Способы газификации углеродсодержащих материалов

Способы газификации углеродсодержащих материалов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение в целом относится к способу газификации углеродных материалов для получения синтез-газа, или сингаза. Данное изобретение относится к способу совместной газификации метансодержащего газа, такого как газ из органических отходов, и углеродных материалов с образованием сингаза. Данное изобретение также относится к способу получения одного или нескольких спиртов из указанного сингаза путем ферментации или дигерирования в присутствии по меньшей мере одного микроорганизма.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение включает получение синтез-газа, содержащего СО, СO₂ и H₂, путем газификации углеродсодержащих материалов. Синтез-газ можно применять для получения одного или нескольких химических продуктов биологическим или химическим путем. Синтез-газ можно также применять для получения энергии и генерирования электричества.

Таким образом, синтез-газ можно использовать для получения спиртов (метанола, этанола, пропанола, бутанола и т.д.), уксусной кислоты, ацетатов, водорода и т.п. путем ферментации или дигерирования с помощью некоторых микроорганизмов. Описано применение различных штаммов ацетогенных бактерий: Butyribacterium methylotrophicum, Clostridium autoethanogenum, Clostridium carboxidivorans, Clostridium ljungdahlii, Clostridium ragsdalei для получения жидкого топлива из сингаза.

В патенте США №5173429, Gaddy et al., раскрыты анаэробные микроорганизмы Clostridium ljungdahlii ATCC No.49587, которые продуцируют этанол и ацетат из синтез-газа. В патенте США №5807722, Gaddy et al., раскрыт способ и аппаратура для превращения отходящих газов в полезные продукты, такие как органические кислоты и спирты, с помощью анаэробных бактерий типа Clostridium ljungdahlii ATCC No. 55380. В патенте США №6136577, Gaddy et al., раскрыт способ и аппаратура для превращения отходящих газов в полезные продукты, такие как органические кислоты и спирты (в частности, этанол), с помощью анаэробных бактерий типа Clostridium ljungdahlii ATCC №№55988 и 55989. В патенте США №6136577, Gaddy et al, раскрыт способ и аппаратура для превращения отходящих газов в полезные продукты, такие как органические кислоты и спирты (в частности, уксусную кислоту), с помощью анаэробных штаммов Clostridium ljungdahlii. В патенте США №6753170, Gaddy et al, раскрыт способ ферментации с помощью анаэробных микробов для получения уксусной кислоты. В патенте США №7285402, Gaddy et al., раскрыт способ анаэробной ферментации микробами для получения спирта.

В патентной заявке США №20070275447 раскрыты бактерии клостридии (Clostridium carboxidivorans, ATCC BAA-624, "P7"), способные синтезировать из отходящих газов продукты, используемые в качестве биотоплива. В патентной заявке США №20080057554 раскрыты бактерии клостридии (Clostridium ragsdalei, ATCC BAA-622, "P11"), способные синтезировать из отходящих газов продукты, пригодные для применения в качестве биотоплива.

В патенте WO 2007/117157 раскрыты способы анаэробной ферментации с образованием ацетата в качестве побочного продукта наряду с целевыми продуктами и утилизацией водорода и/или диоксида углерода. В этом изобретении ферментацию проводят с помощью одного или нескольких штаммов бактерий, которые выбирают из Clostridium, Moorella и Carboxydothermus. В патенте WO 2009/064200 раскрыт класс бактерий, особенно эффективных в получении этанола путем анаэробной ферментации субстратов, содержащих монооксид углерода. Показано, что, например, бактерии Clostridium autoethanogenum способны образовывать этанол и ацетат.

Сингаз можно превратить в различные химические продукты и топливо с помощью химического каталитического процесса, например, протекающего в присутствии катализаторов, содержащих Сu и Zn, с образованием метанола или смеси спиртов, а также катализаторов, содержащих Со и Rh, для получения этанола и катализаторов синтеза Фишера-Тропша с образованием олефинов и т.п. В патенте WO 2009/035851 раскрыты способы превращения сингаза в этанол и/или другие высшие спирты в реакторах с катализаторами, способными превращать сингаз в спирты, причем указанные катализаторы содержат по меньшей мере один элемент группы IB, по меньшей мере один элемент группы IIВ и по меньшей мере один элемент группы IIIA.

