RO134445B1 - Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici - Google Patents

Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici Download PDF

Info

Publication number
RO134445B1
RO134445B1 RO202000266A RO202000266A RO134445B1 RO 134445 B1 RO134445 B1 RO 134445B1 RO 202000266 A RO202000266 A RO 202000266A RO 202000266 A RO202000266 A RO 202000266A RO 134445 B1 RO134445 B1 RO 134445B1
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
gasification
pyrolysis
reactor
metal
organic
Prior art date
Application number
RO202000266A
Other languages
English (en)
Other versions
RO134445A0 (ro
Inventor
Costin-Marian Frâncu
Bogdan-Sabin Frâncu
Original Assignee
Bogdan-Sabin Frâncu
Costin-Marian Frâncu
Frâncu Marius-Andrei
Frâncu Vlad
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 Bogdan-Sabin Frâncu, Costin-Marian Frâncu, Frâncu Marius-Andrei, Frâncu Vlad filed Critical Bogdan-Sabin Frâncu
Priority to RO202000266A priority Critical patent/RO134445B1/ro
Publication of RO134445A0 publication Critical patent/RO134445A0/ro
Priority to CA3193438A priority patent/CA3193438A1/en
Priority to US18/246,249 priority patent/US20240010941A1/en
Priority to PCT/RO2021/050005 priority patent/WO2021235963A1/en
Priority to EP21730303.1A priority patent/EP4153701A1/en
Publication of RO134445B1 publication Critical patent/RO134445B1/ro

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/72Other features
    • C10J3/723Controlling or regulating the gasification process
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/466Entrained flow processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J6/00Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
    • B01J6/008Pyrolysis reactions
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09BDISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/40Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless involving thermal treatment, e.g. evaporation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B09DISPOSAL OF SOLID WASTE; RECLAMATION OF CONTAMINATED SOIL
    • B09BDISPOSAL OF SOLID WASTE NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B09B3/00Destroying solid waste or transforming solid waste into something useful or harmless
    • B09B3/70Chemical treatment, e.g. pH adjustment or oxidation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10BDESTRUCTIVE DISTILLATION OF CARBONACEOUS MATERIALS FOR PRODUCTION OF GAS, COKE, TAR, OR SIMILAR MATERIALS
    • C10B47/00Destructive distillation of solid carbonaceous materials with indirect heating, e.g. by external combustion
    • C10B47/18Destructive distillation of solid carbonaceous materials with indirect heating, e.g. by external combustion with moving charge
    • C10B47/20Destructive distillation of solid carbonaceous materials with indirect heating, e.g. by external combustion with moving charge according to the moving bed type
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/46Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48Apparatus; Plants
    • C10J3/482Gasifiers with stationary fluidised bed
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • C10J3/60Processes
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J3/00Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
    • C10J3/58Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels combined with pre-distillation of the fuel
    • C10J3/60Processes
    • C10J3/64Processes with decomposition of the distillation products
    • C10J3/66Processes with decomposition of the distillation products by introducing them into the gasification zone
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0272Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a non-catalytic decomposition step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0833Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00Details of gasification apparatus
    • C10J2200/15Details of feeding means
    • C10J2200/152Nozzles or lances for introducing gas, liquids or suspensions
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2200/00Details of gasification apparatus
    • C10J2200/39Gasifiers designed as centrifuge
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00Details of gasification processes
    • C10J2300/09Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0913Carbonaceous raw material
    • C10J2300/0946Waste, e.g. MSW, tires, glass, tar sand, peat, paper, lignite, oil shale
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00Details of gasification processes
    • C10J2300/09Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953Gasifying agents
    • C10J2300/0956Air or oxygen enriched air
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00Details of gasification processes
    • C10J2300/09Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
    • C10J2300/0953Gasifying agents
    • C10J2300/0973Water
    • C10J2300/0976Water as steam
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10JPRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
    • C10J2300/00Details of gasification processes
    • C10J2300/12Heating the gasifier
    • C10J2300/1246Heating the gasifier by external or indirect heating

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
  • Treatment Of Sludge (AREA)

