Настоящее изобретение относится к способу и устройству для газификации биомассы или другого углеродсодержащего сырья в модуле для газификации с косвенным нагревом и обеспечивает способ удаления конденсируемых органических материалов (смол) из получаемого газа с интегрированной стадией удаления смолы. Более конкретно, на данной стадии удаления смолы циркулирующий теплоноситель используется для крекинга органических соединений и получения дополнительного количества газа. Преимуществом данного способа и следствием того, что теплоноситель циркулирует по чередующимся паронасыщенной и окислительной зонам, является отсутствие дезактивации реакций крекинга.

[0001] Способ конверсии синтез-газа, содержащего углеводороды, включающий стадии

[0002] Способ по п.1, в котором указанная стадия обработки указанного синтез-газа дополнительно включает по меньшей мере одну из стадий крекинга указанных углеводородов; конверсии указанного синтез-газа, вследствие чего образуется обработанный газ, в котором отношение водород:монооксид углерода имеет положительный баланс по водороду.

[0003] Способ по п.2, дополнительно включающий стадии

[0004] Способ по п.3, дополнительно включающий стадию обеспечения циркуляции указанного теплоносителя из указанного модуля сжигания углеродсодержащего топлива, где указанный теплоноситель нагревается для поддержания рабочей температуры, в указанный модуль обработки газа, в котором происходит, по меньшей мере, указанная стадия контактирования при указанной рабочей температуре, и в указанный модуль газификации.

[0005] Способ по п.4, в котором указанная рабочая температура составляет от приблизительно 825 °С (1500 °F) до приблизительно 1100 °C (2012 °F).

[0006] Способ по п.3, в котором каталитически активный теплоноситель включает в себя по меньшей мере один из следующих материалов:оливин, кальциты, оксиды металлов и железосодержащий высокотемпературный каталитически активный материал.

[0007] Способ по п.3, в котором указанная по меньшей мере часть указанного каталитически активного теплоносителя составляет приблизительно от 50 до 100 вес.%.

[0008] Способ по п.3, в котором указанная по меньшей мере часть указанного каталитически активного теплоносителя составляет приблизительно от 80 до 100 вес.%.

[0009] Способ по п.8, в котором указанная по меньшей мере часть указанного каталитически активного теплоносителя составляет приблизительно от 90 до 100 вес.%.

[0010] Способ по п.2, дополнительно включающий стадию подачи пара в зону обработки газа и указанный модуль газификации.

[0011] Способ по п.10, в котором указанная подача пара в указанный модуль газификации обеспечивается со скоростью от приблизительно 0,50 до приблизительно 15 фут/с.

[0012] Способ по п.11, в котором указанная подача пара в указанный модуль газификации обеспечивается со скоростью от приблизительно 0,50 до приблизительно 10 фут/с.

[0013] Способ по п.10, в котором указанная подача пара в указанный модуль обработки газа осуществляется со скоростью, обеспечивающей поддержание концентрации пара более чем 25 об.% от общей подачи газов из указанного модуля газификации.

[0014] Способ по п.13, в котором указанная подача пара в указанный модуль обработки газа осуществляется со скоростью, обеспечивающей поддержание концентрации пара более чем 20 об.% от общей подачи газов из указанного модуля газификации.

[0015] Способ по п.1, в котором указанный модуль газификации с косвенным нагревом представляет собой по меньшей мере один из следующих типов модулей газификации:с кипящим псевдоожиженным слоем, с рециркулирующим псевдоожиженным слоем, с газификацией в потоке и с неподвижным слоем.

[0016] Способ по п.4, дополнительно включающий стадию нагревания указанного газа при помощи теплоносителя из указанного модуля сжигания углеродсодержащего топлива, вследствие чего в указанном модуле обработки газа поддерживается указанная рабочая температура.

[0017] Способ по п.2, в котором стадию конверсии указанного синтез-газа интенсифицируют за счет регулирования количества подаваемого пара.

[0018] Способ по п.17, в котором указанную стадию конверсии указанного синтез-газа интенсифицируют за счет регулирования количества подаваемого пара так, чтобы получить отношение водород:монооксид углерода, равное по меньшей мере 2:1.

[0019] Способ конверсии содержащего углеводороды синтез-газа по п.1, дополнительно включающий стадию обеспечения псевдоожижения теплоносителя по меньшей мере в одном уравнительном модуле.

[0020] Способ конверсии содержащего углеводороды синтез-газа по п.19, в котором указанная стадия обеспечения по меньшей мере одного уравнительного модуля включает в себя по меньшей мере одну из следующих стадий:

[0021] Система для газификации исходной биомассы с внутрицикловой обработкой газа, включающая

[0022] Система для получения и конверсии содержащего углеводороды синтез-газа, содержащая

[0023] Система по п.22, в которой указанное средство обработки указанного синтез-газа в указанном модуле обработки газа дополнительно содержит по меньшей мере одно средство крекинга указанных углеводородов и средство конверсии указанного синтез-газа, вследствие чего образуется обработанный газ, в котором отношение водород:монооксид углерода имеет положительный баланс по водороду.

[0024] Система по п.22, содержащая

[0025] Система по п.24, дополнительно включающая средство для циркуляции указанного теплоносителя из указанного модуля сжигания углеродсодержащего топлива, где указанный теплоноситель нагревается с целью поддержания рабочей температуры, в указанный модуль обработки газа, где используется указанное средство приведения в контакт при указанной рабочей температуре, и в указанное модульное средство газификации, где указанный синтез-газ образуется из исходной биомассы.

[0026] Система по п.25, в которой указанная рабочая температура составляет от приблизительно 900 °С (1652 °F) до приблизительно 1100 °C (2012 °F).

[0027] Система по п.24, в которой каталитически активный теплоноситель включает в себя по меньшей мере один из следующего:оливин, кальциты, оксиды металлов и железосодержащий высокотемпературный каталитически активный материал.

[0028] Система по п.24, в которой указанная по меньшей мере часть указанного каталитически активного теплоносителя составляет приблизительно от 50 до 100 вес.%.

[0029] Система по п.24, в которой указанная по меньшей мере часть указанного каталитически активного теплоносителя составляет приблизительно от 80 до 100 вес.%.

[0030] Система по п.24, в которой указанная по меньшей мере часть указанного каталитически активного теплоносителя составляет приблизительно от 90 до 100 вес.%.

[0031] Система по п.23, дополнительно включающая средство обеспечения подачи пара в указанное модульное средство обработки газа и указанное модульное средство газификации.

[0032] Система по п.31, в которой указанная подача пара в указанный модуль газификации обеспечивается со скоростью от приблизительно 0,50 до приблизительно 15 фут/с.

[0033] Система по п.32, в которой указанная подача пара в указанный реактор газификации обеспечивается со скоростью от приблизительно 0,50 до приблизительно 10 фут/с.

[0034] Система по п.31, в которой указанное средство подачи пара в указанное модульное средство обработки газа обеспечивает скорость, достаточную для поддержания концентрации пара более чем 25 об.% от общей подачи газов из указанного реактора газификации.

