pro odběr vzorků a reaktoru popsáno podrobněji, a jak množství odpadního organického materiálu a katalyzátoru, tak procesní podmínky pyrolýzy i předběžné úpravy před pyrolýzou jsou předem definovány před začátkem úpravy.
Ve stavu techniky tedy vzniká potřeba takového způsobu úpravy odpadního organického materiálu na plyn obsahující methan, který by zpětně-vazebně reflektoval množství vznikajícího methanu a následně upravoval množství vstupních materiálů a/nebo procesní podmínky.
Podstata vynálezu
Prvním cílem vynálezu je poskytnout způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem na výsledný objem 10 až 60 % obj. methanu v kombinaci se způsobem řízení pyrolýzního reaktoru a/nebo torefakčního reaktoru na základě obsahu methanu v plynu vznikajícím během pyrolýzy a torefakce.
Uvedeného cíle je dosaženo způsobem obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem. V uvedeném způsobu je biomasa zavedena do alespoň jednoho torefakčního reaktoru, torifikována při teplotě 50 °C až 400 °C (např. 200 °C až 250 °C pro traviny a 200 °C až 350 °C pro dřeviny) a tlaku -50 kPa až +100 kPa v torefakčním reaktoru, zavedena dále do alespoň jednoho pyrolýzního reaktoru a pyrolyzována při teplotě 400 °C až 800 °C a tlaku -50 kPa až +100 kPa v pyrolýzním reaktoru. Doba zdržení biomasy v torefakčním nebo pyrolýzním reaktoru je přibližně 30 minut až 2 hodiny. Při tlaku -50 kPa až 0 kPa nastává intenzivnější uvolňování těkavých složek a složek s nízkým bodem varu a při tlaku 0 kPa až +100 kPa naopak dochází ke štěpení komplexních uhlovodíkových sloučenin na jednodušší, např. až na methan. Při klasické pyrolýze podle podmínek výše a bez přídavku katalyzátoru vzniká v pyrolýzním plynu přibližně 10 až 20 % obj. methanu u travin, přibližně 15 až 30 % obj. methanu u dřevin a přibližně 10 až 40 % obj. methanu u ostatní odpadní produkce.
V prvním provedení je aditivace biomasy katalyzátorem zvoleným ze skupiny sestávající z nanočástic niklu, nanočástic mědi, nanočástic kobaltu, nanočástic platiny, nanočástic palladia, nanočástic ruthenia, nanočástic rhodia, nanočástic molybdenu, nanočástic rtuti a rhodaminu 6G, nebo jakékoliv jejich kombinace provedena během pyrolýzy v pyrolýzním reaktoru za vzniku pyrolýzního plynu obohaceného methanem s obsahem methanu 10 až 60 % obj., v němž je analyzován obsah methanu pomocí druhého analyzátoru za vzniku vstupních dat, která jsou vyhodnocena řídicí jednotkou. Aditivace až během pyrolýzy, tj. během probíhajícího pyrolytického zpracování biomasy, zajišťuje vyšší účinnost katalyzátorů, kterých katalytická
- 3 CZ 310023 B6 aktivita se může při expozici podmínkám torefakce nebo pyrolýzy v celé délce výrazně snižovat. Tento efekt zahlcení lze pozorovat zejména u katalyzátorů obsahujících vzácné kovy, tj. měď, platinu, palladium, rhodium, ruthenium a rtuť. Z ekonomických důvodů je vhodné tyto katalyzátory používat až během pyrolýzy.
Ve druhém provedení je aditivace biomasy katalyzátorem zvoleným ze skupiny sestávající z nanočástic kobaltu, nanočástic platiny, nanočástic palladia, nanočástic ruthenia, nanočástic rhodia, nanočástic molybdenu, nanočástic rtuti, rhodaminu 6G a kombinace nanočástic niklu a kobaltu, nebo jakékoliv jejich kombinace provedena již před pyrolýzou, s výhodou během torefakce a/nebo po torefakci mimo torefakční reaktor, za vzniku pyrolýzního plynu obohaceného methanem s obsahem methanu 10 až 60 % obj., v němž je analyzován obsah methanu pomocí druhého analyzátoru za vzniku vstupních dat, která jsou vyhodnocena řídicí jednotkou. Aditivace již během torefakce, tj. během probíhajícího torefakčního zpracování biomasy, a/nebo mezi torefakcí a pyrolýzou umožňuje delší dobu kontaktu biomasy a katalyzátoru po celou nebo téměř celou délku procesu torefakce a pyrolýzy, a tudíž rovněž obohacení vznikajícího plynu methanem i navzdory snížení katalytické aktivity u některých katalyzátorů či ekonomickým nevýhodám uvedeným výše.