В патенте WO 2010/002618 раскрыт способ получения спиртов из газа, содержащего водород и монооксид углерода, включающий: пропускание газа через реактор с нанесенным катализатором, содержащим элементный молибден, кобальт и щелочной или щелочноземельный металл и/или их гидриды.

Производство химических продуктов или энергии в целом зависит от качества полученного сингаза, например от количества или концентрации СО и Н₂ в нем, а также соотношения CO/H₂. Известные способы повышения выхода этанола путем увеличения концентрации СО и H₂ в сингазе, а также соотношения CO/H₂ включают совместную газификацию в газогенераторе диоксида углерода, метансодержащего газа типа газа из органических отходов с углеродным материалом. В патенте WO 2009/154788 раскрыт способ получения сингаза газификацией углеродного материала в газогенераторе, включающий: подачу газообразного диоксида углерода, кислорода и углеродного материала в газогенератор; получение сингаза, содержащего монооксид углерода и водород.

В патенте WO 2009/112334 раскрыт способ, в котором на стадию газификации подают в качестве исходного сырья газ из органических отходов, который в основном содержит смесь метана, диоксида углерода и сульфида водорода, образующуюся на мусорных свалках.

Таким образом, в патенте США 6595001 раскрыт способ утилизации метансодержащего газа путем подачи метансодержащего газа в систему двигатель/генератор.

В широко применяемом способе газификации углеродных материалов с образованием сингаза, обогащенного СО и Н₂, в газогенераторе используют газовую атмосферу, дефицитную по кислороду или обедненную кислородом, что препятствует полной конверсии углерода в углеродном материале. Однако в условиях обеднения кислородом часть углерода в углеродном материале часто остается в составе полученного сингаза в виде частиц непрореагировавшего углерода, или сажи. Другая часть углерода из углеродного материала в виде непрореагировавшего углерода остается в золе.

Неполное превращение углеродного сырья в СО и Н₂ означает, что для получения энергии или химических продуктов (например, этанола) в исходном сырье имеется меньшее количество СО и Н₂. Повышенное количество частиц непрореагировавшего или непревращенного углерода, или сажи, в сыром сингазе увеличивает трудности очистки сингаза и затраты. Повышенное количество частиц непрореагировавшего углерода в золе увеличивает трудности и затраты на разложение золы.

Было бы желательно разработать способ работы газогенератора, который обеспечит максимальное получение энергии или химических продуктов из полученного в газогенераторе сингаза при сохранении на желательном низком уровне количества частиц непрореагировавшего или непревращенного углерода, или сажи, в сыром сингазе и количества непрореагировавшего углерода в золе особенно при совместной газификации метансодержащего газа и сырья с углеродным материалом.

Настоящее изобретение предлагает различные новые и эффективные конструкции газогенераторов и не известные ранее способы работы газогенератора. Предлагаемое изобретение решает поставленные выше задачи.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предлагает способ газификации углеродных материалов в газогенераторе для получения газа, содержащего монооксид углерода, диоксид углерода, водород и деготь; указанный способ включает: загрузку одного или нескольких углеродных материалов, подачу газа, содержащего молекулярный кислород, метансодержащего газа и необязательно воды или водяного пара в указанный газогенератор, причем количество всего кислорода, поданного в указанный газогенератор, составляет более примерно 0.75 фунт на фунт общего количества углерода, загруженного в указанный газогенератор. В одном варианте количество всего кислорода, поданного в указанный газогенератор, составляет примерно 0.75-3.0 фунт на фунт общего количества углерода, загруженного в указанный газогенератор. В одном варианте указанный метансодержащий газ содержит один или несколько газов, которые выбирают из: алканов, алкенов, алкинов, газа из органических отходов, биогаза, газа ферментативного разложения и природного газа.

Вариант настоящего описания включает также обработку указанного полученного газа при температуре примерно от 1750°F до примерно 3500°F в присутствии молекулярного кислорода с образованием сырого сингаза, содержащего монооксид углерода, водород и сингаз-углерод. В одном варианте сингаз-сырец содержит также диоксид углерода.