[0035] Система по п.34, в которой указанное средство подачи пара в указанное модульное средство обработки газа обеспечивает скорость, достаточную для поддержания концентрации пара более чем 20 об.% от общей подачи газов из указанного модуля газификации.

[0036] Система по п.22, в которой указанное модульное средство газификации с косвенным нагревом представляет собой по меньшей мере один из следующих типов модулей газификации:с кипящим псевдоожиженным слоем, с рециркулирующим псевдоожиженным слоем, с газификацией в потоке и с неподвижным слоем.

[0037] Система по п.25, содержащая средство нагревания указанного модуля обработки газа при помощи теплоносителя, подаваемого из указанного модуля сжигания углеродсодержащего топлива, вследствие чего в указанном модуле обработки газа поддерживается указанная рабочая температура.

[0038] Система по п.23, в которой указанную конверсию указанного синтез-газа интенсифицируют за счет регулирования количества подаваемого пара.

[0039] Система по п.38, в которой указанная конверсия указанного синтез-газа интенсифицируется за счет регулирования количества подаваемого пара так, чтобы получить отношение водород:монооксид углерода, равное по меньшей мере 2:1.

[0040] Система по п.22, дополнительно включающая по меньшей мере одно модульное уравнительное средство для получения некоторого объема материала с одной стороны и для распределения его к другой стороне.

[0041] Система по п.40, в которой указанное модульное уравнительное средство представляет собой по меньшей мере одно из следующих:

[0042] Аппарат для обработки отходов путем газификации, содержащий модуль газификации с циркулирующим псевдоожиженным слоем для приема нагретых теплоносителей из модуля обработки газа; указанный модуль обработки газа находится в газовом сообщении с указанным модулем газификации и модулем сжигания углеродсодержащего топлива, вследствие чего указанный модуль обработки газа обеспечивает внутрицикловую обработку газа, включающую осуществление реакций крекинга и конверсии.

[0043] Аппарат для получения и обработки содержащего углеводороды синтез-газа, включающий

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способу и системе для газификации биомассы или другого углеродсодержащего сырья в реакторе для газификации с косвенным нагревом и способу удаления конденсируемых органических материалов (смол) из получаемого газа с интегрированной стадией удаления смолы. Более конкретно, на данной интегрированной стадии удаления смолы циркулирующий теплоноситель используется для расщепления органических соединений и получения дополнительного количества газа. Преимуществом описываемого способа и следствием того, что теплоноситель циркулирует по чередующимся паронасыщенной и окислительной зонам, является отсутствие дезактивации реакций крекинга.

Описание предшествующего уровня техники

Из предшествующего уровня техники известны система и способ газификации биомассы, описанные в патенте США № 6808543 (Paisley), содержание которого полностью включается в настоящее описание путем ссылки (также именуемые устройство FERCO).

В патенте № 6808543 описан способ газификации, в котором используется реактор для газификации с циркулирующим псевдоожиженным слоем, в котором в качестве теплопередающей среды применяется песок. В первом аспекте это изобретение обеспечивает способ снижения агломерации золы в параллельном реакторе с псевдоожиженным слоем для газификации в потоке/сжигания, в соответствии с которым в теплопередающую среду добавляют оксид магния (MgO) с целью изменения эвтектики образующейся золы и, тем самым, увеличения температуры плавления этой золы, в результате чего снижается ее агломерация с песком. Таким образом, в патенте № 6808543 утверждается, что необходимо минимизировать агломерацию песка и золы путем повышения температуры плавления золы, для чего добавляют MgO. Paisley проводит различие между способом, изложенным в патенте № 6808543, и известным уровнем техники, где для снижения агломерации золу разбавляют, добавляя CaO и Al ₂ O ₃ .

К предшествующему уровню техники также относится способ обработки горячего газа, описанный в патенте США № 5494653 (Paisley), содержание которого также полностью включается в настоящее описание путем ссылки.

В этом патенте описывается производство газообразного сырья для получения водорода с использованием реактора с псевдоожиженным слоем, рециркуляционного реактора с псевдоожиженным слоем или реактора с неподвижным слоем, где для регулирования отношения количества водорода к количеству монооксида углерода в реакции конверсии водяного газа

требуется использовать катализатор и осуществить реакцию так, чтобы не образовывался углерод - нежелательный побочный продукт. В патенте № 5494653 говорится, что предпочтительным катализатором является оксид алюминия и что в обычных каталитических системах и соответствующих способах осуществления таких реакций необходимо в качестве катализатора использовать благородные металлы, такие как никель, молибден и т.п., или щелочные металлы, такие как калий, натрий и т.п. Кроме того, при использовании обычных каталитических систем и соответствующих способов образование углерода не подавляется до той степени, которая является желательна в соответствии с патентом № 5494653. Типичные способы осуществления этих и других технологических процессов получения газа описаны в следующих патентах США: 233861, выданном Jerzmanowski; 1295825, выданном Ellis; 1875923, выданном Harrison; 1903845, выданном Wilcox; 1977684, выданном Lucke; 1992909, выданном Davis; 2405395, выданном Bahlke и др.; 2546606, 3922337, выданных Campbell и др.; 4726913, выданном Brophy и др.; 4888131, выданном Goetsch и др.; 5143647, выданном Say и др.; в патенте Великобритании № 461402 (выданном 16 февраля 1937 г.).

В патенте № 5494653 описан способ осуществления крекинга и конверсии синтез-газа, заключающийся в использовании катализатора, состоящего, главным образом, из оксида алюминия и находящегося в камере, не входящей в петлю рециркуляции; в приведении в контакт катализатора - оксида алюминия - с синтез-газом, по существу, не содержащим кислород и представляющим собой метан и/или углеводороды с большим молекулярным весом и водяным паром с температурой от примерно 530 до примерно 980 °С, в результате чего метан и углеводороды с большим молекулярным весом подвергаются крекингу по реакции

и конверсии в соответствии с уравнением 1 (реакция конверсии водяного газа), при этом образование углерода при температурах ниже 980 °С минимально.

Таким образом, в патенте № 5494653 предлагается использовать в качестве катализатора обработки газа оксид алюминия, смещающего баланс так называемой реакции конверсии водяного газа так, что отношение H ₂ :CO составляет 2:1.

Хотя в целом устройства, описанные в патентах № 5494653 и 6808543, подобны, они различаются упомянутой выше низкотемпературной (максимум 815 °C/1500 °F) реакционной камерой, не входящей в петлю рециркуляции (ex situ), в которую поступает синтез-газ, выходящий из блока газификации, и в которой находится катализатор для последующей реакции. Следовательно, патент № 5494653 отличается от патента № 6808543 и тем, что (1) обеспечивает катализатор (оксид алюминия (Al ₂ O ₃ )) и что (2) катализатор находится только во внецикловой низкотемпературной камере, в результате чего ниже устройства газификации по ходу технологического потока происходит быстрая дезактивация реакций крекинга из-за осаждения углерода на поверхности катализатора.

В данных ссылках на известный уровень техники отсутствует упоминание ряда аспектов, отмеченных в настоящем изобретении. Эти аспекты включают использование рециркулируемой теплопередающей среды, содержащей катализатор, удаление углеводородов (конденсирующихся) при высоких температурах, выше примерно 370 °С, внутрицикловое удаление конденсирующихся веществ (непрерывное удаление с рециркуляционным потоком).