Description

Prezenta invenție se referă la un procedeu și o instalație de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanțe și compuși organici de genul deșeurilor de biomasă, forestiere, deșeuri urbane solide și lichide, nămoluri de la stațiile de epurare a apelor menajere etc.
Gazeificarea este un proces fizico-chimic de transformare ireversibilă a compușilor organici solizi/lichizi/gazoși într-un gaz de sinteză care conține în principal H2, CO și CO2. Fenomenul fizic este cunoscut de peste 300 de ani iar aplicații industriale în principal în domeniile energetic și petrochimie există de 150 de ani.
Literatura de specialitate scindează procesul de gazeificare în 2 etape distincte:
1. Etapa endotermă, numită Piroliza.
2. Etapa exotermă, numită Gazeificare.
Etapa 1. Piroliza, este un procedeu de transformare sau de descompunere termică a compușilor sau a substanțelor chimice organice în condiții de temperaturi înalte și fără oxigen/aer. Acest procedeu implică schimbarea simultană a compoziției chimice și a fazei fizice a compusului, și este ireversibilă. în principiu, în această etapă, datorită temperaturii se rup majoritatea legăturilor carbon-hidrogen. Rezultatul este o fază gazoasă formată din hidrogen și compușii volatili ai materialelor supuse pirolizei, o fază lichidă care este un amestec de hidrocarburi și radicali organici numită generic „ulei de piroliză și o fază solidă formată în principal din carbon, resturi minerale și metale funcție de compoziția materialului inițial. Ruperea legăturii carbon-hidrogen are loc la o temperatură fixă funcție de formula chimică a compusului organic și este o caracteristică fizică a compusului respectiv. Domeniul de temperaturi este 200-1250°C, cu o pondere mare de compuși pirolizați în domeniu 200-600°C.
Etapa 2. Gazeificarea, constă în principal în transformarea carbonului solid în gaz prin oxidare parțială la temperaturi mai mari 850°C, conform următoarelor reacții exoterme:
C + 1/2O2 = CO - 123,1 Kj/Kmol carbon
C + O2 = CO2 - 398,3 Kj/Kmol carbon
Cele 2 etape au loc într-un reactor comun, în care energia termică produsă în reacțiile exoterme de oxidare a carbonului este în mare parte consumată pentru încălzirea materialelor organice în faza 1 de piroliză. Singazul rezultat conține 5-100 mg/m3 macromolecule organice cu peste 100 de formule chimice diferite, amestec numit generic „gudroane.
Toate brevetele de invenție, studiile academice, instalațiile experimentale sau instalațiile industriale de gazeificare actuale, prevăd introducerea materiei prime la temperatură ambiantă în reactorul de gazeificare pentru a crea un pat fix, mobil sau fluidizat. Prin patul de materie primă este trecut updraft, downdraft sau crossdraft, singazul cald rezultat în reacțiile exoterme din zona de gazeificare pentru a încălzi materia primă și a o aduce la parametrii de piroliză.
US 006902711 B1 prezintă un procedeu și un echipament cu aplicare industrială, dezvoltat de EBARA Corporation și UBE Industries din Japonia. Brevetul prezintă un proces de gazeificare cu pat fluidizat în 2 reactoare, primul cu temperaturi sub 800°C și al doilea cu temperaturi peste 1300°C.
US 2010/0037519 A1 prezintă un procedeu și o instalație de gazeificare downdraft, cu pat fix. Pentru diminuarea fenomenului de „channeling reactorul este prevăzut cu un amestecător central, ceea ce conduce la creșterea consumului energetic și complică operarea și mentenanța.
Din punct de vedere fizic, conceptul tehnicii actuale prevede schimbul de căldură prin convecție și radiație între un gaz preponderent biatomic, care din punct de vedere al radiației este un corp transparent iar din punct de vedere al convecție este un material izolant, către un pat eterogen de materiale organice care din punct de vedere conducție și convecție sunt materiale izolatoare, cu coeficient de conducție termică mai mic de 0,1 W/m-K.