Настоящее изобретение предлагает способ газификации углеродных материалов в газогенераторе с образованием сингаза путем неполного окисления; причем указанный газогенератор включает первую реакционную зону и вторую реакционную зону; указанный способ включает: загрузку одного или нескольких углеродных материалов в указанную первую реакционную зону газогенератора; подачу газа, содержащего молекулярный кислород, метансодержащего газа и необязательно воды или водяного пара в одну или обе указанные первую и вторую реакционные зоны указанного газогенератора; причем количество всего кислорода, поданного в указанный газогенератор, составляет более примерно 1.25 фунт на фунт всего углерода, загруженного в газогенератор. В одном варианте количество всего кислорода, поданного в указанный газогенератор, составляет примерно 1.25-3.5 фунт на фунт всего углерода, загруженного в указанный газогенератор.

Настоящее изобретение предлагает способ газификации углеродных материалов в газогенераторе с образованием сингаза; причем указанный газогенератор включает первую реакционную зону и вторую реакционную зону; указанный способ включает: загрузку одного или нескольких углеродных материалов в указанную первую реакционную зону газогенератора; подачу газа, содержащего молекулярный кислород, метансодержащего газа и необязательно воды или водяного пара в одну или в обе указанные первую и вторую реакционные зоны указанного газогенератора; причем количество всего кислорода, поданного в указанный газогенератор, составляет более примерно 1.25 фунт на фунт всего углерода, загруженного в указанный газогенератор. В одном варианте количество всего кислорода, поданного в указанную первую реакционную зону указанного газогенератора, составляет примерно 1.25-3.5 фунт на фунт всего углерода, загруженного в указанный газогенератор.

В качестве варианта настоящее изобретение предлагает способ, включающий также: охлаждение указанного сырого сингаза и очистку для получения чистого сингаза; контактирование указанного чистого сингаза с биокатализатором в контейнере для ферментации для получения смеси спиртов.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фигура 1 (ФИГ.1) представляет схему, иллюстрирующую вариант способа газификации по данному описанию; фигура 1 представляет двухстадийный способ газификации.

Фигура 2 (ФИГ.2) представляет схему, иллюстрирующую вариант способа получения этанола путем газификации углеродных материалов.

Фигура 3 (ФИГ.3) представляет диаграмму, иллюстрирующую зависимость выхода сингаз-углерода от общего количества кислорода, поданного в газогенератор, при различных количествах поданной в газогенератор воды.

Фигура 4 (ФИГ.4) представляет диаграмму, иллюстрирующую зависимость количества полученного этанола от общего количества поданного в газогенератор кислорода при разных количествах поданной в газогенератор воды.

Фигура 5 (ФИГ.5) представляет диаграмму, иллюстрирующую зависимость количества полученного сингаз-углерода от общего количества поданного в первую реакционную зону газогенератора кислорода при разных количествах поданной в газогенератор воды.

Фигура 6 (ФИГ.6) представляет диаграмму, иллюстрирующую зависимость количества полученного этанола от общего количества поданного в первую реакционную зону газогенератора кислорода при разных количествах поданной в газогенератор воды.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Определения

Пока не указано иное, термины, использованные в данном описании, определены следующим образом и могут включать формы либо единственного числа, либо множественного числа, приведенные ниже:

Термин «примерно», модифицирующий любое количество, относится к вариации количества, встречающегося в реальных мировых условиях, например вариации количества, встречающегося в реальных мировых условиях поддержания культуры микроорганизмов, в том числе в лаборатории, на пилотной установке или производственной установке. Например, количество ингредиента или меры, использованной в смеси, модифицированное словом «примерно», включает изменение и степень точности, обычно применяемые при определении в экспериментальных заводских или лабораторных условиях. Например, количество компонента в продукте, модифицированное словом «примерно», включает вариации между порциями в повторных экспериментах на заводе или в лаборатории и вариации, присущие аналитическому методу. Независимо от того, модифицированы они или нет словом «примерно», количества включают эквиваленты этих количеств. Любое количество, приведенное здесь и модифицированное словом «примерно», можно использовать в настоящем изобретении как количество, не модифицированное словом «примерно».

Термин «ацетоген» или «ацетогенный» относится к бактериям, которые генерируют ацетат в качестве продукта анаэробного дыхания. Этот процесс отличается от ацетатной ферментации, хотя оба процесса протекают в отсутствие кислорода и приводят к ацетату. Эти организмы также относятся к ацетогенным бактериям, т.к. все известные ацетогены являются бактериями. Ацетогены находят в разных областях, обычно в таких, которые являются анаэробными (в отсутствие кислорода). Ацетогены могут использовать разные соединения в качестве источников энергии и углерода; лучше всего изученная форма ацетогенного метаболизма включает использование диоксида углерода как источника углерода и водорода как источника энергии.