Следовательно, ряд аспектов настоящего изобретения не упоминается в известном уровне техники. Эти аспекты включают отличающую настоящее изобретение возможность рекуперации тепла с охлаждением до значительно меньшей температуры с последующей стадией внутрициклового удаления конденсирующихся веществ (благодаря удалению смол из газа при высокой температуре).

Аналогично, в известном уровне техники не упоминается преимущество использования отдельного блока обработки газа, который при высоких температурах в устройстве в целом (1000 °C/1800 °F) подвергается внутрицикловому нагреву непрерывно циркулирующей теплопередающей средой, нагревающейся в камере сгорания, тем самым, благодаря более высоким температурам, повышается эффективность всех реакций.

Кроме того, в известном уровне техники не упоминается возможность повышения выхода водорода (Н ₂ ) путем добавления внутрициклового блока обработки газа, функционирующего при высоких температурах устройства в целом.

Наконец, нигде в известном уровне техники не упоминается об использовании в цикле пара в качестве реагента обработки газа по реакции конверсии водяного газа, что минимизирует необходимость использования для удаления конденсирующихся веществ отдельного (внециклового) и дорогостоящего процесса ниже по ходу технологического потока.

Таким образом, существует потребность в усовершенствованном способе, позволяющем удалять конденсирующиеся продукты внутри цикла, который, следовательно, дает возможность интенсифицировать рекуперацию энергии получаемого газа, что, однако, не является необходимым.

Цели и сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является обеспечение способа газификации с внутрицикловым удалением смолы, отвечающего по меньшей мере одной из указанных выше потребностей без обязательного удовлетворения более чем одной потребности из указанных выше.

Настоящее изобретение относится к способу и системе для газификации биомассы или другого углеродсодержащего сырья в реакторе для газификации с косвенным нагревом и обеспечивает способ удаления конденсируемых органических материалов (смол) из получаемого газа с интегрированной стадией удаления смолы. Более конкретно, на данной стадии удаления смолы циркулирующий теплоноситель используется для расщепления органических соединений и получения дополнительного количества газа. Преимуществом описываемого способа и следствием того, что теплоноситель циркулирует по чередующимся паронасыщенной и окислительной зонам, является отсутствие дезактивации реакций крекинга.

В отличие от других известных способов газификации настоящий способ не связан с горением с точной подачей воздуха, вместо этого исходную биомассу быстро нагревают в безвоздушной среде для минимизации образования смолы и получения твердого остатка, используемого в качестве источника тепла для данного технологического процесса. Благодаря относительной простоте обработки получаемого газа, обладающего высокой удельной энергией и средней теплотворной способностью, значительно снижается количество выбросов. Как показано на фиг. 1, биомасса подвергается косвенному нагреву при помощи теплоносителя (предпочтительно, песка) с получением газа со средней теплотворной способностью (приблизительно 17-19 МДж/Нм ³ /350-450 брит.тепл.единиц/станд.куб.фут).

В соответствии с данным способом циркулирующий теплоноситель используется для быстрого нагрева поступающей биомассы и передачи непрореагировавшего материала из реактора газификации во вспомогательный реактор. В газификаторе нагретый теплоноситель (песок) и пар вступают в контакт с биомассой. При этом не добавляется ни воздуха, ни кислорода, поэтому реакции горения отсутствуют, что обеспечивает экологичность настоящего способа. Биомасса при температуре приблизительно 825 °С быстро превращается в газ со средней теплотворной способностью. Все непрореагировавшие вещества вместе с теперь уже охлажденным теплоносителем (песком) проходят через газификатор и затем отделяются от газа конечной переработки.

Теплоноситель и уголь, образовавшийся в газификаторе, подают в камеру сгорания. Сюда же подают воздух, поддерживающий горение угля, в результате чего в соответствии с настоящим способом осуществляется повторный нагрев теплоносителя (песка) до приблизительно 1000 °С. В камере сгорания расходуется весь оставшийся углерод, поэтому образующаяся зола, по существу, не содержит угля и пригодна для экологически безопасного и недорогого захоронения. Благодаря создаваемым в камере сгорания условиям и тому, что непрореагировавший материал представляет собой, по существу, углерод, выбросы на этой стадии технологического процесса малы. Повторно нагретый твердый теплоноситель затем отделяют от отработавшего газа и возвращают в реактор газификации. От отработавшего газа также отделяют золу, получая поток чистого газа с высокой температурой (приблизительно 1000 °С), пригодный для рекуперации тепла.

Газ конечной переработки, выходящий из газификатора, перед стадией окончательной очистки проходит через реактор обработки газа. В этом реакторе, представляющем собой реактор крекинга, полученный газ нагревают до приблизительно 1000 °С (1832 °F) температуры теплоносителя, возвращаемого в реактор газификации из камеры сгорания, как описано выше. При 1000 °С конденсирующиеся углеводороды (смолы) подвергаются крекингу с образованием более низкомолекулярных соединений, таких как водород (H ₂ ), монооксид углерода (CO), бензол (C ₆ H ₆ ) и метан (CH ₄ ). На данной стадии крекинга из газа удаляются высокомолекулярные соединения, что существенно облегчает рекуперацию тепла ниже по ходу технологического потока и окончательную очистку газа от твердых частиц. Кроме того, настоящее изобретение предусматривает получение дополнительного количества водорода в результате регулирования отношения количества водорода к количеству монооксида углерода путем осуществления внутри цикла реакции конверсии водяного газа, соответствующей уравнению 1.

Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является возможность более эффективной рекуперации тепла благодаря удалению конденсирующихся веществ из получаемого газа. Если конденсирующиеся вещества остаются в получаемом газе, этот газ при рекуперации тепла может быть охлажден только до приблизительно 370 °С. Однако после удаления конденсирующихся веществ рекуперация тепла может происходить по меньшей мере при 200 °С, что дает увеличение количества рекуперированной из получаемого газа энергии приблизительно на 40%.

Путем соответствующего подбора циркулирующего теплоносителя и включения в него каталитически активного материала можно изменять химический состав получаемого газа так, чтобы водяной газ был пригоден для (а) химического синтеза, (б) использования для получения водорода или (в) добавления к химическим составам, используемым ниже по ходу технологического потока.

В соответствии с одним из альтернативных аспектов настоящего изобретения предусматривается способ конверсии содержащего углеводороды синтез-газа, включающий стадии обеспечения модуля газификации с косвенным нагревом для образования синтез-газа из углеродсодержащего топлива и модуля сгорания для обеспечения рабочей температуры реактора газификации; обеспечения внутрициклового модуля обработки газа для получения синтез-газа из модуля газификации и для функционирования при той же рабочей температуре; обработки синтез-газа в модуле обработки газа с целью минимизации содержания в нем смол.