RO 134445 Β1 în cadrul studiilor și experimentelor inventatorilor privind gazeificarea diferitelor 1 amestecuri de materiale organice, aceștia au observat o deficiență majoră în ceea ce privește modalitatea de transfer a energiei termice între agentul de transport al energiei 3 termice și patul de materie organică aflat în zona de piroliză. în mod natural gazul de sinteză se va deplasa în masa patului de material organic prin spațiile libere rămase între bucățile 5 de material, fără posibilitatea operatorului de a controla altceva decât eventual viteză de deplasare. La limită, avem deci un „tub cu pereții din material organic cu coeficient de 7 transfer termic prin conducție <0,1 W/m-K prin care se deplasează un gaz preponderent biatomic, cu temperatură mai mare decât pereții tubului. Din punct de vedere al transferului 9 prin radiație, gazul biatomic este corp transparent, deci nu primește și nu cedează energie termică. Prin convecție, gazul va ceda energie termică la perete, energie care se va acumula 11 în suprafață datorită coeficientului mic de conducție al pereților din material organic. Astfel moleculele organice din suprafață vor ajunge la temperatura critică de rupere a legăturii 13 carbon-hidrogen, hidrogenul va fi antrenat în fluxul de gaz, iar carbonul se va acumula în suprafață îngreunând și mai mult transferul termic către masa de material. Aceste fenomene 15 nedorite de channelling sunt eliminate în procedeele de gazeificare cu pat fluidizat, dar eficiența transferului termic este mult scăzută față de procedeele cu pat fix datorită vitezelor 17 mari ale gazelor, impuse de condiția de levitație a patului fluidizat. Noile procese „bubbling fluidised bed - pat fluidizat cu bule - îmbunătățesc transferul termic prin convecție și aduc 19 o mică componentă de transfer prin radiație, dar cresc consumurile energetice și complică foarte mult procesul prin introducerea și recuperarea unor cantități mari de nisip cuarțos în 21 masa de material organic ca agent de fluidizare.
Problemele tehnice pe care le rezolvă prezenta invenție sunt: 23
- eliminarea fenomenelor de „channeling în patul de materie primă organică;
- mărirea randamentului de transport și transfer a energiei termice din zona exotermă 25 în zona endotermă;
- mărirea randamentului de transformare a carbonului solid în gaze CO și CO2 cu 27 consecința reducerii carbonului rezidual în zgură.
Scopul invenției este: 29
- eliminarea patului de materie primă organică;
- schimbarea agentului de transport al energiei termice precum și a fenomenului fizic 31 utilizat pentru transferul energiei termice către materia primă organică;
- controlul fluxului de agent de gazeificare astfel încât în prima fază să creeze o 33 curgere turbionară, iar în a doua fază să creeze o curgere laminară cu viteză mică. Aceste două modalități de curgere ale agentului de gazeificare vor facilita contactul între moleculele 35 de gaz și atomii de carbon solid.
Prezenta invenție constă într-un procedeu de gazeificare fără pat de piroliză/gazei- 37 ficare care permite gazeificarea amestecurilor eterogene de materiale organice.
Conform fig. 1, materia primă organică este introdusă la temperatură ambiantă în 39 reactoarele de piroliză - poziția 2 - și este încălzită gradual, până la 800°C, prin punte termică metalică, cu energia termică produsă în reactorul de gazeificare 1. Rezultatele pirolizei, 41 respectiv fracțiile gazoasă, lichidă și solidă sunt transferate în reactorul de gazeificare unde la temperaturi de până la 1100°C, cu agent de gazeificare aer sau oxigen se produc reacțiile 43 exoterme de transformare a carbonului solid în CO și CO2, componente gazoase. Fracția solidă rămasă în reactorul de gazeificare, care conține în principal molecule și elemente 45 minerale provenite din compoziția chimică a lanțurilor de macromolecule organice, este separată de fracția gazoasă și eliminată printr-un sistem ecluză format din robinetul 3 și 47 containerul 4.
RO 134445 Β1
Procedeul conform prezentei invenții constă în transportul energiei termice din zona de gazeificare exotermă (fig. 1 poziția 1) în zona de piroliză endotermă (fig. 1 poziția 2), prin puntea termică metalică formată, conform fig. 4, din pereții reactorului de gazeificare (poziția 1 și 12) și incinta metalică 2 în care este poziționat reactorul de piroliză, flanșa și pereții exteriori ai reactorului de piroliză, respectiv pozițiile 1-5 din fig. 2 . Din punct de vedere fizic, agentul de transfer al energiei termice cu coeficient de conducție termică 0,02-0,1 W/m-K, respectiv singazul, este înlocuit cu o punte termică metalică cu coeficient de conducție mai mare de 45 W/m-K, deci de 400-1000 de ori mai mare și în plus cu capacitatea de a transfera energie termică prin convecție și radiație, nu doar prin convecție. Acest nou procedeu va mări semnificativ eficiența transportului energiei termice din zona exotermă în zona endotermă fără pierderi energetice suplimentare și va mări eficiența transferului energiei termice către masa de materie primă organică cu eliminarea fenomenului de channeling. în plus, puntea termică formată din pereții reactoarelor de piroliză și gazeificare va funcționa ca un acumulator de energie termică care va livra energia