Primárním účelem těchto katalyzátorů je přeměna CO2 a H2 vzniklých při torefakčním a/nebo pyrolýzním zpracování biomasy na větší celkový podíl methanu ve výsledném pyrolýzním plynu. CO2 je nehořlavý plyn, který je navíc nežádoucí z pohledu emisí a uhlíkové stopy, a H2 je sice hořlavý, ale způsobuje detonace a nestabilní spalování, tedy v běžném energetickém cyklu či dalším procesu je nežádoucí. Bez použití katalyzátoru by byl výsledný obsah methanu v pyrolýzním plynu závislý pouze od vstupního materiálu a tento plyn by nemohl být dále obohacen.
Ve třetím provedení lze aditivaci provést katalyzátorem jak před pyrolýzou, tak během pyrolýzy.
Podstatou uvedeného způsobu je to, že v pyrolýzním plynu a rovněž v plynu vzniklém během torefakce je analyzován obsah methanu kontinuálně v reálném čase pomocí prvního a druhého analyzátoru (např. plynového chromatografu, nedisperzního infračerveného senzoru, tepelně vodivostního detektoru, plamenového ionizačního detektoru, infračerveného senzoru pro střední infračervenou oblast nebo jejich kombinace nebo jiného vhodného senzoru pro analýzu složení plynu obsahujícího methan) za vzniku vstupních dat, která jsou vyhodnocena řídicí jednotkou. Řídicí jednotka následně zpětně-vazebně modifikuje kterýkoliv procesní parametr, tj. teplotu a/nebo tlak a/nebo dobu zdržení biomasy a/nebo množství zavedené biomasy a/nebo poměr jednotlivých složek biomasy v alespoň jednom torefakčním reaktoru a/nebo v alespoň jednom pyrolýzním reaktoru a/nebo množství přidaného katalyzátoru.
Řídicí jednotka tedy reguluje provozní veličiny u každého torefakčního a pyrolýzního reaktoru zvlášť na základě analýzy výstupního plynu a jeho složení. Celý proces lze tedy řídit a lze ovlivnit složení plynu na požadovanou hodnotu, např. odpojením některého z více reaktorů, změnou teplot a dílčích provozních parametrů u jednotlivých reaktorů apod., provádět injektáž katalyzátorů, aditiv a dalších chemických reagentů a substancí v průběhu procesu v přesně stanoveném čase a místě. Zapojením více reaktorů lze pak stabilizovat či ovlivnit výstupní produkty a jejich parametry, především pak finálně produkovaný plyn za účelem změny poměrového složení a tvorby složek methanu na úkor CO2 a H2.
Ve výhodném provedení je katalyzátor deponován na povrchu nosiče zvoleného ze skupiny sestávající z hlinitokřemičitanu, oxidu hlinitého, oxidu hořečnatého, oxidu titaničitého, oxidu ceričitého, oxidu zirkoničitého nebo jakékoliv jejich kombinace. Katalyzátor může být na povrch nosiče nanesen pomocí mokré impregnační metody.
Konkrétní příkladní formulace A-G katalyzátorů a jejich výhody jsou uvedeny níže:
- 4 CZ 310023 B6 • A: směs 12,0 až 13,0 % hmotn. nanočástic niklu a 1,5 až 2,5 % hmotn. nanočástic kobaltu vzhledem k nosiči, s výhodou směs 12,5 % hmotn. nanočástic niklu a 2,0 % hmotn. nanočástic kobaltu vzhledem k nosiči - výhodou je nízká cena, využitelnost před i během pyrolýzy a obohacení vzniklého plynu o přibližně 1 až 5 % obj. methanu při použití jakékoliv biomasy;
• B: směs 7,0 až 8,0 % hmotn. nanočástic niklu, 7,0 až 8,0 % hmotn. nanočástic kobaltu a 0,1 až 0,5 % hmotn. nanočástic ruthenia vzhledem k nosiči, s výhodou směs 7,5 % hmotn. nanočástic niklu, 7,5 % hmotn. nanočástic kobaltu a 0,25 % hmotn. nanočástic ruthenia vzhledem k nosiči - výhodou je obohacení vzniklého plynu o přibližně 10 až 15 % obj. methanu při použití jakékoliv biomasy;
• C: směs 10,0 až 11,0 % hmotn. nanočástic molybdenu a 1,0 až 2,0 % hmotn. nanočástic rtuti vzhledem k nosiči, s výhodou směs 10,5 % hmotn. nanočástic molybdenu a 1,5 % hmotn. nanočástic rtuti vzhledem k nosiči - výhodou je obohacení vzniklého plynu o přibližně 1 až 5 % obj. methanu při použití jakékoliv biomasy;