В соответствии с другим альтернативным аспектом настоящего изобретения предусматривается система газификации с внутрицикловой обработкой газа, включающая модуль газификации для преобразования исходной биомассы в синтез-газ, модуль обработки газа, в который подается синтез-газ из модуля газификации и который обеспечивает обработку газа в замкнутом цикле, в который также входят модуль газификации и модуль сгорания, и модуль сгорания для нагревания теплоносителя, проходящего сначала через модуль обработки газа, а затем модуль газификации.

В соответствии с еще одним альтернативным аспектом настоящего изобретения предусматривается система газификации с внутрицикловой обработкой газа, включающая модульное средство газификации с косвенным нагревом для получения синтез-газа из углеродсодержащего сырья, модульное средство сгорания для обеспечения рабочей температуры модуля газификации, внутрицикловое модульное средство обработки газа для получения синтез-газа из модуля газификации и для функционирования при той же рабочей температуре, и имеющиеся в модульном средстве обработки газа средства для обработки синтез-газа с целью минимизации содержания в нем смол.

В соответствии с еще одним альтернативным аспектом настоящего изобретения предусматривается устройство для обработки содержащего углеводороды синтез-газа, включающее модуль газификации с косвенным нагревом для получения синтез-газа из углеродсодержащего сырья, модульное средство сгорания для обеспечения рабочей температуры модуля газификации, внутрицикловый модуль обработки газа для получения синтез-газа из модуля газификации и для функционирования при той же рабочей температуре, каковой модуль обработки газа включает модуль обработки синтез-газа с целью минимизации содержания в нем смол, представляющее собой устройство для осуществления крекинга углеводородов и реакции конверсии, в результате чего в получаемом газе отношение количества водорода к количеству монооксида углерода имеет положительный баланс по водороду.

Описанные выше и другие цели, отличительные особенности и преимущества настоящего изобретения поясняются в следующем ниже описании, сопровождаемом чертежами, на которых одинаковые номера позиций означают тождественные элементы.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 представляет собой пиктографическую схему технологического потока в устройстве, соответствующем настоящему изобретению.

Фиг. 2 представляет собой подробную схему технологического потока одного из альтернативных и предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения.

На фиг. 3 представлен масс-спектр углеводородного состава газа на входе в блок обработки газа, соответствующий настоящему изобретению.

На фиг. 4 представлен масс-спектр углеводородного состава синтез-газа на выходе из блока обработки газа, соответствующего настоящему изобретению, подтверждающий существенное снижение содержания углеводородов.

На фиг. 5 графически представлен эффект конверсии водяного газа в соответствующем настоящему изобретению блоке обработки газа, где «отрицательные » элементы (для водорода, CO ₂ и CO) отражают дополнительное образование этих веществ, а «положительные » (для остальных углеводородов) отражают уменьшение их количества.

Фиг. 6 представляет собой график конверсии конденсирующихся углеводородов в соответствии с настоящим изобретением, благодаря которому достигается преобразование более 95% некоторых смол и 80% смол, вызывающих трудности.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Далее будут подробно рассмотрены некоторые варианты осуществления настоящего изобретения, проиллюстрированные сопроводительными чертежами. На чертежах и в описании, там, где это возможно, для обозначения одних и тех же или подобных деталей и стадий использованы одинаковые или подобные номера позиций. Чертежи имеют упрощенную форму и приблизительный масштаб. При описании чертежей, только в целях удобства и ясности, могут быть использованы термины, означающие направление, такие как верх, низ, вверх, вниз, сверху и снизу. Эти и им подобные термины, означающие направление, не следует рассматривать, как каким-либо образом ограничивающие объем настоящего изобретения. Слова «связь », «соединение » и подобные им термины с соответствующими флексиями не обязательно означают непосредственное и прямое соединение, а могут относиться к соединению через промежуточные элементы или устройства.

На фиг. 1 представлена схема технологического потока в соответствующем настоящему изобретению устройстве, предназначенном для газификации биомассы или другого углеродсодержащего сырья в реакторе газификации с косвенным нагревом, которое позволяет удалять конденсирующиеся органические материалы (углеводороды/смолы) из образующегося газа на интегрированной стадии удаления смол. Более конкретно, на данной стадии удаления смол циркулирующий теплоноситель используется для крекинга органических соединений и получения дополнительного количества газа в результате конверсии водяного газа, что будет описано далее. Преимуществом предлагаемого способа и следствием того, что теплоноситель циркулирует в цикле по чередующимся паронасыщенной и окислительной зонам, является отсутствие дезактивации реакций крекинга.

В отличие от других известных способов газификации биомассы настоящий способ не связан с горением с точной подачей воздуха, вместо этого исходную биомассу, поступающую из блока подготовки и подачи сырья 100, быстро нагревают в безвоздушной среде в герметичном реакторе 102 с целью минимизации образования смолы и получения твердого остатка (угля), используемого в качестве источника тепла в камере сгорания 105. Благодаря относительной простоте обработки получаемого газа, обладающего высокой удельной энергией и средней теплотворной способностью, значительно снижается количество выбросов. В соответствии с настоящим способом биомасса подвергается косвенному нагреву при помощи теплоносителя (предпочтительно песка) с получением газа со средней теплотворной способностью (приблизительно 17-19 МДж/Нм ³ /350-450 брит.тепл.единиц/станд.куб.фут), который из реактора обработки газа 103 направляют на осуществление синтеза, получение электроэнергии или использование в качестве топлива в блоке 104.

В данном технологическом процессе (более подробно изображенном на фиг. 2) для быстрого нагревания поступающей биомассы и передачи непрореагировавшего материала из реактора газификации во вспомогательный реактор используется циркулирующий теплоноситель. В газификаторе 102 нагретый теплоноситель и пар 101 вступают в контакт в герметичной системе. При этом не добавляется ни воздуха, ни кислорода, поэтому реакции горения отсутствуют, что обеспечивает экологичность процесса. Биомасса при температуре приблизительно 825 °С или выше быстро превращается в газ со средней теплотворной способностью. Все непрореагировавшие вещества (уголь) вместе с теперь уже охлажденным теплоносителем (песком) проходят через реактор газификации и затем отделяются от газа конечной переработки.

Теплоноситель и образовавшийся в реакторе газификации уголь поступают в камеру сгорания 105 для сжигания и повторного нагрева. В камеру сгорания 105 подают воздух, поддерживающий горение угля, в результате чего в соответствии с настоящим способом осуществляется повторный нагрев теплоносителя (песка) до приблизительно 1000 °С. В камере сгорания 105 расходуется весь оставшийся углерод, поэтому образующаяся зола, по существу, не содержит угля и пригодна для экологически безопасного и недорогого удаления через блок 106. Благодаря создаваемым в камере сгорания условиям и тому, что непрореагировавший материал представляет собой, по существу, углерод, выбросы на этой стадии технологического процесса малы. Повторно нагретый твердый теплоноситель затем отделяют от отходящего газа и возвращают в реактор газификации 102. От отходящего газа также отделяют золу, получая поток чистого газа с высокой температурой (приблизительно 1000 °С), пригодный для рекуперации тепла в блоке 107.