Термин «углерод в золе» в разном написании означает присутствие непрореагировавшего углерода в золе, удаляемой из газогенератора.

Термин «температура плавления золы» означает температуру, при которой плавится по меньшей мере часть золы или неорганических веществ, содержащихся в углеродсодержащем материале. Обычно эта температура составляет примерно 1400°F.

Термин «биокатализатор» означает в данном изобретении природные катализаторы, протеиновые ферменты, живые клетки, микроорганизмы и бактерии.

Термин «биореактор», «реактор» или «ферментационный биореактор» включает устройство для ферментации, состоящее из одного или нескольких сосудов и/или колонн или системы трубопроводов, которое включает проточный реактор с непрерывным перемешиванием (CSTR), реактор с иммобилизованными клетками, реактор с орошаемым слоем (TBR), барботажную колонну, газлифтный ферментер, статический смеситель или другое устройство, обеспечивающее контакт в системе газ-жидкость. Для способа по данному изобретению предпочтительно, чтобы ферментационный биореактор включал реактор для культивирования, из которого ферментационный бульон подается во второй ферментационный биореактор, в котором получают наибольшую часть продукта - этанола.

Используемый термин «углеродсодержащий материал» относится к обогащенному углеродом материалу, такому как уголь и нефтепродукты. Однако в данном описании углеродсодержащий материал включает любой углеродсодержащий материал в твердом, жидком, газообразном состоянии или в виде плазмы. Из множества рассматриваемых вариантов углеродных материалов данное изобретение включает: углеродсодержащие жидкие продукты, углеродсодержащие жидкости, направляемые на повторную промышленную обработку, углеродсодержащие твердые бытовые отходы (MSW или msw), углеродсодержащие городские отходы, углеродсодержащие сельскохозяйственные продукты, углеродсодержащие отходы лесной промышленности, углеродсодержащие древесные отходы, углеродсодержащие конструкционные материалы, углеродсодержащие растительные материалы, углеродсодержащие промышленные отходы, углеродсодержащие ферментационные отходы, углеродсодержащие побочные продукты нефтехимии, углеродсодержащие побочные продукты получения спиртов, тощий уголь, шины, пластики, отходы пластиков, каменноугольную смолу, волокна, лигнин, черный щелок, полимеры, отходы полимеров, полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полистирол (ПС), шламы сточных вод, отходы животноводства, отходы сельскохозяйственных культур, растительные материалы для энергетического использования, отходы переработки леса, отходы переработки древесины, отходы животноводческих хозяйств, отходы птицеводства, пищевые отходы, отходы ферментативных процессов, побочные продукты производства этанола, дробину, отработанные микроорганизмы или их комбинации. В данном изобретении диоксид углерода и метансодержащий газ не рассматриваются как углеродные материалы. Во избежание недоразумений различные углеродные материалы можно указывать либо в форме единственного числа, либо в форме множественного числа независимо от использования в данном определении единственного или множественного числа.

Термин «ферментация» означает ферментацию СО с образованием спиртов и ацетата. Известно, что многие анаэробные бактерии способны осуществлять ферментацию СО с образованием спиртов, включая бутанол и этанол, и уксусной кислоты и пригодны для использования в способе по настоящему изобретению. Примеры таких бактерий, пригодных для использования в данном изобретении, включают бактерии рода Clostridium, такие как штаммы Clostridium ljungdahlii, в том числе описанные в WO 2000/68407, ЕР 117309, патентах США №5173429, 5593886 и 6368819, WO 1998/00558 и WO 2002/08438, и Clostridium autoethanogenum. Другие подходящие бактерии включают бактерии рода Moorella, в том числе Moorella sp HUC22-1, и бактерии рода Carboxydothermus. Каждая из указанных публикаций полностью включена здесь ссылкой. Кроме того, специалист в данной области сможет подобрать другие ацетогенные анаэробные бактерии для использования в способе по данному изобретению. Важно также то, что в способе по настоящему изобретению можно использовать смешанную культуру из двух или нескольких бактерий. Микроорганизмами, пригодными для использования в данном изобретении, являются бактерии Clostridium autoethanogenum, выпускаемые в промышленности фирмой DSMZ с регистрационным номером DSMZ 10061.

