Способ и устройство для удаления смол из синтез-газа, полученного во время газификации биомассы

Способ и устройство для удаления смол из синтез-газа, полученного во время газификации биомассы

Реферат

Настоящее изобретение относится к способу газификации биомассы в реакторе в соответствии с преамбулой п. 1 формулы изобретения.

Такой способ известен из WO 2008/010717 А2 обладателя настоящего патента и описывает способ и систему, где газ, покидающий реактор с биомассой, подвергается воздействию потока масла. Избыток масла рециркулируется и после отфильтровывания из него пыли используется снова для вступления в контакт с газом из реактора. Дополнительное масло получается из расположенного далее по ходу способа разделительного устройства, в которое поступает газ.

В WO 03/018723 обладателя настоящего патента описывается так называемая система OLGA, которая специально сконструирована для газификации биомассы. Газ, который возникает в результате газификации, подвергается воздействию двухстадийной обработки с очисткой для удаления смол. На первой стадии газ конденсируется в первой текучей среде для очистки, которая представляет собой масло. Насыщение может иметь место, например, посредством разбрызгивания масла в потоке газа.

На второй стадии масло используют для поглощения оставшихся смол в поглотительной колонне.

После использования масло, нагруженное смолами, высвобождается в сепаратор, где тяжелые фракции возвращаются в газификатор биомассы, а более легкие фракции используются далее как масло для указанного выше способа.

Хотя теоретически - это хорошо функционирующая система, практика показала, что после периода запуска, когда очистка является очень эффективной, после первой стадии очистки значительная часть газа не охлаждается, и смолы не конденсируются и должны удаляться на второй стадии поглощения. Однако абсорбер, используемый для этой цели, должен иметь относительно малые размеры и по этой причине не может работать при более высоких температурах. Это означает, что эффективность первой стадии очистки не является такой, как можно было бы ожидать. Кроме того, качество масла изменяется со временем, вызывая проблемы при манипуляциях в системе, требуя некоторой формы извлечения масла. Более конкретно, распределение более легких и более тяжелых компонентов изменяется в направлении повышения доли более тяжелых компонентов, делая вязкость значительно более высокой, а удаление смолы менее эффективным.

Настоящее изобретение имеет целью преодолеть это препятствие, предусмотреть первую стадию очистки, где может удаляться более значительная часть смол, присутствующих в газе и являющихся специфичными для газификации биомассы.

В соответствии с настоящим изобретением, эта цель реализуется с помощью способа, имеющего признаки п. 1 формулы изобретения.

Неожиданно обнаружено, что, если используются ароматические углеводороды, эффективность очистки на первой стадии очистки может быть значительно повышена.

Кроме того, эти ароматические углеводороды подвергаются воздействию стадии разделения после их использования.

В оригинальной концепции OLGA в качестве масла для очистки используют алифатический углеводород, имеющий линейную молекулярную цепь, или алкен.

Видимо, и это можно объяснить, свойства растворимости ароматических компонентов смол в ароматическом растворителе гораздо лучше, чем в алифатическом растворителе.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения, ароматические углеводороды представляют собой углеводороды, соответствующие ароматическим углеводородам смол. Более конкретно - такие углеводороды содержат как тяжелые, так и легкие смолы. Относительно легкая смола определяется как смола, содержащая от трех до четырех колец ПАУ.

В соответствии с настоящим изобретением, первая смесь, содержащая первую текучую среду для очистки и смолу, поглощенную в ней, подвергается воздействию первой стадии разделения. На этой стадии разделения осуществляют разделение на основе температуры испарения соответствующего компонента в первой смеси. В соответствии с настоящим изобретением, более легкая фракция, получаемая при таком разделении, добавляется в поток газа из реактора газификации, а более тяжелая фракция высвобождается. Часть этой высвобождаемой тяжелой фракции может возвращаться на вход реактора с биомассой, или, поскольку эта фракция содержит большое количество химической энергии, может использоваться для других целей нагрева.

