SE1000461A1 - Förfarande och anordning för införande av pulverformigt material i en förgasningsreaktor, varvid anordningen innefattar en lavaldysa - Google Patents

Abstract

11 Samandrag Föreliggande uppfinning hänför sig till en anordning förkolinjektion och recirkulation av gaser vid framställning avsyntesgas från fasta kolpartiklar, varvid kolpartiklarnaerhållits genom företrädesvis pyrolys, att förgasning avkolpartiklarna sker genom indirekt uppvärmning avkolpartiklarna under närvaro av en processgas i samma utrymmesom kolpartiklarna befinner sig i, att reaktionsproduktenrecirkuleras och att den vid förgasningen alstrade syntesgasenavbördas från nämnda utrymme. För att uppnå största möjligaeffekt ingår i anordningen en lavaldysa vilken geröverljudshastighet på gaser, skapar undertryck förkolpulverinjektion och längre uppehållstid för gas och kolpulver i förgasningsreaktorn. (Fig. 1)

Description

10 15 20 25 30 35 (CO) Värmet som förbrukas (C) kommer att reducera koldioxid (CO2) till kolmonoxid (H20) (H2). sänker temperaturen och reaktiviteten avtar. Reaktiviteten för och vattenånga till vätgas kolet är starkt temperaturberoende medan jämvikten för reaktionerna är temperaturberoende. Idag är syrgasbaserad förbränning det dominerande sättet att förbränna i förgasningssammanhang även om luftbaserad förbränning förekommer. De flesta processer bygger på ett trycksatt system. Ånga och syrgas är lätta att trycksätta och innebär sällan någon svårighet. Införsel av t ex pulverformiga material i reaktorn innebär att en tryckskillnad mellan atmosfären utanför förgasningsreaktorn trycket inuti densamma måste övervinnas.

Problemet vid förgasning av kolbärande material såsom kol, kolrestprodukter, petroleumrester, avfall och biomassa enligt ovan är att upprätthålla tillräckligt hög temperatur lång tid för att en fullständig förgasning av kolbärande material skall uppnås, att en tillräcklig omblandning av oxiderande gaser (C02 och H20) övervinna tryckskillnader mellan atmosfären utanför och inuti med reduktionsmedlet (kol) sker och att förgasningsreaktorn. Kan inte tiden och temperaturen upprätthållas drivs inte reaktionen till fullbordan likaså leder en otillräcklig omblandning till en ofullständig reaktion.

Föreliggande uppfinning är en anordning för kolinjektion vid framställning av syntesgas som injicerar pulverformigt material genom en rörformig injektor där det fasta materialet går i centrum, en utanpåliggande dysanordning av lavaltyp för oxiderande gaser som skapar ett kraftigt undertryck vilket suger in kolet i injektorn och fördelar det vidare in i förgasningsreaktorn hanterar tryckstegring, förlänger uppehållstid i reaktorn och skapar en homogen blandning i densamma. Den kraftiga impulsen från de oxiderande gaserna kommer att leda till en kraftfull omblandning av syntesgasen i förgasningsreaktorn samt de inkommande oxiderande gaserna och pulverformiga materialet. Undertycket som skapas av 10 15 20 25 30 gasimpulsen kan styras genom att låta delar av syntesgasen i förgasningsreaktorn recirkulera genom injektorn i härför avsedda kanaler i densamma.

Uppfinningens syften och särdrag Ett primärt syfte med föreliggande uppfinning är att anvisa en anordning av det inledningsvis definierade slaget, varvid en viktig princip för föreliggande uppfinning är att skapa ett undertryck för att underlätta införandet av pulverformiga material genom injektorn till förgasningsreaktorn.

Ett ytterligare syfte med föreliggande uppfinning är att skapa en kraftig omrörning mellan de oxiderande gaserna och det pulverformiga materialet vid införandet i förgasningsreaktorn samt skapa en recirkulation av syntesgas i förgasningsreaktorn och därigenom homogenisering av temperatur och sammansättning.

Konsekvensen av detta är en längre uppehållstid i reaktorn och därmed möjlighet att bygga en kompaktare reaktor. Ännu ett syfte med föreliggande uppfinning är att recirkulera syntesgas genom injektorn och styra undertrycket vid införandet på detta sätt. av pulverformiga material i förgasningsreaktorer Åtminstone det primära syftet med föreliggande uppfinning realiseras medelst en anordning som erhållit de i det efterföljande självständiga patentkravet 1 angivna särdragen.

Föredragna utföringsformer av uppfinningen är definierade i de osjälvständiga patentkraven.