• D: 0,1 až 1,0 % hmotn. nanočástic platiny vzhledem k nosiči, např. 0,5 % hmotn. nanočástic platiny vzhledem k nosiči - výhodou je obohacení vzniklého plynu o přibližně 10 až 20 % obj. methanu při použití jakékoliv biomasy;
• E: 0,1 až 2,0 % hmotn. nanočástic mědi vzhledem k nosiči, např. 0,5 až 1,5 % hmotn. nebo 1,0 % hmotn. nanočástic mědi vzhledem k nosiči - výhodou je obohacení vzniklého plynu o přibližně 1 až 5 % obj. methanu při použití jakékoliv biomasy;
• F: 0,1 až 2,0 % hmotn. nanočástic palladia vzhledem k nosiči, např. 0,5 až 1,5 % hmotn. nebo 1,0 % hmotn. nanočástic palladia vzhledem k nosiči - výhodou je obohacení vzniklého plynu o přibližně 10 až 20 % obj. methanu při použití jakékoliv biomasy;
• G: 0,1 až 2,0 % hmotn. nanočástic rhodia vzhledem k nosiči, např. 0,5 až 1,5 % hmotn. nebo 1,0 % hmotn. nanočástic rhodia vzhledem k nosiči - výhodou je obohacení vzniklého plynu o přibližně 10 až 20 % obj. methanu při použití jakékoliv biomasy;
• H: 0,05 až 0,30 % hmotn. rhodaminu 6G vzhledem k nosiči, např. 0,10 až 0,20 % hmotn. rhodaminu 6G vzhledem k nosiči, s výhodou i v kombinaci s experimentálními podmínkami ionizujícího záření, ultrazvuku a magnetického pole - výhodou je obohacení vzniklého plynu o přibližně 2 až 5 % obj. methanu při použití jakékoliv biomasy.
U formulací B až H je výhodná jejich aditivace až během pyrolýzy, protože rhodamin 6G nebo kovy obsažené v těchto katalyzátorech se můžou vlivem pyrolýzního procesu částečně znehodnotit a ztratit svou katalytickou aktivitu (přítomnost různých dehtů způsobuje vytvoření povlaku na jejich povrchu a zabránění přístupu plynu ke katalyzátoru), což sníží výsledný obsah methanu v pyrolýzním plynu. Během pyrolýzy může znamenat např. v první třetině nebo první polovině pyrolýzního reaktoru vzhledem k toku materiálu reaktorem. Pokud jsou tyto formulace přidány i před pyrolýzou pro další obohacení methanem, např. během torefakce a/nebo mezi torefakcí a pyrolýzou, z výše uvedených důvodů je vhodné je doplnit i během pyrolýzy.
U formulace A lze pozorovat podobný jev jako u jiných formulací, ale kombinace nanočástic niklu a kobaltu není tak ekonomicky nákladná pro její opakované doplnění jako u vzácných kovů, a proto lze tuto formulaci používat v kterémkoliv bodu způsobu.
U všech formulací A až H, a zejména u formulace C je po aditivaci nutné zajistit likvidaci pyrolýzního zbytku jako nebezpečného odpadu. U všech formulací A-H můžou být katalyzátory rozpuštěny ve vodném roztoku.
- 5 CZ 310023 B6
Množství katalyzátoru deponovaného na nosiči je 0,1 až 5 mg na 1 g biomasy, přičemž referenční hmotnost biomasy je hmotnost biomasy před vstupem do torefakčního reaktoru pro aditivaci před pyrolýzou a hmotnost biomasy před vstupem do pyrolýzního reaktoru pro aditivaci během pyrolýzy.
Ve výhodném provedení může probíhat torefakce biomasy v alespoň dvou torefakčních reaktorech uspořádaných navzájem sériově nebo paralelně nebo sériově-paralelně. Podobně pyrolýza torifikované biomasy může probíhat v alespoň dvou pyrolýzních reaktorech uspořádaných navzájem sériově nebo paralelně nebo sériově-paralelně. V každém reaktoru je možné kontrolovaným způsobem nastavit individuální procesní podmínky za účelem termického zpracování biomasy a obohacení pyrolýzního plynu methanem. Jednotlivé reaktory jsou propojeny pomocí čidel a snímačů s řídicí jednotkou.
Ve výhodném provedení může biomasa obsahovat traviny, dřeviny, seno, slámu, otruby, slupky, listí a/nebo odpad zemědělské produkce.
Druhým cílem vynálezu je poskytnout zařízení pro provádění způsobu obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem na výsledný objem 10 až 60 % obj. methanu a zároveň pro provádění způsobu řízení pyrolýzního reaktoru a/nebo torefakčního reaktoru na základě obsahu methanu v plynu vznikajícím během pyrolýzy a torefakce.