В качестве примера, более легкая фракция содержит одно или несколько соединений из этилбензола, м/п-ксилола, о-ксилола + стирола, фенола, о-крезола, индена, м/п-крезола, нафталина, хинолина, изохинолина, 2-метил-нафталина, 1-метил-нафталина, бифенила, этенил-нафталина, аценафтилена, аценафтена, флюорена, фенантрена, антрацена, флюорантена, пирена, и более тяжелые фракции содержат, например, одно или несколько соединений из бензол-антрацена, кризена, бензо(b)-флюорантена, бензо(k)-флюорантена, бензо(е)-пирена, бензо(а)-пирена, перилена, индено(123-cd)-перилена, дибензо(ah)-антрацена, бензо(ghi)-перилена, коронена.

В соответствии с более предпочтительным вариантом осуществления, первая смесь не подвергается прямому воздействию первой стадии разделения, но хранится в промежуточном буфере. Из этого промежуточного буфера часть первой смеси поступает в первый сепаратор, описанный выше. Оставшаяся часть подвергается воздействию первой стадии очистки. Это означает, что первая смесь из первой стадии очистки только частично подвергается воздействию первой стадии разделения. Кроме того, в этот промежуточный буфер могут добавляться вещества, имеющие воздействие на вязкость смеси в нем. Более конкретно, могут добавляться вещества, подобные пыли (активированный уголь и зола), для повышения вязкости. В качестве примера рассматривается пыль, выделенная из газа из реактора с биомассой. Такая пыль может выделяться из газа на некоторой стадии до первой стадии очистки или после первой стадии очистки. Если выделение осуществляют до первой стадии очистки, предпочтительно осуществляют очистку на основе силы тяжести, например, в циклоне. Если выделение осуществляют после первой стадии очистки, разделение предпочтительно осуществляют с помощью электростатического фильтра.

После первой стадии очистки предусматривается вторая стадия очистки на основе поглощения.

Заметим, что в этот способ могут добавляться вещества для поддержания необходимых свойств при очистке для первой текучей среды. Дополнительные шаги должны бы быть предприняты для повышения, поддержания или понижения соответствующей температуры в соответствующем положении.

Далее по ходу способа после первой стадии очистки предусматривается вторая стадия очистки, которая могла бы осуществляться с помощью поглощения посредством использования масла, имеющего более линейную структуру молекулярных цепей (алифатическое масло). Относительные малые количества смол могли бы очень эффективно удаляться в такой расположенной далее по ходу способа поглотительной системе. Однако предварительным условием является то, что на первой стадии разделения уже удаляется большая часть смол.

Настоящее изобретение также относится к системе газификации биомассы, содержащей газификатор биомассы, имеющий вход для биомассы, которая должна газифицироваться, и выход для получаемого газа, указанный выход соединен с первым устройством для очистки, указанное первое устройство для очистки содержит вход 45, соединенный с указанным выходом, а также вход для первой текучей среды для очистки, выход для очищенного газа и выход для продукта, получаемого в результате очистки, где указанное первое устройство для очистки содержит устройство для насыщения, и указанный выход соединен с первым разделительным устройством для извлечения указанной первой текучей среды из указанного выхода, где указанное первое разделительное устройство содержит разделительную колонну, у которой выход для легких ароматических фракций соединен с входом для первой текучей среды для очистки указанного первого устройства для очистки и выход для тяжелой ароматической фракции соединен с выходом для высвобождения.

Более конкретно, предусматривается буферная емкость, присоединенная между первым устройством для очистки и первым разделительным устройством, где такая буферная емкость соединена с входом для первой текучей среды для очистки указанного первого устройства для очистки. Настоящее изобретение будет дополнительно описываться со ссылками на его пример, который схематически показан на чертеже.