în funcție de capacitatea de absorbție a masei eterogene de materiale organice. Altfel spus, în tehnica actuală, singazul cald, purtător al unei cantități de energie termică, în mișcare către ieșirea din reactorul de gazeificare, trece prin patul de materiale organice mai reci și cedează căldură funcție de capacitatea de absorbție a materialelor întâlnite în timpul de rezidență. La final, singazul părăsește gazeificatorul cu energia termică rămasă. Conform procedeului descris în prezenta invenție, energia termică este transportată prin pereții metalici ai reactoarelor până la suprafețele metalice fixe prin care se face schimbul de căldură către materia primă organică în mișcare, în acest fel, fiecare bucată de material organic, în mișcare prin reactorul de piroliză, absoarbe câtă energie îi permit proprietățile sale fizice. Acest nou procedeu de transport al energiei termice precum și proprietatea de acumulator de energie al pereților metalici, permite tratarea simultană a unor materiale organice cu proprietăți fizice diferite și implicit cu conținut de apă diferit. Pe cale de consecință, materia primă nu mai trebuie uscată pentru omogenizare, ci poate fi procesată așa cum este, indiferent de conținutul de apă. Evident, materialele cu procent ridicat de apă vor absorbi din pereți mai multă energie și vor produce în reactorul de gazeificare o cantitate corespunzătoare de abur ceea ce va corespunde în procesul de gazeificare cu o reducere a necesarului de abur furnizat din exterior ca agent de control al temperaturii, deci costuri de procesare mai mici.
Procedeul descris în prezenta invenție realizează transferul controlat al energiei termice prin convecție forțată și prin radiație între pereții metalici ai reactoarelor și materialul organic în mișcare controlată. Conform studiilor experimentale, la deplasarea cu viteze mici a unui solid organic în contact cu un perete metalic cald, după 10 cm suprafața solidului organic se dopează cu carbon molecular și fluxul termic Φ tinde la zero. Conform acestei observații, procedeul conform prezentei invenții prevede schimbarea suprafeței de contact dintre materialul organicîn mișcare cu viteze mici și peretele metalic cu temperatură ridicată, după fiecare 10 cm parcurși.
O altă observație experimentală importantă este că pentru a încălzi 1 Kg de amestec organic provenit din deșeuri urbane solide cu 700°C este necesară o energie termică de 1600-2200 Kj/Kg, funcție de compoziția chimică și conținutul de apă al materiei prime. Această ultimă condiție este folosită pentru determinarea suprafeței de contact necesară și a vitezei de deplasare, funcție de valorile minime ale coeficienților λ/α de transfer termic prin conducție/convecție ai materiei prime organice. Cu cât coeficienții λ și a sunt mai mici, trebuie mărită suprafața totală de contact metal-material organic, păstrând condiția ca la fiecare 10 cm pe direcția de deplasare a materialului organic să se schimbe suprafața de contact.
RO 134445 Β1
Prin schimbarea agentului de transport al energiei termice și absența patului de 1 material organic, procedeul de gazeificare se simplifică semnificativ, ceea ce permite un control eficient al vitezei singazului și implicit al timpului de rezidență pentru micșorarea 3 procentului de carbon rezidual rămas în zgură. Deși la temperaturi mai mari de 900°C oxidarea carbonului este instantanee, s-a observat în practică o limită a timpului de contact 5 dintre carbonul solid și oxigenul gazos sub care crește procentul de carbon rezidual în zgură. Altfel spus, deși oxidarea este instantanee, la viteze relative crescute între fluxul de agent 7 de gazeificare/singaz și materialele solide din reactorul de gazeificare, rămâne carbon neoxidat în zgură. Acest fenomen apare dacă carbonul nu se întâlnește cu oxigenul. Este 9 cunoscut că volumul molar al carbonului este de ordinul 0,00000529 dm3/mol iar volumul molar al oxigenului este de ordinul 22,42 dm3/mol ceea ce înseamnă că distanța dintre 11 2 molecule de oxigen este de 4.000.000 de ori mai mare decât distanța dintre 2 atomi de carbon. în aceste condiții, într-o curgere laminară a oxigenului este necesară o viteză foarte 13 mică pentru a obține contactul aleator doar datorită agitației browniană a gazului. Procedeul de gazeificare conform prezentei invenții (fig. 4) constă în incinta 1 în care agentul de gazeifi- 15 care este amestecat prin curgere turbionară, datorită poziționării duzelor 4, cu carbonul solid pentru a facilita amestecul și contactul. Aburul este de preferat să fie introdus împreună cu 17 oxigenul, deoarece moleculele de apă sunt mai ușoare dar mai mari iar amestecul facilitează curgerea turbionară. Din incinta turbionară carbonul solid neoxidat și materialele minerale 19 cad pe un grătar rotitor (fig. 3) unde sunt în contact laminar cu amestecul de singaz și oxigen. Această zonă constituie a doua zonă de oxidare a carbonului în condiții de curgere 21 laminară la viteză mică.