Газ конечной переработки, выходящий из реактора газификации, перед стадией окончательной очистки проходит через внутрицикловый реактор обработки газа. В этом реакторе, представляющем собой реактор крекинга, полученный газ нагревают до приблизительно 1000 °С (1832 °F) температуры теплоносителя, возвращаемого в реактор газификации из камеры сгорания, описанной выше. При 1000 °С (что значительно выше температур, упоминаемых в известном уровне техники) конденсирующиеся углеводороды (смолы) вступают в реакцию с подаваемым паром и подвергаются крекингу с образованием более низкомолекулярных соединений, таких как водород (H ₂ ), монооксид углерода (CO), бензол (C ₆ H ₆ ) и метан (CH ₄ ). На данной стадии крекинга из газа удаляются высокомолекулярные соединения, что существенно облегчает рекуперацию тепла ниже по ходу технологического потока и окончательную очистку газа от твердых частиц.

Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является возможность более эффективной рекуперации тепла, не сопровождающейся нежелательной конденсацией смол в результате удаления конденсирующихся веществ из получаемого газа. Если конденсирующиеся вещества остаются в получаемом газе, этот газ при рекуперации тепла может быть охлажден только до приблизительно 370 °С. Однако после удаления конденсирующихся веществ рекуперация тепла может происходить по меньшей мере при 200 °С, что дает увеличение количества рекуперированной из получаемого газа энергии приблизительно на 40%.

Теперь обратимся к фиг. 2, на которой более подробно изображена соответствующая настоящему изобретению система газификации 1, которая, как правило, включает в себя модуль газификации 12, соединенный по текучей среде с модулем сгорания 32, в которых осуществляется преобразование биомассы, подаваемой в виде потока сырья Р1, в синтез-газ, уголь и тепло.

Поток сырья Р1, поступающий на подготовку и подачу биомассы на обработку, представляет собой топливо из биомассы, обычно содержащее строительные материалы и лом, органические отходы и другие относящиеся к биомассе объекты, известные специалистам в данной области. Поток биомассы Р1 подают в бункер 4, в котором имеется механизм подачи (как показано на чертеже), приводимый в движение двигателем 10, и входное отверстие для инертного газа, такого как азот или аргон, подаваемого через клапан 6.

В пылеуловителе 2 поступающие с сырьем мелкодисперсные частицы собираются и также поступают в бункер 4 через поворотный клапан 3 или иные средства. Из буферного накопителя 4 сырье через поворотный клапан 7 инертным газом, поступающим через клапан 6, подается в дозатор топлива 8, в котором имеется винтовой конвейер 9, приводимый в движение двигателем 10, как показано на чертеже, и куда через клапан 6 также подается инертный газ.

Нужно понимать, что блок подготовки потока биомассы Р1 также может содержать различные устройства, включая устройство регулирования влажности или сушилку, накопительные ячейки, предкамеры и/или блоки предварительной химической обработки, как известно специалистам в области подготовки биомассы.

Поток Р2 является потоком подготовленного для подачи в газификаторе 12 материала, в котором он, в результате контакта с теплоносителем в безкислородной среде, нагревается и частично или полностью превращается в смесь газов, содержащую H ₂ , CO, CO ₂ , CH ₄ , C ₆ H ₆ и другие углеродсодержащие газы и смолы, описываемые в настоящем документе.

Нагревание в реакторе или модуле 12 происходит путем подачи нагревающего потока Р11, представляющего собой горячий теплоноситель, такой как песок или другой инертный и/или химически активный твердый материал, псевдоожиженный газом, получаемым в камере сгорания 32, и проходящий через реактор обработки газа 20, как будет описано далее. Модуль газификации 12 может принадлежать к любому известному специалистам в данной области типу без ограничений, например являться газораспределителем с перфорированными тарелками, обычно используемым для получения псевдоожиженного слоя. Поэтому модуль газификации 12 изображен как газораспределитель, имеющий отверстия для подачи пара S через клапан 6 и инертного газа G также при помощи клапана 6.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения предприняты известные меры, обеспечивающие полное псевдоожижение, т.е. максимально полную циркуляцию, кроме того, внутренние элементы модуля 12, камеры сгорания 32 и вспомогательных систем, работающих при высокой температуре, изготовлены, по существу, из инертного материала.

Газификатор 12 функционирует как реактор с циркулирующим псевдоожиженным слоем с тем, чтобы образующийся при газификации уголь сохранял общую форму сырья и циркулировал вместе с синтез-газом, выходя через выходное отверстие по линии 3 в реактор обработки газа 20. Между линией 3 и реактором обработки газа 20 по выбору размещается уравнительный модуль 15 реактора газификации, включающий сепаратор 14 (в том числе циклон) и вспомогательный псевдоожижающий газораспределитель 16, в который подают пар и инертный газ, как показано на чертеже, с целью поддержания потока. Сепаратор 14 предназначен для отделения песка и угля, направляемых непосредственно во входное отверстие модуля сгорания в виде потока Р5. Как показано на чертеже, поток синтез-газа Р4 поступает из уравнительного модуля 15 непосредственно на вход реактора обработки газа 20.

В поток синтез-газа Р4 через клапан 6, как показано на чертеже, добавляют пар; этот газ содержит, по меньшей мере, CO и H ₂ , а также множество других газов (и смол), концентрации и сочетание которых зависят от того, какие реакции идут в реакторе газификации 12. В результате подачи пара в реактор обработки газа 20 в нем происходят конверсия водяного газа и другие реакции, в том числе крекинг органических молекул; причем данный реактор является внутрицикловым.

Синтез-газ и смолы в виде потока Р4 при рабочей температуре через распределитель 19 поступают в модуль обработки газа 20, в котором осуществляется расщепление смол и конверсия водяного газа с образованием синтез-газа, содержащего до 50% H ₂ и очень мало, около 0,0003 фунтов/куб.фут (0,005 кг/м ³ ), остаточных смол, причем оба значения намного лучше, чем в известном уровне техники.

Реакторный модуль обработки газа 20 может дополнительно включать необязательный сепаратор 22, в который из камеры сгорания поступает зола и другие не поддающиеся превращению частицы, передаваемые в виде потока Р9 в сепаратор золы 23, из которого отработавший газ выходит как поток Р12, а нерасходуемая зола - как поток Р13, направляемый в устройство обработки золы 24, соединенное со сборником летучей золы 25 (для мелкодисперсных частиц) и сборником золы 26 (для твердой фазы), откуда зола поступает на утилизацию, хотя это и не требуется настоящим изобретением.

В показанном на чертеже предпочтительном варианте осуществления изобретения поток нагретого теплоносителя Р7 выходит из модуля сгорания 32 и поступает в реактор сгорания 22 и модуль обработки газа 20. То есть рабочая температура в модуле 20 обработки газа высокая, до приблизительно 1000 °С. В показанном на чертеже предпочтительном варианте осуществления изобретения нагретый теплоноситель из модуля обработки газа 20 поступает в дополнительную уравнительную камеру 18, в которой происходит его псевдоожижение инертным газом, подаваемым через клапан 6 на газораспределитель 7, сюда через дополнительный клапан 6, как показано на чертеже, может также подаваться какой-либо реагент, например пар.

Синтез-газ после обработки в модуле обработки газа 20 выходит как поток Р8 газа конечной переработки, описываемый ниже.