Ферментацию можно проводить в любом подходящем биореакторе, таком как проточный реактор с непрерывным перемешиванием (CTSR), реактор с барботажной колонной (BCR) или реактор с орошаемым слоем (TBR). В некоторых предпочтительных вариантах изобретения биореактор может включать первый реактор для культивирования, в котором культивируют микроорганизмы, и второй, ферментационный реактор, в который подают ферментационный бульон из реактора культивирования и в котором получают основную часть продукта ферментации (этанола и ацетата).

Термин «волокна» в разном написании означает тип углеродного материала, образующийся в результате размягчения и концентрирования различных веществ; например, углеродсодержащий материал получают выдерживанием различных веществ в автоклаве с водяным паром. В другом примере разлагаемые волокна могут включать выдержанные в автоклаве с водяным паром бытовые, промышленные, медицинские отходы, что приводит к размягченному волокнистому материалу.

Термин «газогенератор» означает противоточный газогенератор с неподвижным слоем, прямоточный газогенератор с неподвижным слоем, газогенератор с подвижным слоем, газогенератор с кипящим слоем, газогенератор с газификацией в потоке, плазменно-дуговой газогенератор, одностадийный газогенератор, многостадийный газогенератор, двухстадийный газогенератор, трехстадийный газогенератор, четырехстадийный газогенератор, пятистадийный газогенератор и их комбинации.

Термин «микроорганизм» включает бактерии, грибы, дрожжи, архебактерии и протисты; микроскопические растения (называемые зелеными водорослями); и животные типа планктона; планарии и амебы. Некоторые авторы включают сюда также вирусы, но другие рассматривают их как неживые. Микроорганизмы живут во всех частях биосферы, где есть жидкая вода, включая грунт, горячие источники, дно океана, высокие слои атмосферы, а также глубины в камнях в земной коре. Микроорганизмы критичны для оборота пищевых веществ в экосистемах, т.к. они действуют как деструкторы. Микробы также используют в биотехнологии для приготовления как традиционной пищи, так и напитков, а также в современных технологиях, основанных на генной инженерии. Предполагают, что в данном изобретении можно использовать микроорганизмы смешанных штаммов, которые могут содержать или не содержать штаммы разных микроорганизмов. Кроме того, предполагается, что путем направленной эволюции можно селективно отобрать микроорганизмы, которые можно использовать в данном изобретении. Кроме того, предполагается, что с помощью рекомбинантной ДНК технологии можно получить микроорганизмы с использованием отобранных штаммов существующих микроорганизмов. Предполагается, что в данном изобретении будут использованы ацетогенные анаэробные (или факультативные) бактерии, способные превращать СО и воду или N₂ и СO₂ в этанол и уксусную кислоту. Полезные бактерии согласно данному изобретению включают без ограничений Acetogenium kivui, Acetobacterium woodii, Acetoanaerobium noterae, Butyribacterium methylotrophicum, Caldanaerobacter subterraneus, Caldanaerobacter subterraneus pacificus, Carboxydothermus hydrogenoformans, Clostridium aceticum, Clostridium acetobutylicum, Clostridium Autoethanogenum, Clostridium thermoaceticum, Eubacterium limosum, Clostridium ljungdahlii PETC, Clostridium ljungdahlii ER12, Clostridium ljungdahlii C-01, Clostridium ljungdahlii O-52, Clostridium ultunense, Clostridium ragsdalei, Clostridium carboxidivorans, Geobacter sulfurreducens, Moorella, Moorella thermacetica и Peptostreptococcus productus. Специалисты в данной области могут выбирать и другие ацетогенные бактерии для применения в данных способах. В некоторых вариантах настоящего изобретения несколько типичных штаммов С. ljungdahlii включают штамм PETC (патент США №5173429); штамм ERI2 (патент США №5593886) и штаммы C-01 и O-52 (патент США №6136577). Эти штаммы каждый помещены в American Type Culture Collection, 10801 University Boulevard, Manassas, Va. 20110-2209, под номерами 55383 (ранее АТСС No.49587), 55380, 55988 и 55989 соответственно. Каждый штамм С. ljungdahlii представляет собой анаэробные грам-положительные бактерии с содержанием нуклеотидов гуанина и цитозина (G+C) примерно 22 мол. %. Эти бактерии можно культивировать на многих субстратах, но не на метаноле или лактате. Эти штаммы различаются толерантностью к СО, удельными скоростями поглощения газа и удельными производительностями. На «диких» штаммах, встречающихся в природе, образуется очень мало этанола. Штаммы С. ljungdahlii в «диком» состоянии идеально работают при 37 градусах С и обычно превращают этанол в ацетил (т.е. это относится как к свободной или молекулярной уксусной кислоте, так и к ацетатам) в соотношении примерно 1:20 (1 часть этанола на 20 частей ацетила). Концентрация этанола обычно составляет всего 1-2 г/л. Хотя такая способность производить этанол представляет интерес, «дикие» бактерии нельзя использовать для экономичного промышленного производства этанола из-за низкой производительности по этанолу. Указанные выше штаммы С. ljungdahlii при незначительном варьировании питательной среды использовали для получения этанола и ацетила в соотношении 1:1 (равные части этанола и ацетила), но концентрация этанола составляет менее 10 г/л, что соответствует низкой производительности - менее 10 г/л-сутки. Кроме того, проблемной остается стабильность культуры в первую очередь из-за относительно высокой (8-10 г/л) концентрации ацетила (2.5-3 г/л молекулярной уксусной кислоты) в смеси с этанолом. Более того, при увеличении скорости газа в попытке получить больше этанола культура перестает работать в основном из-за молекулярной уксусной кислоты и далее СО. В результате культура становится нестабильной и не способной поглощать газ и производить новые порции продукта. Кроме того, ранние работы заявителей показали затруднения в получения этанола и ацетила в соотношении более 2:1 при стационарной работе. Во многих работах показано использование анаэробных бактерий, отличных от С. ljungdahlii, в ферментации сахаров без поглощения СО, СО₂ и Н₂ для получения растворителей. При попытке получить высокий выход этанола варьировали большое количество параметров, включая типы питательной среды, микроорганизмы, добавки восстановителей, изменение рН и добавки экзогенных газов.