Pentru simplificarea etanșărilor în zona de alimentare cu materie primă a pirolizei, 23 procesul de piroliză și gazeificare se va desfășura la presiuni mici în domeniul -0,5-^2 bar. Agentul de gazeificare poate fi aer sau oxigen, însoțit de abur pentru controlul temperaturii 25 prin reacții endoterme. Datorită materiei prime eterogene, procesul este controlat printr-un soft de proces, care permite reglarea în timp real a parametrilor de proces în funcție de 27 parametrii de stare.
Procedeul conform prezentei invenții, are flexibilitate foarte mare în ceea ce privește 29 proprietățile fizico-chimice ale materiei prime și permite practic procesarea oricărui tip de deșeu organic, inclusiv dar nu limitativ, de la deșeuri din agricultură, deșeuri forestiere, 31 deșeuri municipale și asimilate și nămol de la stațiile de epurare a apelor reziduale municipale. Dat fiind faptul că procedeul poate procesa materiale organice eterogene fără deversări 33 de gaze în mediul ambiental, acest procedeu poate fi aplicat procesării materialelor organice contaminate din categoria „periculoase fără modificări de procedeu. De asemenea procesul 35 poate fi controlat pentru obținerea singazului cu compoziție condiționată, pornind de la un procent nesemnificativ de CO, care permite obținerea de hidrogen tehnic pur, la diferite 37 rapoarte CO/H2 pentru aplicații ulterioare în energetică sau petrochimie.
Pentru aplicarea procedeului prezentat și îndeplinirea tuturor condițiilor tehnice, 39 prezenta invenție utilizează instanțiile prezentate în fig. 1...4.
în fig. 1, este prezentat reactorul de gazeificare 1 de formă cilindrică, detaliat în fig. 3 41 și 4, în care sunt fixate mecanic unul sau mai multe reactoare de piroliză (poziția 2). Mărirea capacității de procesare se face de preferință prin mărirea numărului de reactoare de piroliză 43 și mărirea dimensională a reactorului de gazeificare. Eliminarea zgurii se realizează prin intermediul sistemului de ecluză format din robinetul 3 și containerul 4. 45 în fig. 2, este prezentat reactorul de piroliză care are formă cilindrică și este prevăzut cu flanșa metalică 6 pentru conectare la sistemul de alimentare cu materie primă organică 47 și flanșa metalică 5 pentru conectare la incinta cilindrică corespunzătoare prevăzută în
RO 134445 Β1 reactorul de gazeificare fig. 4 poziția 2). Prezenta invenție nu tratează procedeul și instalația de alimentare. Funcție de parametrii procesului de gazeificare poate fi folosit un echipament de alimentare în șarje cu piston hidraulic sau un sistem de alimentare continuu cu șnec de presiune și pas variabil. în ambele situații, echipamentul de alimentare va trebui să permită controlul vitezei de deplasare a materiei prime organice la intrarea în reactorul de piroliză în domeniul 10-30 mm/s. Prin intermediul flanșei 5 se realizează puntea termică cu incinta cilindrică care transportă energia termică din zona exotermă a reactorului de gazeificare (figura 1 poziția 1) și din pereții reactorului către reactorul de piroliză (fig. 1 poziția 2). Prin intermediul flanșelor de conectare, energia termică este transferată prin conducție de la reactorul de gazeificare la reactorul de piroliză. în plus, datorită formei constructive, incinta cilindrică metalică (fig. 4 poziția 2) cu temperatură ridicată transmite energie termică și prin radiație pe toată lungimea sa către reactorul de piroliză (fig. 1 poziția 2) care datorită afluxului continuu de materie primă rece, are temperatură mai scăzută. Din motive de mentenanță, reactorul este format din patru sau mai multe secțiuni cilindrice asamblate filetat (fig. 2 pozițiile 1-4), formând un corp comun. Fiecare tronson cilindric (fig. 2 pozițiile 1-4) conține două grupuri de lamele metalice înalte de 10 cm dispuse astfel încât materia primă organică, în deplasarea sa cu viteză de maximum 30 mm/s în lungul axei cilindrului (fig. 2 pozițiile 1-4), să intre în contact cu lamelele metalice, de fiecare dată, pe alte suprafețe ale materialului organic. Pentru un transfer termic optim prin puntea termică metalică, lamelele sunt sudate de corpul cilindric, iar pentru rezistență la coroziune sunt produse din oțel inox. Din motive de fluidizare a deplasării materialului organic în lungul reactorului de piroliză, distanța dintre lamele se dimensionează astfel încât suprafața de trecere minimă să fie de 2-3 ori mai mare decât dimensiunea maximă la care a fost tocată materia primă.