Uvedeného cíle je dosaženo zařízením pro provádění výše uvedeného způsobu, obsahujícím:
a. alespoň jeden torefakční reaktor se vstupem biomasy a výstupem torifikované biomasy;
b. alespoň jeden pyrolýzní reaktor se vstupem torifikované biomasy, výstupem pyrolýzního zbytku a výstupem pyrolýzního plynu obohaceného methanem;
c. aditivační zařízení pro aditivaci biomasy katalyzátorem, přičemž aditivační zařízení je uspořádáno v torefakčním reaktoru jako injektážní zařízení (např. jako alespoň jedna tryska uvnitř torefakčního reaktoru) a/nebo v pyrolýzním reaktoru jako injektážní zařízení (např. jako alespoň jedna tryska uvnitř pyrolýzního reaktoru) a/nebo mezi torefakčním a pyrolýzním reaktorem mimo obou reaktorů (např. jako rozprašovací zařízení nebo míchací zařízení);
d. první analyzátor pro analýzu obsahu methanu v plynu vzniklém torefakcí a druhý analyzátor pro analýzu obsahu methanu v pyrolýzním plynu za vzniku vstupních dat; a
e. řídicí jednotku uzpůsobenou k vyhodnocení vstupních dat a zpětně-vazebné modifikaci podmínek v torefakčním reaktoru, aditivačním zařízení a/nebo pyrolýzním reaktoru.
Torefakční i pyrolýzní reaktor může s výhodou být reaktor s obecně známým šnekovým podavačem. Regulací otáček závitů lze modifikovat dobu zdržení biomasy v reaktoru, která je obvykle 30 minut až 2 hodiny. Tyto reaktory mohou být opatřeny zpětnými klapkami a řídicími ventily za účelem dosažení požadovaných tlaků. V reaktorech je během torefakce a pyrolýzy atmosféra v podstatě bez přítomnosti kyslíku.
Injektážní trysky v reaktorech lze uspořádat pravidelně v odstupu po celé délce reaktoru a vhodně jimi zkrápět nebo poprašovat biomasu při jejím průchodu reaktorem. V průběhu procesu torefakce i pyrolýzy dochází k termálně degradačním jevům postupně, tedy s rostoucí teplotou a časem zdržení v reaktoru. Na základě měření lze konstatovat, že nejdříve dochází k sušení materiálu a jeho prvotnímu prohřívání po celém objemu, následně odpaření lehce prchavých látek a poté následuje narušení složitějších vazeb materiálu a jejich štěpení, kdy vznikající plynné substance mohou také dále ovlivnit následný termicky degradační proces (rozklad materiálu).
- 6 CZ 310023 B6
Díky injektáži katalyzátorů v určitém bodě a čase v reaktoru lze tedy ovlivnit proces termické degradace, a tím opět změnit výsledné složení produkovaného plynu.
Ve výhodném provedení může zařízení obsahovat alespoň dva torefakční reaktory uspořádané navzájem paralelně nebo sériově. Podobně zařízení může obsahovat alespoň dva pyrolýzní reaktory uspořádané navzájem paralelně nebo sériově.
Třetím cílem vynálezu je poskytnout počítačový program obsahující instrukce, které způsobí, že řídicí jednotka výše uvedeného zařízení provede ve výše uvedeném způsobu následující kroky:
a. krok vyhodnocení vstupních dat vzniklých analýzou obsahu methanu v plynu vzniklém během torefakce a v pyrolýzním plynu; a
b. krok zpětně-vazebné modifikace teploty a/nebo tlaku a/nebo doby zdržení biomasy a/nebo množství zavedené biomasy a/nebo poměru jednotlivých složek biomasy v alespoň jednom torefakčním reaktoru a/nebo v alespoň jednom pyrolýzním reaktoru a/nebo množství přidaného katalyzátoru.
Čtvrtým cílem vynálezu je poskytnout počítačem čitelné médium, na kterém je uložen výše uvedený počítačový program, nebo signál nosiče nesoucí výše uvedený počítačový program.
Objasnění výkresů
Podstata vynálezu je dále objasněna na příkladech jeho uskutečnění, které jsou popsány s využitím připojených výkresů, ve kterých:
obr. 1 schematicky znázorňuje příkladné zařízení pro obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem.
Příklady uskutečnění vynálezu
Uvedená uskutečnění znázorňují příkladné varianty provedení vynálezu, která však nemají z hlediska rozsahu ochrany žádný omezující vliv.
Jedním příkladem uskutečnění je způsob s kombinovanou aditivací během torefakce, mezi torefakcí a pyrolýzou a během pyrolýzy, což je znázorněno na obr. 1. Odborník v oboru však uzná, že jednotlivé kroky aditivace lze použít i pouze během torefakce nebo pouze mezi torefakcí a pyrolýzou nebo pouze během pyrolýzy, případně je různě kombinovat, např. jako aditivaci během torefakce a mezi torefakcí a pyrolýzou, nebo jako aditivaci během torefakce a během pyrolýzy, nebo jako aditivaci mezi torefakcí a pyrolýzou a během pyrolýzy.