Как было отмечено, поток Р5 транспортирует уголь и теплоноситель к входному отверстию модуля сгорания 32 для сжигания и повторного нагрева по мере необходимости. Модуль сгорания 32 обеспечивается теплом через распределительный механизм 31 при помощи устройства сжигания природного газа, регулируемого клапаном 6, и подачи воздуха для горения А через воздуходувку 29 и регулятор расхода 30, пусковой и поддерживающий нагреватель 28, где природный газ сжигается, а продукты горения Р6 поступают на распределитель 31 модуля сгорания 32. Вследствие сочетания подвода тепла в виде потока Р6 и дополнительного сжигания активированного угля в модуле сгорания 32 (и, тем самым, завершения реакции с его участием) поддерживается и, при необходимости управления процессом, повышается температура теплоносителя, подаваемого в модуль обработки газа 20 как поток Р7. После нагревания в модуле обработки газа 20 теплоноситель в виде потока Р10 через уравнительный модуль 18 поступает в модуль газификации 12, как показано на чертеже.

По мере необходимости технолог, управляющий работой устройства 1, может добавлять требующееся при непрерывной работе устройства количество теплоносителя при помощи модуля свежего теплоносителя 27, откуда в виде потока Р14 могут поступать дополнительные количества теплоносителя и катализатора. Попадая в модуль сгорания 32, этот поток псевдоожижается и соединяется с псевдоожиженными материалами, циркулирующими в системе 1, и выходит из верхней части модуля сгорания 32 как отходящий газ.

Аналогично, признавая, что этот газ может не всегда быть использован ниже по ходу технологического потока, в устройстве 1 предусматривается необязательная возможность обеспечения безопасности, а именно факельная стойка 21, расположенная после модуля обработки газа 20, соединенная с ним через клапан 6, через который проходит исходящий поток Р8 газа конечной переработки с тем, чтобы обеспечить механизм сжигания для управления процессом в случае, когда образующийся синтез-газ не может быть иным образом использован ниже по ходу технологического потока для производства, синтеза, как топливо или направлен на предшествующее дальнейшему использованию или транспортировке хранение.

Из приведенного описания следует, что использование уравнительного модуля 15 реактора газификации, уравнительного модуля 18 и вспомогательных линий, распределительных устройств и сепараторов в контексте данного варианта осуществления изобретения необязательно требуется только наличие модуля обработки газа 20. Аналогично, обратные потоки Р3/Р4 без соответствующих уравнительных модулей 15 и 18 могут быть объединены в поток, представляющий собой выходящие из верхней части реактора газификации 12 теплоноситель, синтез-газ и смолы, непосредственно поступающие в модуль обработки газа 20 (в виде потока, подобного показанному на фиг. 1). Соответственно, при отсутствии уравнительных модулей 15 и 18 возвратный поток теплоносителя из выходного отверстия в верхней части модуля сгорания 32 через модуль обработки газа 20 может быть напрямую подан во входное отверстие реактора газификации 12. Из изложенного в данном абзаце специалистам ясно, что технологическая схема, изображенная на фиг. 1, соответствует предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения, и что подробная схема, приведенная на фиг. 2, отражает еще один дополнительный (и необязательный) вариант осуществления изобретения.

Теперь обратимся к фиг. 3 и 4. Для варианта осуществления настоящего способа, изображенного на фиг. 2, были проведены испытания, заключавшиеся в отборе проб синтез-газа (газа конечной переработки) из потока Р3, выходящего из реактора газификации 12 до его поступления в модуль обработки газа 20 (фиг. 3), и потока Р8, выходящего из модуля обработки газа 20 (фиг. 4). Обе фигуры отображают результаты масс-спектрометрического анализа, где пики спектров соответствуют углеводородам с различным строением молекул.

Специалистам в данной области понятно, что спектр, приведенный на фиг. 3, свидетельствует как о большом объеме высокомолекулярных углеводородов (выше пика 78 бензола), так и о большом объеме низкомолекулярных углеводородов (ниже пика 78 бензола), присутствующих в синтез-газе. Последующая обработка газа в блоке обработки газа 20 позволяет получить газ, спектр которого представлен на фиг. 4; он свидетельствует как о благоприятном снижении общего объема углеводородов с любым молекулярным весом, так и о существенном смещении состава газа в сторону более легких углеводородов (легче бензола с пиком 78), которые, если они присутствуют, легко удалить ниже по ходу технологического потока. Дополнительным преимуществом настоящего изобретения является то, что углеводороды в газе, прошедшем обработку, легче разделить и подготовить для дальнейшего извлечения специальными способами на расположенных ниже по ходу технологического потока устройствах, например, путем внецикловой обработки определенными растворителями, при помощи электростатических фильтров, скрубберов и другими известными специалистам в данной области способами.

Как указывалось выше, в предпочтительный вариант системы для газификации 1 входит внутрицикловый модуль обработки газа 20, функционирующий при температуре системы, в котором образуется значительно больше водорода в результате конверсии водяного газа в соответствии с уравнением

благодаря каталитическому действию нагретой твердой фазы. Измеренные значения состава газа по сравнению с другими известными способами газификации приведены в табл. 1 (на сухой вес).

Таблица 1

¹ для описываемого устройства;

² данные взяты с сайта http://www.fercoenterprises.com, где обсуждаются результаты, полученные для реактора газификации FERCO;

³ данные взяты с сайта http://www.ficfb.at/discussion, где обсуждаются результаты, полученные для реактора газификации FICFB;

⁴ данные взяты с сайта www.thermochem.net, где также обсуждается Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology Information, "Biomass Energy", M. Paisley, издание John Wiley &Sons, 2002.

Следовательно, для обеспечения нужного для прохождения реакции конверсии водяного газа количества воды необходимо добавить в газ, поступающий на стадию обработки газа, достаточное количество пара. Это осуществляют путем увеличения потока пара, подаваемого в модуль обработки газа 20 (либо путем увеличения потока пара, подаваемого в реактор газификации (косвенная подача), либо в блок обработки газа путем добавления пара в технологический поток Р4 (прямая подача), либо одновременно используя оба указанных варианта). Графически эффект конверсии водяного газа представлен на фиг. 5. На данной диаграмме «конверсия » соответствует снижению содержания компонента в газе, следовательно, отрицательная конверсия означает дополнительное образование этого компонента.

Основным преимуществом блока обработки газа, соответствующего настоящему изобретению, является удаление значительного количества конденсирующихся углеводородов из получаемого в реакторе газификации газа, осуществляемое внутри цикла, без необходимости сложных стадий крекинга ниже по ходу технологического потока. Как показано в табл. 1, в газе, выходящем из реактора газификации Taylor, соответствующего настоящему изобретению, содержится существенно меньше таких смол, чем при использовании других реакторов газификации с косвенным нагревом. Это облегчает как окончательную очистку газа, так и рекуперацию тепла. Результатом этого является (1) более высокая эффективность процесса вследствие съема дополнительного количества тепла (при охлаждении до 200 °С) и (2) улучшение экономических показателей (вследствие сокращения или устранения отдельной дорогостоящей стадии удаления конденсирующихся веществ ниже по ходу технологического потока). Также следует отметить, что азот (N ₂ ), обнаруженный в газе устройств Taylor и FERCO, вероятно, просто является тем незначительным количеством, которое изначально было внесено при продувке системы. Следовательно, нетрудно сопоставить неудовлетворительные результаты по водороду (Н ₂ ) устройства FERCO с полученными при помощи устройства, описываемого в настоящем документе. Также следует отметить, что путем регулирования концентрации СО в реакции конверсии водяного газа в данном устройстве с внутрицикловым осуществлением этой реакции можно получить дополнительное количество водорода, превосходящее 50%.