Datorită coeficientului de transfer termic prin conducție mic, procesul de piroliză a materialelor organice poate fi considerat un proces de suprafață. Teoretic, pentru micșorarea timpului de rezidență și mărirea eficienței transferului energiei termice în masa de material organic, materia primă solidă ar trebui tocată la dimensiuni comparabile dimensiunilor moleculare. în practică, tocarea materialelor organice solide la dimensiuni mai mici de 2-3 cm este neeconomică. Această realitate practică conduce la limitarea inferioară a diametrului interior al reactorului de piroliză. Limita superioară a diametrului interior este influențată de dimensiunile reactorului de gazeificare. Din aceste 2 condiții, diametrul interior al reactorului de piroliză este limitat în domeniul 200-500 mm, ceea ce conduce la o capacitate de procesare 0,8-2,5 t/h. în cazul în care este necesară o capacitate de procesare mai mare, într-un gazeificator pot fi montate mai multe reactoare de piroliză.
în continuare este prezentat un exemplu practic de instalație pentru aplicarea procedeului descris.
Exemplu
Reactorul de piroliză prezentat în fig. 2 este un reactor cu diametrul interior de 240 mm care poate procesa 0,8-1 t/h deșeuri municipale solide din categoriile nepericuloase și periculoase indiferent de procentul de apă conținut. Reactorul conține 8 seturi de lamele metalice cu înălțimea de 10 cm sudate la peretele cilindric exterior pentru preluarea energiei termice prin conducție și realizarea transferului termic prin convecție către materia primă organică. Suprafața totală de contact a celor 8 seturi de lamele însumează 1,6 m2. între seturile de lamele este o distanță de 4 cm pentru reașezarea și omogenizarea fluxului de material organic. în cadrul experimentelor proprii s-au testat viteze de deplasare a materialelor organice de 10 până la 30 mm/s. S-a obținut o distribuție relativ uniformă a temperaturii pe lamelele de contact, de la 100°C la intrarea în reactor la 800°C pe ultimul set de lamele, fenomen explicabil datorită sistemului de alimentare și distribuție a energiei termice precum și a energiei absorbită de materia primă organică introdusă în proces.
RO 134445 Β1
Fig. 3 prezintă reactorul de gazeificare. 1
Reactorul de gazeificare are o formă originală, adaptată procedeului și noilor condiții funcționale, prezentat în fig. 3, cu detalii ale părții centrale prezentate în fig. 4. 3
Principalele deosebiri față de instalațiile existente sunt:
- lipsește patul fix, mobil sau fluidizat de materie primă organică caracteristic tuturor 5 instalațiilor de gazeificare;
- materia primă procesată în reactorul de gazeificare nu mai este material organic ci 7 fazele solidă, lichidă și gazoasă provenite din reactorul de piroliză;
- în partea centrală (fig. 4) se observă incinta turbionară (secțiunea „A, poziția 1) 9 unde este introdus agentul de gazeificare (aer sau oxigen) și abur prin intermediul unui sistem de duze (poziția 4) care creează un curent turbionar ascendent. Alimentarea cu abur 11 trece prin peretele camerei turbionare pentru supraîncălzire funcție de regimul de lucru al gazeificatorului. în acest mod peretele camerei turbionare preia și funcția de generator de 13 abur cu capacitate variabilă, adaptată la necesarul de abur funcție de compoziția chimică a materiei prime. 15
Restul gazeificatorului, grătarul (fix sau mobil), evacuarea zgurii și evacuarea singazului sunt elemente uzuale conform tehnicilor cunoscute. Reactorul de gazeificare în 17 totalitate este realizat cu dubla cămașă pentru răcire cu apă/abur, din oțel inox fără izolații termice interioare. La exterior, reactorul este acoperit cu termoizolație din vată minerală 19 pentru reducerea pierderii de energie termică în exterior.
Acest reactor de gazeificare cu diametrul interior de 2 m, echipat cu 2 reactoare de 21 piroliză cu diametrul interior de 240 mm, are o capacitate de procesare de aproximativ 2 t/h amestec de materiale organice din categoriile nepericuloase și/sau periculoase, cu conținut 23 de apă până la 50% procent de masă. Funcție de utilizarea finală a gazului de sinteză, cantitatea de aer și abur poate fi controlată pentru obținerea unui raport H2/CO între 0,9 și 25 100. Randamentul minim de oxidare a carbonului este de 90%.