На чертеже схематически показана система в соответствии с настоящим изобретением. Предусматривается газификатор 3 биомассы, в который добавляют поток биомассы 1 через его вход 40. Газ для газификации, такой как воздух, кислород и/или водяной пар, схематически показан как 2 и поступает на вход 43. За исключением биомассы 1, также поток относительно тяжелых смол, показанный как 34, может поступать либо через вход 40, либо через отдельный вход 42, в зависимости от типа газификатора (например, газификатор с одинарным или сдвоенным реактором).

В газификаторе биомассы имеет место газификация при температуре 600-1300°С. Подаются субстехиометрические количества кислорода.

Газы 4, покидающие выход 41 газификатора, содержат, кроме желательных компонентов (СО, Н₂, Н₂О, СН₄), также (угольную) пыль и смолы (более тяжелые углеводороды).

На первой стадии реализуется разделение на основе силы тяжести, а более конкретно, с помощью циклона 5, для удаления пыли, образующейся в газе 6. Поток пыли, получаемой из циклона, обозначается как 7 и частично вводится во вход 53 буферной емкости 13, как показано с помощью стрелки 37, в то время как другая его часть может высвобождаться с помощью других средств, это показано как 38.

Поток 6 газа, частично очищенного от пыли, смешивается с более легкой фракцией из продукта 22. Полученная смесь обозначается как 29 и поступает в устройство 8 для насыщения. Через вход 46 устройства для насыщения первая текучая среда 11 для очистки распыляется в направлении сверху вниз над потоком газа, который движется в направлении снизу вверх к выходу 47 и линия 14. Большая часть смол, содержащихся в потоке газа, захватывается таким образом и вместе с первой текучей средой высвобождается через выход 49 и поступает в буферную емкость 13, как показано с помощью стрелки 12. Кроме входа для высвобождения из первого устройства 8 для очистки буферная емкость 13 содержит вход 53, как описано выше, для частиц пыли из циклона 5. Также предусматривается вход 54, в который может поступать дополнительная пыль из расположенного далее по ходу способа фильтра 15 и выход 16 для высвобождения, как показано с помощью стрелки 35. Буферная емкость 13 имеет два выхода, один выход 56 для первой текучей среды 11 для очистки, которая подается в насос 10, как показано с помощью стрелки 9, а затем поступает в первое разделительное устройство 8. Второй выход 57 обеспечивает соединение вдоль стрелки 22 с разделительной колонной 23. В этой колонне 23 газ 24 поступает в ее нижнюю часть. Этот газ предпочтительно происходит из внешнего источника 25 и может содержать водяной пар, диоксид углерода и/или азот. Также возможно, чтобы этот газ представлял собой часть конечного получаемого газа, и этот газ показан на чертеже как 26. Такой относительно чистый газ 24 поступает в нижнюю часть колонны 23 и может предварительно нагреваться. Благодаря потоку такого газа, осуществляется разделение на основе температуры испарения. Более легкая фракция продукта 22, поступая на вход 52 колонны 23, выделяется через выход 50, этот поток 28 смешивается с потоком 5 газа с получением потока 29.

Например, температура испарения в первом разделительном устройстве 8 составляет 280-320°С. Однако это зависит от легкой фракции, которая является приемлемой в потоке 6 газа.

Более тяжелая часть смеси, содержащая смолы и пыль, и первую текучую среду для очистки, не будет испаряться и высвобождаться через выход 51. Этот поток 30 может частично возвращаться на нижнюю сторону газификатора биомассы, как показано с помощью стрелки 32, насоса 33 и стрелки 34. Однако возможно также высвобождение этой тяжелой фракции другим путем, как показано с помощью стрелки 31. Разумеется, возможно, что в зависимости от обстоятельств один из этих вариантов высвобождения является (более) предпочтительным.

За исключением смол, содержащих только углеводороды и пыль, также и композиции, содержащие серу и хлориды, могут удаляться из потока газа.