V tomto příkladu uskutečnění obr. 1 rovněž znázorňuje zařízení pro provádění tohoto způsobu s paralelně uspořádanými torefakčními reaktory 3 a pyrolýzními reaktory 7. Odborník v oboru však uzná, že pro podstatu vynálezu postačuje pouze alespoň jeden torefakční reaktor 3 a alespoň jeden pyrolýzní reaktor 7. Rovněž lze kteréhokoliv dva torefakční a/nebo pyrolýzní reaktory 3, 7 zařadit za sebou do sériového zapojení.
Dle obr. 1 vstupním materiálem na začátku uvedeného způsobu je např. odpadní materiál, který by byl dále jinak nevyužitelný (plasty, papír, dřevotříska), palivo s nízkou výhřevností, které není výhodné přímo spalovat či jinak přímo energeticky využít (nízkoenergetické uhlí/hlušina, zbytky z výroby paliv a průmyslových provozů) nebo biomasa s nízkou výhřevností (zbytky zemědělské produkce, dřevní odpad, kůra, potravinářské zbytky, kaly, seno, sláma, otruby, rýžové slupky, listí apod.). Tento vstupní materiál je vložen do zásobníku 1, který je možné uzavřít (např.
- 7 CZ 310023 B6 vrchem plněná nádoba, silo). Materiál je postupně odebírán, nejlépe ze spodní části, pomocí dopravníku v požadovaném množství a je dopraven do torefakčního reaktoru 3. Zásobník 1 je možno naplnit inertním plynem, aby bylo zaručeno, že není v procesu od zásobníku 1 až po konečný výstup přítomen kyslík a nedošlo tak k hoření materiálu po celou dobu jeho zpracování. Materiál tedy postupuje torefakčním reaktorem 3, kde podstoupí proces torefakce s aditivací katalyzátorem pomocí prvního aditivačního zařízení 4 a dojde k změně jeho fyzikálně chemických vlastností. Materiál je vysušen a dojde k uvolnění části materiálu ve formě plynu o určitém složení, které závisí na parametrech procesu a složení vstupního materiálu. Obecně se jedná převážně o CO, CO2, menší množství CH4 a H2 a případně další nepatrné množství dalších plynů a uhlovodíků. Na výstupu z torefakčního reaktoru 3 je tedy možné separovat tuhý zbytek a plynnou frakci, která se procesem torefakce z materiálu uvolnila a kterou lze odvést k dalšímu zpracování.
Tuhý zbytek je vstupním materiálem pro následné pyrolýzní zpracování, který díky torefakci získal nové vlastnosti a byl energeticky zhodnocen. Zhodnocení spočívá v tzv. karbonizaci, kdy došlo ke zvýšení celkového podílu uhlíku ve složení materiálu, došlo k jeho vysušení a částečné změně struktury materiálu, který tak např. získává hydrofobní vlastnosti. Celková energetická hodnota takto zpracovaného materiálu je vyšší než u materiálu vstupního. Takto torifikovaný materiál může být podroben další aditivaci v mezikroku pomocí druhého aditivačního zařízení 6, což může probíhat formou zkrápění materiálu katalyzátorem v tekuté formě, případně fyzikálním míšením torifikovaného materiálu s katalyzátorem. Následně je možné torifikovaný materiál ještě zpracovat např. do formy pelet, nebo briket pro jejich lepší transport a manipulaci.
Torifikovaný materiál dále postupuje do procesu pyrolýzy, kde na materiál působí jiné procesní podmínky než během torefakce - především pak vyšší teplota např. v kombinaci s regulovatelnou dobou zdržení materiálu v pyrolýzním reaktoru 7, kde podstoupí proces pyrolýzy s aditivací katalyzátorem pomocí třetího aditivačního zařízení 8. Dochází znovu k energetickému zhodnocení materiálu za vzniku pyrolýzního tuhého zbytku, pyrolýzní kapaliny a pyrolýzního plynu s obsahem CO, CO2, H2 a CH4 a jiných plynů. Úkolem katalyzátoru je obohatit pyrolýzní plyn o methan na úkor vznikajícího CO2 a H2.
Po výstupu jak z torefakčního reaktoru 3, tak z pyrolýzního reaktoru 7 je složení plynu vzniklého torefakcí, resp. pyrolýzního plynu v reálném čase analyzováno pomocí prvního, resp. druhého analyzátoru 5, 9, např. analyzátoru Syngas analyzer 3100, Siemens FIDAMAT 6, Siemens CALOMAT 6, Siemens ULTRAMAT 6 a/nebo Master GC. Vzniklá vstupní data jsou vyhodnocena řídicí jednotkou 2, která následně zpětně-vazebně modifikuje kterýkoliv procesní parametr v kroku torefakce, v kroku pyrolýzy nebo v mezikroku mezi torefakcí a pyrolýzou.