Kort beskrivning av ritningarna Nedan kommer en föredragen utföringsform av uppfinningen att beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar, där: Fig. 1 visar en skiss av en anordning för kolinjektion vid framställning av syntesgas enligt föreliggande uppfinning, varvid nämnda skiss även schematiskt visar enheter 10 15 20 25 30 35 vilka bildar en anordning för att genomföra kolinjektionen; och Fig. 2 visar en skiss av ett utförande av en anordning för kolinjektion vid framställning av syntesgas enligt föreliggande uppfinning, varvid nämnda skiss även schematiskt visar enheter vilka bildar en anordning för att genomföra kolinjektionen.

Detaljerad beskrivning av en föredragen utföringsform av uppfinningen I Fig. 1 visas schematiskt en anordning för kolinjektion i en förgasningsprocess där kolpulver C matas in i en injektionsdysa l som blandar kolpulvret C med en processgas P (företrädesvis ånga) och en recirkulerad reaktionsprodukt S (syntesgas). Blandningen från injektionsdysan 1 värms upp och reagerar i en indirekt värmd förgasningsreaktor 2. Till det ändamålet innefattar förgasningsreaktorn brännare 4 som sträcker sig in i ett förgasningsutrymme 5 hos förgasningsreaktorn 2. Processgasen P är trycksatt och accelererar genom en ringformig lavaldysalö till (>Mach l). Lavaldysan 15 skapar ett kraftigt undertryck i centrum av injektionsdysan l där ett i överljudshastighet injektionsdysan l ingående, centralt rör/central kanal 6 för kolpulver C och recirkulerad reaktionsprodukt P (syntesgas) mynnar i förgasningsreaktorn 2. Området där det centrala röret 6 hos injektionsdysan 1 mynnar i förgasningsreaktorn 2 definierar ett införselområde för kolpulvret C. Undertrycket i centrum av injektionsdysan 1/införselområdet suger ut kolpulver C och recirkulerad reaktionsprodukt RS där de tre strömmarna mixas och förgasningsreaktionen startar.

Processgasen P som strömmar med överljudshastighet genom den ringformiga lavaldysan 15 skapar också en yttre recirkulation från dess periferi. Ytterligare reaktionsprodukt mixas in i förgasningsblandningen ifrån injektionsdysan l i centrum i mixnings zonen M omedelbart utanför själva injektionsdysan 1.

Värme från den recirkulerade reaktionsprodukten hjälper den 10 15 20 25 30 35 indirekta strålningsvärmen i förgasningsreaktorn 2 att snabbt öka temperaturen på injicerat kolpulver C och processgas P till reaktionstemperatur för förgasningsprocessen.

Ledningarna, rören etc. vilka sammankopplar anläggningens enheter beskrivs eller visas inte i detalj. Ledningarna, rören etc. är lämpligt utformade för att fullgöra sin funktion, dvs. att transportera gaser och fasta ämnen mellan anläggningens enheter.

I Fig. 1 visas principerna för en injektionsdysa l som är ansluten till en indirekt värmd förgasningsreaktor 2 som normalt är en keramiskt infodrad reaktor. Injektionsdysan l har en lavaldysa 15 för processgas P som accelererar processgasen P till överljudshastighet. Primärt produceras syntesgas S i processen i förgasningsreaktorn 2.

Fasta kolpartiklar C tillförs injektionsdysan l tillsammans med processgasen P och en delmängd recirkulerad sekundär reaktionsprodukt Rs. Genom flödet av sekundära reaktionsprodukten Rs igenom separata kanaler i injektionsdysan kan undertrycket för kolinjektionen bitvis styras.

Kolpartiklarna C kommer företrädesvis från en pyrolys som föregått förgasningen. Storleken på kolpartiklarna C är företrädesvis avpassad för att ge så snabb reaktion som möjligt i reaktorn. Processgasen P kan vara ånga eller återvunnen och renad avgas från t ex förbränningssteget som värmer reaktorn. Om processgasen P är återvunnen avgas kan den (H20) och koldioxid (C02).

Processgasen P förvärms normalt av värme som utvinns ur innehålla både vattenånga utgående syntesgas S i en efterföljande värmeväxlare.

Processgasen har normalt ett övertryck som är stort nog relativt reaktortrycket för att uppnå överljudshastighet Processgasen med en hastighet > Mach l skapar en kraftig impuls in i reaktorn 2. Trycket för ånga är beroende av temperaturen ut ur värmeväxlaren enligt ovan. Trycket på recirkulerad avgas åstadkoms normalt med en kompressor.