Как отмечается в известном уровне техники, функционирование отдельного (внециклового) каталитического реактора, расположенного ниже по ходу технологического потока, который нужен для дальнейшей конверсии углеводородов, зависит от поддержания высокого уровня активности катализатора, обеспечивающего крекинг конденсирующихся углеводородов. При обычно используемой в данном процессе температуре (т.е. температуре в реакторе газификации от 760 °C/1400 °F до 816 °C/1500 °F) это физически сложно и дорого, поскольку при крекинге образуется свободный углерод, деактивирующий катализатор и снижающий эффективность функционирования устройства вследствие необходимости добавления свежего катализатора.

В показанном предпочтительном варианте компоновки устройства реакции крекинга происходят при более высоких температурах (от 900 °C/1652 °F до 1100 °C/2012 °F), о чем не упоминается в известном уровне техники, и в пределах циркуляционной системы (внутри цикла), тем самым, снижается вероятность образования углерода. Дополнительным преимуществом, возникающим вследствие использования теплоносителя в качестве внутрициклового катализатора, является то, что любой образующийся углерод расходуется в камере сгорания до попадания с рециркулируемым потоком в модуль обработки газа, тем самым, дополнительно «регенерируя » этот материал, т.е. поддерживается высокий уровень активности катализатора.

Теперь обратимся к фиг. 6, иллюстрирующей конверсию конденсирующихся углеводородов, которая происходит во внутрицикловом модуле обработки газа таким образом, что величина суммарной конверсии смол составляет около 80%, величина конверсии так называемых тяжелых или высокомолекулярных смол превышает 82%, величина конверсии всех других смол превышает 80%, а величина конверсии углеводородов (толуола, фенола, крезола) превосходит 90% при соответствующем увеличении объема бензола (C ₆ H ₆ ), с чем легко справиться известными способами.

Из рассмотрения фиг. 5 и 6 специалистам очевидны дополнительные подробности, приведенные ниже в табл. 2 и 3 для полноты настоящего описания. А именно в табл. 2 представлены подробные данные о концентрации конденсирующихся веществ, в табл. 3 те же данные детализированы для конкретных соединений.

Таблица 2

Таблица 3

При рассмотрении изложенного выше следует отметить, что регенерация теплоносителя была исследована путем пропускания через этот материал воздуха спустя несколько часов работы (при значительно более длительном воздействии образующегося газа, чем было бы в случае ожидаемой нормальной работы). При нормальной работе твердая фаза может быть рециркулирована через примерно 8-15 мин. До и после регенерации результаты как по крекингу, так и по конверсии водяного газа были идентичны.

В устройстве, соответствующем одному из вариантов осуществления настоящего изобретения, биомасса вступает в контакт с теплоносителем и горячим газом, она пиролизуется (газифицируется), и в верхней части реактора газификации 12 формируется область, занятая теплоносителем, углем и углеродсодержащими частицами. Захваченный теплоноситель циркулирует по захваченным биомассе, углю и горячим газам. По мере пиролиза углеродсодержащих частиц они выделяют газ, образующий над псевдоожиженным слоем область с более высокими скоростями.

Как описано в настоящем документе, в системе 1 пиролизованную твердую фазу выводят из верхней части реактора 12 и после разделения подают либо в блок обработки газа 20, либо в камеру сгорания 32, затем выводят из устройства в результате увлечения газом, несмотря на низкую скорость газа у входного отверстия ниже слоя теплоносителя. Это становится возможным благодаря исполнению области с псевдоожиженным материалом, над которой находится область захваченных материалов, из которой выводят все содержащиеся в слое теплоносителя частицы, включая инертные материалы и уголь. Таким образом, увлечение твердой фазы происходит частично благодаря внутрицикловому образованию газа, из-за чего существенно увеличивается объем газа, перемещающегося через реактор и далее в блок обработки газа 20, при этом не происходит нежелательного агрегирования.

Биомасса, т.е. углеродсодержащие материалы, подаваемые в реактор газификации 12, могут подвергаться более чем 60%-ной конверсии доступного углерода за один проход через систему 1, так как настоящее изобретение обеспечивает возможность функционирования системы при температурах более 980 °С. Оставшийся углерод сжигается в модуле сгорания 32 с выделением тепла, расходуемого на осуществление реакции пиролиза при рециркуляции теплоносителя. Если в камере сгорания 32 используется другое топливо, в модуле газификации 12 может происходить конверсия дополнительного количества углерода. При использовании влагосодержащего топлива, такого как муниципальные отходы, конверсия углерода может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от рабочей температуры реактора газификации 12, поэтому в предпочтительном варианте осуществления изобретения предусматривается серия стадий обработки (и сушки) сырья перед подачей его в виде потока Р2 в реактор.

Газ, подаваемый в модуль газификации 12, обычно представляет собой пар (как показано), рециркулируемый образующийся газ и инертные газы, такие как азот, аргон и их смеси. Предпочтительными в контексте настоящего изобретения газами являются пар и рециркулируемый образующийся газ, наиболее предпочтительно пар и инертные газы.

В соответствии с настоящим изобретением увлеченные газом материалы, выходящие из верхней части реактора газификации 12, подают в модуль обработки газа 20 (образующийся синтез-газ), а твердую фазу (уголь, углеродсодержащие материалы и теплоноситель) возвращают в модуль сгорания 32 для соответственно сжигания и нагревания. Газом увлекается вся твердая фаза за исключением нежелательных посторонних материалов, таких как металлический лом, вносимый по неосторожности со свежим топливом, для извлечения которого может быть предусмотрено специальное устройство.

Система согласно настоящему изобретению является эксплуатационно гибкой, для нагрева теплоносителя в ней может быть использована камера сгорания любого типа, с псевдоожиженным слоем топлива, поточная или без псевдоожижения. Теплоноситель нагревается при прохождении через зону модуля сгорания 32, в которой происходят экзотермические реакции.

На основании вышеизложенного специалисты в данной области могут оценить усовершенствования, обеспечиваемые настоящим изобретением, к которым относится использование внутрициклового модуля обработки газа, использование рециркулируемой фазы, обладающей каталитической активностью или влиянием на процесс, использование пара в качестве реагента в модуле обработки газа, рабочее отношение H ₂ :CO около 2:1 или выше, что минимизирует необходимость последующей корректировки (положительное отношение по водороду).

Наконец, нельзя не отметить, что для получения свободного водорода (H ₂ ) здесь используется внутрицикловый синтез, а не определенные нефтехимические реакции, как, например, последующие реакции с участием водяного газа.