С помощью добавления твердых компонентов, таких как пыль, как показано с помощью стрелок 35 и 37, будет изменяться вязкость смеси в емкости 13, а также продукта 30. Это может быть желательным, и отношение пыли из циклона 5, которая поступает в емкость 13 и которая высвобождается, как показано с помощью стрелки 38, а также отношение количеств, высвобождаемых в соответствии со стрелками 35 и 36, определяют увеличение вязкости смеси, покидающей емкость 13.

Как указано выше, далее по ходу способа после первого разделительного устройства 8 предусматривается фильтр 15. Предпочтительно, этот фильтр 15 представляет собой электростатический преципитатор, удаляющий пыль. После двух стадий 5 и 15 обеспыливания получаемый газ является по существу свободным от пыли, и этот поток 17 газа поступает в нижнюю часть абсорбера 18. Поток (алифатического) масла (на основе алканов) поступает в верхнюю часть этого абсорбера, это показано как 19. Смолы вместе с маслом высвобождаются как 20, в то время как чистый газ, не содержащий смол, показан как 21. Часть его может рециклироваться как 26, и газ, показанный как 27, представляет собой конечный продукт газа.

Пример

В примере поток 6 газа имеет температуру выше точки росы для смолы в газе, как правило, 200-400°С при атмосферных условиях, при повышенных давлениях - чуть выше. Газ частично конденсируется в колонне 8 с помощью масла при температуре, предпочтительно, чуть выше точки росы для воды, для потока 6 газа, как правило, она составляет 50-90°С. Смесь в емкости 13 как таковая будет иметь температуру в пределах между начальной температурой масла и начальной температурой потока газа, следовательно, в пределах между 150 и 250°С. Как правило, эта температура повышается на 50-100°С для обеспечения разделения потоков 50 и 51. Выход на различных стадиях будет сильно зависеть от композиции потока 6 газа, а следовательно, от используемого газификатора и рабочих условий выбранного газификатора. Для газификаторов без первичных мер для удаления смолы, подобных материалам каталитического слоя, получаемое разделение между легкими и тяжелыми смолами в колонне 8 будет находиться в пределах между 20 и 80%. Разделение в колонне 23 будет сильно зависеть от желаемой вязкости смеси в емкости 13 и продукта 51, хотя, как правило, оно составляет от 30 до 70% при выделении из верхней части колонны.

В соответствии с приведенным выше описанием, специалисту в данной области понятно, что раскрытая система может быть изменена в зависимости от целей использования. Более конкретно, в зависимости от содержания биомассы, добавляемой в газификатор 3, желаемый выход системы и допустимые адаптации высвобождения могут осуществляться для нескольких технологических потоков, и могут добавляться или исключаться дополнительные устройства.

Такие изменения находятся в пределах знаний специалиста в данной области и в пределах рамок прилагаемой формулы изобретения.

1. Способ очистки потока газа, полученного при газификации биомассы в реакторе (3) при температуре 600-1300°С, включающий удаление смол в две стадии, где на первой стадии очистки газ из реактора насыщается при температуре 250-900°C с помощью первой текучей среды, содержащей ароматические углеводороды, и поглощение на второй стадии очистки после первой стадии очистки оставшихся смол с помощью второй текучей среды на основе углеводородов, где смесь смол и первая текучая среда на основе углеводородов, получаемая в результате первой стадии очистки, вводятся на первую стадию (23) разделения отдельно от указанной второй текучей среды на основе углеводородов, отличающийся тем, что на указанной первой стадии (23) разделения осуществляется разделение на основе испарения на легкую ароматическую фракцию и тяжелую ароматическую фракцию и где легкая ароматическая фракция добавляется в первый поток газа из реактора (3) на первой стадии очистки, и где тяжелая ароматическая фракция удаляется.

2. Способ по п.1, где указанная первая текучая среда содержит ароматические углеводороды, соответствующие смолам, которые должны удаляться.