Průmyslová využitelnost
Výše popsaný způsob, zařízení, použití, počítačový program [produkt] a počítačem čitelné médium či signál nosiče lze využít při energetickém zhodnocování biomasy a různých odpadních produktů.

Claims (19)

1. Způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem, obsahující následující kroky:
a. zavedení biomasy do alespoň jednoho torefakčního reaktoru (3);
b. torefakce biomasy při teplotě 50 °C až 400 °C a tlaku -50 kPa až +100 kPa v torefakčním reaktoru (3);
c. zavedení torifikované biomasy do alespoň jednoho pyrolýzního reaktoru (7); a
d. pyrolýza torifikované biomasy při teplotě 400 °C až 800 °C a tlaku -50 kPa až +100 kPa v pyrolýzním reaktoru (7) za vzniku pyrolýzního plynu obohaceného methanem s obsahem methanu 10 až 60 % obj., přičemž v pyrolýzním plynu je analyzován obsah methanu pomocí druhého analyzátoru (9) za vzniku vstupních dat, která jsou vyhodnocena řídicí jednotkou (2), přičemž během pyrolýzy v kroku d. je provedena aditivace biomasy katalyzátorem zvoleným ze skupiny sestávající z nanočástic niklu, nanočástic mědi, nanočástic kobaltu, nanočástic platiny, nanočástic palladia, nanočástic ruthenia, nanočástic rhodia, nanočástic molybdenu, nanočástic rtuti a rhodaminu 6G nebo jakékoliv jejich kombinace; a/nebo před pyrolýzou v kroku d., s výhodou během torefakce v kroku b. a/nebo po torefakci v kroku b. mimo torefakčního reaktoru (3), je provedena aditivace biomasy katalyzátorem zvoleným ze skupiny sestávající z nanočástic kobaltu, nanočástic platiny, nanočástic palladia, nanočástic ruthenia, nanočástic rhodia, nanočástic molybdenu, nanočástic rtuti, rhodaminu 6G a kombinace nanočástic niklu a kobaltu nebo jakékoliv jejich kombinace, vyznačující se tím, že v plynu vzniklém během torefakce v kroku b. je analyzován obsah methanu pomocí prvního analyzátoru (5) za vzniku vstupních dat, která jsou vyhodnocena řídicí jednotkou (2), přičemž řídicí jednotka (2) následně zpětně-vazebně modifikuje teplotu a/nebo tlak a/nebo dobu zdržení biomasy a/nebo množství zavedené biomasy a/nebo poměr jednotlivých složek biomasy v alespoň jednom torefakčním reaktoru (3) a/nebo v alespoň jednom pyrolýzním reaktoru (7) a/nebo množství přidaného katalyzátoru.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že katalyzátor je deponován na povrchu nosiče zvoleného ze skupiny sestávající z hlinitokřemičitanu, oxidu hlinitého, oxidu hořečnatého, oxidu titaničitého, oxidu ceričitého, oxidu zirkoničitého nebo jakékoliv jejich kombinace.
3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že katalyzátor obsahuje směs 12,0 až 13,0 % hmotn. nanočástic niklu a 1,5 až 2,5 % hmotn. nanočástic kobaltu vzhledem k nosiči.
4. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že katalyzátor obsahuje směs 7,0 až 8,0 % hmotn. nanočástic niklu, 7,0 až 8,0 % hmotn. nanočástic kobaltu a 0,1 až 0,5 % hmotn. nanočástic ruthenia vzhledem k nosiči.
5. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že katalyzátor obsahuje směs 10,0 až 11,0 % hmotn. nanočástic molybdenu a 1,0 až 2,0 % hmotn. nanočástic rtuti vzhledem k nosiči.
6. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že katalyzátor obsahuje 0,1 až 1,0 % hmotn. nanočástic platiny vzhledem k nosiči.
7. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že katalyzátor obsahuje 0,1 až 2,0 % hmotn. nanočástic mědi nebo palladia nebo rhodia vzhledem k nosiči.
8. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že katalyzátor obsahuje 0,05 až 0,30 % hmotn. rhodaminu 6G vzhledem k nosiči.
9. Způsob podle kteréhokoli z nároků 2 až 8, vyznačující se tím, že množství katalyzátoru deponovaného na nosiči je 0,1 až 5 mg na 1 g biomasy.
- 9 CZ 310023 B6
10. Způsob podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že torefakce biomasy v kroku b. nároku 1 probíhá v alespoň dvou torefakčních reaktorech (3) uspořádaných navzájem sériově nebo paralelně.