Термин «твердые бытовые отходы», или «MSW», или «msw» означает отходы домашние, коммерческие, промышленные и/или остаточные.

Термин «сингаз», или «синтез-газ», означает синтетический газ, который представляет собой смесь газов, содержащую различные количества монооксида углерода и водорода. Примерами способов его получения служат паровой риформинг природного газа или углеводородов с образованием водорода, газификация угля и некоторые виды газификации отходов для производства энергии (отходы-в-энергию). Название синтез-газ связано с его использованием в качестве промежуточного продукта для получения синтетического природного газа (SNG) и производства аммиака или метанола. Сингаз также используют как промежуточный продукт в синтезе Фишера-Тропша для получения синтетической нефти, применяемой в качестве топлива или смазочного масла и ранее в процессе Mobil для получения бензина из метанола. Сингаз состоит в основном из водорода, монооксида углерода и очень часто некоторого количества диоксида углерода, и его энергосодержание (т.е. теплота сгорания) составляет менее половины энергосодержания природного газа. Сингаз является горючим и его часто используют в качестве источника топлива или промежуточного продукта в производстве других химических продуктов.

Термин «сингаз-углерод» означает содержание частиц непревращенного углерода в сыром сингазе, полученном газификацией.

Термин «общая загрузка углерода в газогенератор» или «общее количество углерода, добавленного в газогенератор», означает суммарное количество углерода, содержащегося в любом сырье, загруженном в газогенератор, например количество углерода, содержащегося в одном или нескольких указанных выше углеродных материалах, загруженных в газогенератор, и углерода, содержащегося в метансодержащем газе, подаваемом в газогенератор.

Термин «общая загрузка углерода в первую реакционную зону газогенератора» или «общее количество углерода, добавленного в первую реакционную зону газогенератора» означает суммарное количество углерода в любом сырье, загруженном в первую реакционную зону газогенератора, например количество углерода, содержащегося в одном или нескольких указанных выше углеродных материалах, загруженных в газогенератор, и углерода, содержащегося в метансодержащем газе, введенном в первую реакционную зону газогенератора.