Продукты, получаемые при помощи описанного выше устройства, включают газ с таким благоприятным отношением водород:монооксид углерода, что он может быть использован в качестве добавки к бензину, в топливных элементах или при получении электроэнергии, обычно на газотурбинной электростанции комбинированного цикла.

Как отмечалось выше, хотя в настоящем устройстве производится до 50% и более водорода, который может быть использован непосредственно, возможны также последующие стадии извлечения водорода, которые, по выбору, включают общеизвестное мембранное разделение на основе парциальных давлений или конверсию водяного газа на второй или последующих стадиях.

В контексте настоящего документа под инертным материалом понимается относительно инертный (относительно химически неактивный) по сравнению с реакционноспособными углеродсодержащими соединениями материал, который может представлять собой теплоноситель, такой как песок, известняк и другие кальциты или оксиды. Более подробно, некоторые из этих теплоносителей могут не быть относительно инертными и, напротив, могут принимать участие в реакции в качестве реагентов или катализаторов, таким образом, словосочетание «относительно инертный » используется по сравнению с углеродсодержащими соединениями, а не в узком или чисто качественном химическом смысле, который обычно имеют в виду, когда говорят о благородных газах. Например, при газификации угля известняк применяют в качестве средства улавливания серы с целью снижения выбросов сульфатов, т.е. он участвует в реакциях крекинга смол в модуле газификации 12 и модуле обработки газа 20, однако в используемом в контексте настоящего документа смысле является относительно инертным.

Наряду с тем, что одним из преимуществ описываемой системы является существенное уменьшение агломерации из-за высоких рабочих температур и использования внутри цикла модуля обработки газа 20, к сырью, подаваемому в реактор газификации, могут быть добавлены другие материалы, способствующие дальнейшему совершенствованию работы устройства и повышению выхода готовых к использованию газов, отводимых из модуля обработки газа 20. Например, было обнаружено, что агломерацию золы, песка и угля в системе газификации 1 можно еще больше уменьшить путем добавления к внутрицикловому теплоносителю и, по выбору, сырью оксида магния (MgO), оливина или других составов с железосодержащей поверхностью. Поскольку общеизвестно, что агломерация обычно является результатом частичного расплавления золы при высокотемпературной конденсации, минимизация такой высокотемпературной конденсации и ограничение условий ее возникновения дает ощутимые выгоды. В устройствах, относящихся к известному уровню техники, для снижения агломерации золы вне цикла ее разбавляют, добавляя оксид кальция (CaO) и оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ); в патенте № 6808543 (где никак не упоминается внутрицикловый блок обработки газа) говорится, что добавление оксида магния (MgO) еще более эффективно уменьшает агломерацию путем изменения эвтектики, образующейся вне цикла зольной смеси и, тем самым, увеличения ее температуры плавления, в результате чего агломерация снижается до уровня от 1 до 25 вес.% относительно веса сырья.

Однако в отличие от изложенного в патенте № 6808543 и в любых других ссылках на родственные источники настоящее изобретение предусматривает использование внутри цикла катализатора, которым является оливин, в количестве 1-50% от веса теплоносителя, более предпочтительно 2-40 вес.% каталитически активного материала добавляют к внутрицикловому теплоносителю с целью снижения агломерации (путем предотвращения ее начала, конверсии и подавления) и стимулирования катализа.

Используемые в настоящем документе словосочетания «теплопередающая среда » или «теплоноситель » не должны рассматриваться специалистами в данной области, как означающие только песок или оливин, напротив, к ним относятся все твердые неорганические соединения, способные, по меньшей мере, временно не подвергаться термическому разложению при температурах до 110 °C/2012 °F. Следовательно, такие теплоносители не следует рассматривать исключительно как упоминаемые в настоящем документе материалы, правильнее считать, что, как таковые, они могут включать (без ограничения или исключения) каталитически активные материалы и каталитически неактивные материалы, обычный песок (кварц или что-либо другое), оливин, оксид кремния (SiO ₂ или SiO ₄ ), оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ), полевой шпат и другие оксиды металлов (включая MgO, CaO _x , ZnO _x , ZrO _x , TiO _x , B ₂ O ₃ ), всевозможные включающие их сочетания и составы, в том числе те, которые частично или полностью стабилизированы, предварительно подвергнуты спеканию или иной термической обработке и которые могут иметь природное или искусственное происхождение.

Специалисты в данной области под используемым в настоящем документе словосочетанием «каталитически активный теплоноситель » должны понимать каталитически активные материалы, которые включают, кроме прочего, все перечисленные выше теплоносители, которые активируют реакции разложения углеводородов; к ним относятся обработанный и необработанный доломит, обработанный и необработанный оливин, оксид алюминия (встречающийся в природе и полученный искусственно, любой из которых может быть подвергнут обжигу или обработке другими способами), оксиды щелочных металлов, оксиды благородных металлов, составы на основе никеля (включая Ni/Al ₂ O ₃ , NiCuMo/SiO ₂ или SiO ₄ -Al ₂ O ₃ ), оксиды на основе магния, оксиды на основе железа, оксиды кальция, оксиды на основе ванадия, оксиды на основе хрома, оксиды кобальта, оксиды меди, оксиды молибдена, обожженные доломиты, магнезиты, цеолиты и высокотемпературные оксидные составы, содержащие перечисленные элементы.

В настоящем документе под катализатором транспорта железа понимаются, кроме прочего, те из перечисленных выше теплоносителей, которые содержат железо, а также другие железосодержащие керамические материалы и составы, включая природный и полученный искусственно оливин.

Аналогично, специалистам в данной области понятно, что выражение «внутри цикла » означает операцию или процесс, например, обработка газа, который осуществляется в циркулирующей текучей среде между реактором газификации и камерой сгорания, а не отдельный внешний процесс вне данного устройства. Например, модуль обработки газа 20 является «внутрицикловым », поскольку в него поступает теплоноситель из модуля сгорания и синтез-газ из реактора газификации.

В формуле изобретения пункты «средство плюс функция » или «стадия плюс функция » охватывают устройства и реакции, описываемые или предлагаемые в настоящем документе, как выполняющие изложенные функции или осуществляющие реакции, и не только конструктивные и химические эквиваленты, но также эквивалентные устройства и составы. Так, например, хотя гвоздь, винт и болт могут не быть конструктивными эквивалентами, исходя из того, что действие гвоздя основано на трении между деревянной деталью и цилиндрической поверхностью, винтовая поверхность винта непосредственно сцепляется с деревянной деталью, а головка болта и гайка сжимают противоположные стороны деревянной детали, в области крепления деревянных деталей гвоздь, винт и болт специалистами в данной области могут восприниматься как эквивалентные устройства. Аналогично, словосочетание «каталитически активные материалы » охватывает материалы, функционирующие как катализаторы.

Из описания по меньшей мере одного предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи понятно, что настоящее изобретение не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления, и что возможны различные изменения, модификации и переделки, осуществляемые специалистами в данной области в пределах объема или существа настоящего изобретения, определяемых в формуле изобретения.