11. Způsob podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že pyrolýza torifikované biomasy v kroku d. nároku 1 probíhá v alespoň dvou pyrolýzních reaktorech (7) uspořádaných navzájem sériově nebo paralelně.
12. Způsob podle kteréhokoli z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že biomasa obsahuje traviny, dřeviny, seno, slámu, otruby, slupky, listí a/nebo odpad zemědělské produkce.
13. Zařízení pro provádění způsobu podle kteréhokoli z předcházejících nároků, obsahující:
a. alespoň jeden pyrolýzní reaktor (7) se vstupem torifikované biomasy, výstupem pyrolýzního zbytku a výstupem pyrolýzního plynu obohaceného methanem,
b. druhý analyzátor (9) pro analýzu obsahu methanu v pyrolýzním plynu za vzniku vstupních dat, a
c. řídicí jednotku (2) uzpůsobenou k vyhodnocení vstupních dat, vyznačující se tím, že dále obsahuje
d. alespoň jeden torefakční reaktor (3) se vstupem biomasy a výstupem torifikované biomasy, e. aditivační zařízení (4, 6, 8) pro aditivaci biomasy katalyzátorem, přičemž aditivační zařízení je uspořádáno v torefakčním reaktoru (3) jako injektážní zařízení (4) a/nebo v pyrolýzním reaktoru (7) jako injektážní zařízení (8) a/nebo mezi torefakčním a pyrolýzním reaktorem (3, 7) mimo obou reaktorů,
f. první analyzátor (5) pro analýzu obsahu methanu v plynu vzniklém torefakcí za vzniku vstupních dat, a
g. řídicí jednotku (2) dále uzpůsobenou ke zpětně-vazebné modifikaci podmínek v torefakčním reaktoru (3), aditivačním zařízení (4, 6, 8) a/nebo pyrolýzním reaktoru (7).
14. Zařízení podle nároku 13, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň dva torefakční reaktory (3) uspořádané navzájem paralelně nebo sériově.
15. Zařízení podle nároku 13 nebo 14, vyznačující se tím, že obsahuje alespoň dva pyrolýzní reaktory (7) uspořádané navzájem paralelně nebo sériově.
16. Zařízení podle kteréhokoliv z nároků 13 až 15, vyznačující se tím, že aditivační zařízení (6) uspořádané mezi torefakčním a pyrolýzním reaktorem (3, 7) mimo obou reaktorů je rozprašovací zařízení nebo míchací zařízení.
17. Počítačový program obsahující instrukce, které způsobí, že řídicí jednotka (2) zařízení podle kteréhokoliv z nároků 13 až 16 provede ve způsobu podle kteréhokoliv z nároků 1 až 12 následující kroky:
a. krok vyhodnocení vstupních dat vzniklých analýzou obsahu methanu v plynu vzniklém během torefakce a v pyrolýzním plynu; a
b. krok zpětně-vazebné modifikace teploty a/nebo tlaku a/nebo doby zdržení biomasy a/nebo množství zavedené biomasy a/nebo poměru jednotlivých složek biomasy v alespoň jednom torefakčním reaktoru (3) a/nebo v alespoň jednom pyrolýzním reaktoru (7) a/nebo množství přidaného katalyzátoru.