Термин «общее количество кислорода, введенного в газогенератор» или «общее количество кислорода, добавленного в газогенератор» означает весь кислород, содержащийся в сырье, загруженном в газогенератор, например весь кислород, содержащийся в одном или нескольких указанных выше углеродных материалах, введенных в газогенератор, кислород, содержащийся в газе, содержащем углеводороды, введенном в газогенератор, кислород, содержащийся в воде или водяном паре, необязательно введенных в газогенератор, и кислород, содержащийся в газе, содержащем молекулярный кислород, добавленном в газогенератор (как в первую реакционную зону, так и во вторую реакционную зону).

Термин «общее количество кислорода, введенного в первую реакционную зону газогенератора» или «общее количество кислорода, добавленного в первую реакционную зону газогенератора» означает весь кислород, содержащийся в сырье, загруженном в первую реакционную зону газогенератора, например кислород, содержащийся в одном или нескольких указанных выше углеродных материалах, введенных в первую реакционную зону газогенератора, кислород, содержащийся в метансодержащем газе, введенном в первую реакционную зону газогенератора, кислород, содержащийся в воде или водяном паре, введенных в первую реакционную зону газогенератора, и кислород, содержащийся в газе, содержащем молекулярный кислород, добавленном в первую реакционную зону газогенератора.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Далее настоящее изобретение будет описано более полно и со ссылкой на фигуры, на которых показаны различные варианты настоящего изобретения. Однако предмет данного изобретения можно описать в разных формах и не следует думать, что данное изобретение ограничено приведенными здесь вариантами.

Настоящее изобретение предлагает способ газификации углеродных материалов в газогенераторе с образованием газа, содержащего моноокисд углерода, водород и деготь; причем указанный способ включает: загрузку одного или нескольких углеродных материалов, подачу газа, содержащего молекулярный кислород, подачу метансодержащего газа и необязательно воды или водяного пара в указанный газогенератор, причем общее количество кислорода, введенного в указанный газогенератор, составляет более примерно 0.75 фунт на фунт всего углерода, добавленного в указанный газогенератор. В одном из вариантов общее количество кислорода, поданного в указанный газогенератор, составляет примерно 0.75-3.0 фунт на фунт всего углерода, введенного в указанный газогенератор. В одном варианте метансодержащий газ включает один или несколько газов, которые выбирают из: алканов, алкенов, алкинов, газа переработки органических отходов, биогаза, газа ферментивного разложения и природного газа. Вариант настоящего изобретения включает обработку указанного полученного газа при температуре примерно от 1750°F до примерно 3500°F в присутствии молекулярного кислорода с образованием сырого сингаза, содержащего монооксид углерода, водород и сингаз-углерод. В одном варианте сингаз-сырец содержит также диоксид углерода.

В одном варианте настоящее изобретение предлагает выбирать один или несколько углеродсодержащих материалов из следующих углеродсодержащих материалов: углеродсодержащие жидкие продукты, углеродсодержащие жидкости, направляемые на повторную промышленную обработку, углеродсодержащие твердые бытовые отходы (MSW), углеродсодержащие городские отходы, углеродсодержащие сельскохозяйственные продукты, углеродсодержащие отходы лесной промышленности, углеродсодержащие древесные отходы, углеродсодержащие конструкционные материалы, углеродсодержащие растительные материалы, углеродсодержащие побочные продукты нефтехимии, тощий уголь, пластик, отходы пластиков, каменноугольную смолу, волокна, шины, лигнин, черный щелок, полимеры, отходы полимеров, полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полистирол (ПС), шламы сточных вод, отходы животноводства, отходы сельскохозяйственных культур, растительные материалы для энергетического использования, отходы переработки леса, отходы переработки древесины, отходы животноводческих хозяйств, отходы птицеводства, пищевые отходы, отходы ферментативных процессов, углеродсодержащие промышленные отходы, побочные продукты производства этанола, дробину, отработанные микроорганизмы или их комбинации. В одном варианте содержание углерода в одном или нескольких углеродных материалах составляет примерно 0.25-1.0 фунт на фунт одного или нескольких указанных углеродных материалов в отсутствие воды. В одном варианте содержание водорода в одном или нескольких указанных углеродных материалах составляет примерно 0.0-0.25 фунт на фунт одного или нескольких указанных углеродных материалов в отсутствие воды. В одном варианте содержание кислорода в одном или нескольких указанных углеродных материалах составляет примерно 0.0-0.5 фунт на фунт одного или нескольких указанных углеродных материалов в отсутствие воды. В одном варианте указанный углеродсодержащий материал выбирают из многих следующих материалов: углеродсодержащие жидкие продукты, углеродсодержащие жидкости, направляемые на повторную промышленную обработку, углеродсодержащие твердые бытовые отходы (MSW), углеродсодержащие городские отходы, углеродсодержащие сельскохозяйственные продукты, углеродсодержащие отходы лесной промышленности, углеродсодержащие древесные отходы, углеродсодержащие конструкционные материалы, углеродсодержащие растительные материалы, углеродсодержащие побочные продукты нефтехимии, тощий уголь, пластик, отходы пластиков, каменноугольную смолу, волокна, шины, лигнин, черный щелок, полимеры, отходы полимеров, полиэтилентерефталат (ПЭТФ), полистирол (ПС), шламы сточных вод, отходы животноводства, отходы сельскохозяйственных культур, растительные материалы для энергетического использования, отходы переработки леса, отходы переработки древесины, отходы животноводческих хозяйств, отходы птицеводства, пищевые отходы, отходы ферментативных процессов, углеродсодержащие промышленные отходы, отходы производства спиртов, побочные продукты производства этанола, дробину, отработанные микроорганизмы или их комбинации.