Claims (10)

  1. Revendicări
    1. Procedeu de tratare a amestecurilor eterogene de substanțe și compuși organici solizi și lichizi prin gazeificare, caracterizat prin aceea că, cuprinde următoarele etape:
    - materia primă organică în amestec eterogen este încălzită treptat până la 900...1000°C prin convecție și radiație termică, fiind menținută în contact cu suprafețe metalice care transportă energia termică prin conducție din zona exotermă a reactorului de gazeificare;
    - fazele solidă, lichidă și gazoasă, rezultate din procesul de piroliză sunt transferate gravitațional în reactorul de gazeificare unde sunt amestecate cu agentul de gazeificare, respectiv aer/oxigen și abur, care sunt introduse în curgere turbionară pentru facilitarea contactului dintre fazele solide/lichide și gazoase; în care fiecare etapă are control independent al parametrilor de proces în funcție de parametrii de stare ai amestecului de intrare, nu exista pat de materie primă organică în fluxul procedeului și cele două etape ale procedeului sunt în flux continuu, fără etape intermediare de acumulare.
  2. 2. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, transportul energiei termice din zona exotermă în zona endotermă se realizează prin punte termică metalică.
  3. 3. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, în zona endotermă schimbul de energie termică se realizează prin convecție forțată și radiație între pereți metalici ficși și un flux de materiale organice în amestec eterogen.
  4. 4. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, suprafețele metalice care cedează energie termică sunt așezate în fluxul de materiale organice în poziții fixe, diferite, astfel încât suprafața de contact să se schimbe după fiecare 5...20 cm parcurși în interiorul reactorului de piroliză.
  5. 5. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, fiecare grup de lamele metalice din interiorul pirolizorului formează 2...8 plane de separație în fluxul de materie primă organică, plane de separație diferite față de planele de separație ale grupurilor de lamele adiacente.
  6. 6. Procedeu conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că, în etapa de gazeificare, oxidarea carbonului se produce în 2 incinte diferite, în cascadă, prima incintă cu curgere turbulentă și a doua cu curgere laminară.
  7. 7. Instalație de tratare a amestecurilor eterogene de substanțe și compuși organici solizi și lichizi prin gazeificare conform procedeului descris în revendicarea 1, caracterizată prin aceea că, este constituită din:
    - unul sau mai multe reactoare de piroliză fixe, poziționate în incinte corespunzătoare create în reactorul de gazeificare, astfel încât prin contact metal pe metal să se creeze punți termice metalice, care să transporte energia termică din zona exotermă a reactorului de gazeificare în zona endotermă a reactorului de piroliză;
    - un reactor de gazeificare în care produsele de piroliză sunt transferate gravitațional și sunt procesate în două incinte succesive, prima cu curgere turbionară și a doua cu curgere laminară a agentului de gazeificare, respectiv aer/oxigen și abur.
  8. 8. Instalație conform revendicării 7, caracterizată prin aceea că, reactorul de piroliză de formă cilindrică sau prismatică, de preferință cilindrică, are în interior, poziționate transversal prin sudură la pereții exteriori, 4...14 grupuri de lamele metalice cu înălțime de 5-20 cm, de preferință 10 cm, astfel încât planurile de separație realizate de fiecare grup să fie diferite de planurile de separație ale grupurilor adiacente.
    RO 134445 Β1
  9. 9. Instalație conform revendicării 7, caracterizată prin aceea că, reactorul de 1 gazeificare nu are pat de materie primă organică.
  10. 10. Instalație conform revendicării 7, caracterizată prin aceea că, reactorul de 3 gazeificare conține un sistem de duze pentru introducerea aerului/oxigenului și a aburului astfel încât în incinta turbionară să se realizeze un curent turbionar ascendent care va mări 5 timpul de rezidență al produselor de piroliză și va mări eficiența oxidării carbonului.
RO202000266A 2020-05-18 2020-05-18 Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici RO134445B1 (ro)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RO202000266A RO134445B1 (ro) 2020-05-18 2020-05-18 Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici
CA3193438A CA3193438A1 (en) 2020-05-18 2021-04-04 Method and installation for gasification of heterogenic mixtures of organic substances and compounds
US18/246,249 US20240010941A1 (en) 2020-05-18 2021-04-04 Method and installation for gasification of heterogenic mixtures of organic substances and compounds
PCT/RO2021/050005 WO2021235963A1 (en) 2020-05-18 2021-04-04 Method and installation for gasification of heterogenic mixtures of organic substances and compounds
EP21730303.1A EP4153701A1 (en) 2020-05-18 2021-04-04 Method and installation for gasification of heterogenic mixtures of organic substances and compounds