3. Способ по п.1 или 2, где указанная легкая фракция содержит одно или несколько соединений, выбранных из этилбензола, м/п-ксилола, о-ксилола + стирола, фенола, о-крезола, индена, м/п-крезола, нафталина, хинолина, изохинолина, 2-метил-нафталина, 1-метил-нафталина, бифенила, этенил-нафталина, аценафтилена, аценафтена, флюорена, фенантрена, антрацена, флюорантена, пирена, и где указанная тяжелая фракция содержит одно или несколько соединений, выбранных из бензо(а)-антрацена, кризена, бензо(b)-флюорантена, бензо(k)-флюорантена, бензо(е)-пирена, бензо(а)-пирена, перилена, индено(123-cd)-перилена, дибензо(ah)-антрацена, бензо(ghi)-перилена, коронена.

4. Способ по п.1 или 2, где указанная первая смесь поступает в буфер (13) до первой стадии разделения, часть смеси из указанного буфера подвергается воздействию указанной первой стадии разделения, а другая часть из указанного буфера повторно используется для указанной первой стадии очистки.

5. Способ по п.1 или 2, где указанный газ очищается до указанной первой стадии очистки в циклоне (5).

6. Способ по п.1 или 2, где указанный газ очищается между указанными первой и второй стадиями очистки с помощью электростатического фильтра (15).

7. Способ по п.5, где указанную первую смесь подают в буфер (13) до первой стадии разделения и где не-газообразная фракция, получаемая от циклона, подается в указанный буфер (13) для регулирования вязкости текучей среды в буфере.

8. Способ по п.6, где указанную первую смесь подают в буфер (13) до первой стадии разделения и где не-газообразная фракция, получаемая от электростатического фильтра, подается в указанный буфер (13) для регулирования вязкости текучей среды в буфере.

9. Способ по любому из пп.1, 2, 7 или 8, где указанная вторая текучая среда по существу содержит линейные углеводороды.

10. Система для газификации биомассы (1), содержащая реактор (3) биомассы, имеющий вход (40) для биомассы, которая должна газифицироваться, и выход для газа, получаемого из нее, где указанный выход (41) соединен с первым устройством (8) для очистки, указанное первое устройство (8) для очистки содержит вход (45), соединенный с указанным выходом, и вход (46) для первой текучей среды для очистки, содержащей ароматические углеводороды, выход (47) для очищенного газа и выход для высвобождения (49) для остальных продуктов, получаемых в результате указанной очистки, где указанное первое устройство (8) для очистки содержит устройство для насыщения, где указанный выход для высвобождения (49) соединен с первым устройством (23) для разделения для извлечения указанной первой текучей среды из указанного высвобождаемого потока, отличающаяся тем, что указанное первое устройство (23) для разделения содержит разделительную колонну, выход (50) которой для легких ароматических фракций соединен с указанным входом (45) для первой текучей среды для очистки из указанного первого устройства для очистки, и выход (51) для тяжелых ароматических фракций соединен с выходом для высвобождения (30).

11. Система по п.10, дополнительно содержащая буферную емкость (13), расположенную между указанным первым устройством (8) для очистки и указанным первым устройством (23) для разделения, где указанная буферная емкость соединена с входом (46) для указанной первой текучей среды для очистки указанного первого устройства (8) для очистки.

12. Система по п.11, где буферная емкость (13) снабжена подачей (53, 54) для веществ, повышающих вязкость.

13. Система по п.12, дополнительно содержащая циклон (5), расположенный между указанным реактором (3) и указанным первым устройством для очистки, выход для высвобождения (7) указанного циклона соединен с указанным буфером (13).

14. Система по п.12 или 13, дополнительно содержащая электростатический фильтр (15), расположенный по ходу способа после указанного первого устройства (8) для очистки, выход для его высвобождения (16) соединен с указанным буфером (13).