В одном варианте в газогенераторе получают золу, содержащую углерод в золе, причем указанная зола содержит менее примерно 5% углерода в золе.

В одном варианте настоящее изобретение включает обработку указанного полученного газа при температуре примерно от 1750°F до примерно 3500°F в присутствии молекулярного кислорода с образованием сырого сингаза, содержащего моноокид углерода, водород и сингаз-углерод. В одном варианте сингаз-сырец содержит также диоксид углерода.

В одном варианте указанный сингаз-сырец содержит менее примерно 0.5 фунт сингаз-углерода на 1000 SCF полученного сырого сингаза.

В одном варианте массовое соотношение углерода и водорода в одном или нескольких углеродных материалах составляет 1-20.

В одном варианте массовое соотношение углерода и кислорода в одном или нескольких углеродных материалах составляет 1-200.

Настоящее изобретение предлагает способ газификации углеродных материалов в газогенераторе с образованием сингаза способом неполного окисления; указанный газогенератор включает первую реакционную зону и вторую реакционную зону; указанный способ включает: загрузку одного или нескольких углеродных материалов в указанную первую реакционную зону газогенератора; подачу газа, содержащего молекулярный кислород, метансодержащего газа и необязательно воды или водяного пара в одну или обе указанные первую и вторую реакционные зоны указанного газогенератора; причем общее количество кислорода, добавленного в указанный газогенератор, составляет более примерно 1.25 фунт на фунт всего углерода, введенного в указанный газогенератор. В одном варианте общее количество кислорода, поданного в указанную первую реакционную зону указанного газогенератора, составляет примерно 1.25-3.5 фунт на фунт всего углерода, введенного в указанный газогенератор. В одном варианте в указанной первой реакционной зоне поддерживают температуру 650-1450°F. В другом варианте в указанной второй реакционной зоне поддерживают температуру 1750-3500°F. В одном варианте настоящее изобретение включает подачу метансодержащего газа в первую реакционную зону указанного газогенератора.

Настоящее изобретение предлагает способ газификации углеродных материалов в газогенераторе с образованием сингаза; указанный газогенератор включает первую реакционную зону и вторую реакционную зону; указанный способ включает: загрузку одного или нескольких углеродных материалов в указанную первую реакционную зону газогенератора; подачу газа, содержащего молекулярный кислород, метансодержащего газа и необязательно воды или водяного пара в одну или обе указанные первую и вторую реакционные зоны указанного газогенератора; причем общее количество кислорода, поданного в указанный газогенератор, составляет более примерно 1.25 фунт на фунт всего углерода, введенного в указанный газогенератор. В одном варианте общее количество кислорода, поданного в указанную первую реакционную зону указанного газогенератора, составляет примерно 1.25-3.5 фунт на фунт всего углерода, введенного в указанный газогенератор. В одном варианте в указанной первой реакционной зоне поддерживают температуру 650-1450°F. В