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RO202000266A RO134445B1 (ro) 2020-05-18 2020-05-18 Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO134445A0 RO134445A0 (ro) 2020-09-30
RO134445B1 true RO134445B1 (ro) 2021-06-30

Family

ID=72659490

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RO202000266A RO134445B1 (ro) 2020-05-18 2020-05-18 Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240010941A1 (ro)
EP (1) EP4153701A1 (ro)
CA (1) CA3193438A1 (ro)
RO (1) RO134445B1 (ro)
WO (1) WO2021235963A1 (ro)

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1599398A (en) * 1978-04-27 1981-09-30 Humphreys & Glasgow Ltd Fluidised beds and their operation
DE19747324C2 (de) * 1997-10-28 1999-11-04 Bodo Wolf Vorrichtung zur Erzeugung von Brenn-, Synthese- und Reduktionsgas aus nachwachsenden und fossilen Brennstoffen, Biomassen, Müll oder Schlämmen
FI126357B (en) * 2014-11-14 2016-10-31 Teknologian Tutkimuskeskus Vtt Oy Process and apparatus for gasification of raw material and gaseous product

Also Published As

Publication number Publication date
RO134445A0 (ro) 2020-09-30
WO2021235963A1 (en) 2021-11-25
US20240010941A1 (en) 2024-01-11
EP4153701A1 (en) 2023-03-29
CA3193438A1 (en) 2021-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Gasification of biomass with oxygen-enriched air in a pilot scale two-stage gasifier
Fremaux et al. An experimental study on hydrogen-rich gas production via steam gasification of biomass in a research-scale fluidized bed
US20170137284A1 (en) Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
US5589599A (en) Pyrolytic conversion of organic feedstock and waste
CN101970617B (zh) 用于转化碳质原材料的方法和设备
US20120181483A1 (en) Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
CA2865968A1 (en) Various methods and apparatuses for multi-stage synthesis gas generation
EP2530134A1 (en) Vibratory heat exchanger unit for low temperature conversion for processing organic waste and process for processing organic waste using a vibratory heat exchanger unit for low temperature conversion
EP3310881A1 (en) A gasification system
CN110550601B (zh) 一种用于高浓度co原料气的变换工艺
BR112015031150B1 (pt) método para tratamento de minério de metal, e alto-forno para produção de metal
CN113336196A (zh) 基于微波加热的气化裂解装置及快速制备硫磺气体的方法
RU2646917C1 (ru) Способ термохимической конверсии органосодержащего сырья и комплекс термохимической конверсии, включающий реактор косвенного нагрева, для его осуществления
RO134445B1 (ro) Procedeu şi instalaţie de gazeificare a amestecurilor eterogene de substanţe şi compuşi organici
BRPI0716221A2 (pt) Processo para produção de combustíveis a partir de desperdícios.
CA3108279A1 (en) Biomass processing devices, systems, and methods
US20080286175A1 (en) Reformer for converting biomass into synthesis gas
US8506765B2 (en) Device and method for thermal decomposition of organic materials
Nisamaneenate et al. Advanced reforming of agro-waste by modular gasifier for fuel generation
CA2888353A1 (en) Apparatus and method for material treatment of raw materials
RU2544635C1 (ru) Способ и устройство для осуществления флэш-пиролиза углеродсодержащего сырья с использованием индукционного нагрева
Suresha et al. Photocatalytic assisted microwave-based plasma pyrolyser: a solution for COVID-19 related wastes
MX2011005847A (es) Serpentin para calentador de pirolisis y metodo de pirolisis catalitica.
Ünsaç et al. Low tar yield and high energy conversion efficiency in a continuous pyrolysis reactor with modified ribbon screw conveyor
Akhlas et al. Simulation of Steam Gasification of Coal with PreCombustion enabling Cleaner Coal Conversion