18. Počítačem čitelné médium, na kterém je uložen počítačový program podle nároku 17.
19. Signál nosiče nesoucí počítačový program podle nároku 17.
CZ2022-136A 2022-03-28 2022-03-28 Způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení k provádění tohoto způsobu CZ310023B6 (cs)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2022-136A CZ310023B6 (cs) 2022-03-28 2022-03-28 Způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení k provádění tohoto způsobu
PCT/CZ2022/050035 WO2022253366A1 (en) 2022-03-28 2022-03-30 Method of enrichment of a gas produced by torrefaction and pyrolysis of biomass with methane and apparatus for implementing the method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2022-136A CZ310023B6 (cs) 2022-03-28 2022-03-28 Způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení k provádění tohoto způsobu

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2022136A3 CZ2022136A3 (cs) 2023-10-11
CZ310023B6 true CZ310023B6 (cs) 2024-05-15

Family

ID=84322821

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2022-136A CZ310023B6 (cs) 2022-03-28 2022-03-28 Způsob obohacení plynu vzniklého torefakcí a pyrolýzou biomasy methanem a zařízení k provádění tohoto způsobu

Country Status (2)

Country Link
CZ (1) CZ310023B6 (cs)
WO (1) WO2022253366A1 (cs)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989008613A1 (en) * 1988-03-15 1989-09-21 Battelle Memorial Institute Method for catalytic destruction of organic materials
US20100228062A1 (en) * 2009-03-05 2010-09-09 G4 Insight Inc. Process and system for thermochemical conversion of biomass
US20120315681A1 (en) * 2010-02-11 2012-12-13 Johan Van Walsem Process For Producing A Monomer Component From A Genetically Modified Polyhydroxyalkanoate Biomass
WO2017051008A1 (en) * 2015-09-25 2017-03-30 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Conversion of biomass into methane
EP3470386A1 (en) * 2017-10-11 2019-04-17 Energies Tèrmiques Bàsiques, SL Method for treating the biomass of lignocellulosic agricultural waste and/or waste containing phenolic functional groups

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1989008613A1 (en) * 1988-03-15 1989-09-21 Battelle Memorial Institute Method for catalytic destruction of organic materials
US20100228062A1 (en) * 2009-03-05 2010-09-09 G4 Insight Inc. Process and system for thermochemical conversion of biomass
US20120315681A1 (en) * 2010-02-11 2012-12-13 Johan Van Walsem Process For Producing A Monomer Component From A Genetically Modified Polyhydroxyalkanoate Biomass
WO2017051008A1 (en) * 2015-09-25 2017-03-30 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Conversion of biomass into methane
EP3470386A1 (en) * 2017-10-11 2019-04-17 Energies Tèrmiques Bàsiques, SL Method for treating the biomass of lignocellulosic agricultural waste and/or waste containing phenolic functional groups

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUIYAN ZHANG, SHANSHAN SHAO, YANG JIANG, VITIDSANT T., REUBROYCHAROEN P.: "Improving hydrocarbon yield by two-step pyrolysis of pinewood in a fluidized-bed reactor", FUEL PROCESSING TECHNOLOGY, vol. 159, 2017, ISSN: 0378-3820 *

Also Published As

Publication number Publication date
CZ2022136A3 (cs) 2023-10-11
WO2022253366A1 (en) 2022-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Kinetic and energy production analysis of pyrolysis of lignocellulosic biomass using a three-parallel Gaussian reaction model
Hu et al. Combustion behaviors of three bamboo residues: gas emission, kinetic, reaction mechanism and optimization patterns
Reza et al. Behavior of selected hydrolyzed and dehydrated products during hydrothermal carbonization of biomass
Sarkar et al. Gasification performance of switchgrass pretreated with torrefaction and densification
Cabuk et al. Effect of fuel blend composition on hydrogen yield in co-gasification of coal and non-woody biomass
Yin et al. Influence of particle size on performance of a pilot-scale fixed-bed gasification system
Couhert et al. Is it possible to predict gas yields of any biomass after rapid pyrolysis at high temperature from its composition in cellulose, hemicellulose and lignin?
Park et al. Pyrolysis characteristics of Oriental white oak: kinetic study and fast pyrolysis in a fluidized bed with an improved reaction system
Dudyński et al. Biomass gasification: Influence of torrefaction on syngas production and tar formation
Ma et al. Gasification of Rice Husk in a Downdraft Gasifier: The Effect of Equivalence Ratio on the Gasification Performance, Properties, and Utilization Analysis of Byproducts of Char and Tar.
Mei et al. Torrefaction of cedarwood in a pilot scale rotary kiln and the influence of industrial flue gas
Kalogiannis et al. Catalyst deactivation, ash accumulation and bio-oil deoxygenation during ex situ catalytic fast pyrolysis of biomass in a cascade thermal-catalytic reactor system
Fassinou et al. Pyrolysis of Pinus pinaster in a two-stage gasifier: Influence of processing parameters and thermal cracking of tar
Park et al. Effects of the operating parameters on the production of bio-oil in the fast pyrolysis of Japanese larch
Morgano et al. Screw pyrolysis with integrated sequential hot gas filtration
Yan et al. Effects of pyrolysis conditions on yield of bio-chars from pine chips
Wang et al. Oxidative torrefaction of spruce-pine-fir sawdust in a slot-rectangular spouted bed reactor
DK3132004T3 (en) Plant and process for thermocatalytic treatment of material and thus produced pyrolysis oil
Chen et al. Studies of fast co-pyrolysis of oil shale and wood in a bubbling fluidized bed
Marculescu et al. Wine industry waste thermal processing for derived fuel properties improvement
Tokmurzin et al. High temperature flash pyrolysis characteristics of waste plastics (SRF) in a bubbling fluidized bed: effect of temperature and pelletizing
Márquez-Montesino et al. Pyrolytic degradation studies of Acacia mangium wood
Cross et al. Bubbling fluidized bed gasification of short rotation Eucalyptus: Effect of harvesting age and bark
Wu et al. Influence of torrefaction as pretreatment on the fast pyrolysis of sugarcane trash
Cheng et al. Pyrolysis of ramie residue: kinetic study and fuel gas produced in a cyclone furnace