Impulsen från Processgasen P ur injektionsdysan l skapar i mixningszonen M återcirkulation av sekundär reaktionsprodukt RS 10 15 20 25 30 35 som dras med in i reaktionszonen R. Reaktionen som sker i reaktor 2 är att kolet C reducerar innehållet i processgasen P (H20 och C02) till syntesgas S (H2 och CO), vilken reduktion förbrukar den värme som tillförs processen genom brännare 4 som värmer indirekt. Värme tillförs förgasningsreaktionen genom strålning från brännare där förbränningen sker inuti strålningstuber, genom att bränsle F och oxidationsmedel O förbränns till avgas FG dvs. separerat från förgasningsflödet.

Inget direkt gasutbyte sker i förgasningsreaktorn 2 mellan brännare 4 och processgas P eller dess reaktionsprodukter.

Injektionsdysan l åstadkommer genom sin överljudshastighet på processgasen P i in i reaktorn 2 förlängd uppehållstid och möjlighet att driva förgasningsreaktionen närmare jämvikt.

Detta ger också högsta möjliga utbränningsgrad av kolpartiklarna C.

Utgående syntesgas S kan användas som energigas till förbränningsändamål eller som bas för vidare förädling till flytande bränslen (Fischer Tropsch för typiska fordonsbränslen, metanolframställning eller liknande).

Injektionsdysan 1 är uppbyggd för att klara olika systemtryck i förgasningsreaktorn 2. Trycket i 2 kan styras från atmosfärstryck till mycket höga tryck (>l00 bar).

Injektionsdysan l är typiskt utformad med en keramisk del som anpassats till den keramiska infodringen i förgasningsreaktorn 2 samt en yttre del i temperaturhållfast stål där kanaler för kol (C), och slutligen blandas ut ur den nedre änden av dysan. processgas (P) och recirkulerad rektionsgas (RS) går Injektionsdysan kräver alltid ett högre matningstryck på processgasen P än vad som är systemtrycket i förgasningsreaktorn 2. Denna tryckdifferens skapar också det undertryck som suger ut kolpartiklar C och meddragning av sekundär reaktionsprodukt Rs. Lavaldysan skapar ett stort undertryck i förhållande till massflödet av Process-gas P när trycket är högt jämfört med en standard injektor med raka rör.

Det stora undertrycket från lavaldysan är gynnsamt för att kontrollera kvoten mellan massflödet av kol C och Processgasen 10 15 20 25 30 35 P i förgasningsreaktorn 2 och därigenom att uppnå optimala reaktionsförhållanden.

Materialval i injektionsdysan 1 styrs av temperaturen i förgasningsreaktorn 2 som i sin tur styrs av reaktionstemperaturen för att uppnå maximala utbyten av syntesgas S. Ett typiskt värde ligger inom intervallet 900- 1300°C. Materialval i keramiska och metalliska delar i injektionsdysan 1 anpassas efter vald temperaturnivå.

Homogenisering av temperaturen i reaktionszonen R uppnås snabbare än i normala injektionsdysor genom recirkulation av reaktionsgas Rs genom dels kanalerna 3 i injektionsdysan 1 och del mixningszonen M.

Syntesgasen S (H2 och CO) från förgasningsreaktorn 1 kommer att innehålla vätgas och kolmonoxid, samt viss del koldioxid och metan beroende på sammansättningen av ingående processgas P och vald temperatur.

Figur 2 visar ett utförande av en anordning för kolinjektion vid framställning av syntesgas. Injektionsdysan består av en metallisk del 11 och en keramisk del 13 som bildar en enhet.

Injektionsdysan har en lavaldysa 15 för processgas P genom vilken den trycksatta gasen accelrerar till överljudshastighet. Kolpulver C matas typiskt med en matarskruv och ett pluggflöde fram till centrumröret/centrumkanalen 6 där pulvret blandas med recirkulerad reaktionsprodukt Rs som sugs in genom ytterligare kanaler 14. Processgasen P (företrädesvis ånga) matas genom anslutning 12 genom ett koncentriskt rör ner till lavaldysan 15 där Processgasen (ångan) med övertryck accelereras kraftigt genom lavaldysan 15 till överljudsfart (>Mach 1) under expansionen ur dysan (+p) och skapar ett undertryck (~p) i centrum som drar med sig kolpulver C och recirkulerad reaktionsprodukt RS in i mixningszonen M där även periferin från lavaldysan 15 skapar ett undertryck (~p) och recirkulerar reaktionsprodukt RS i mixningszonen M. 10 15 Tänkbara modifikationer av uppfinningen Ett alternativt utförande är att injektionsdysan kan användas med en blandning av processgas enligt ovan med inblandning av syrgas vilket kraftigt höjer temperaturen i mixningszonen M och reaktionszonen R.

Ytterligare ett alternativt utförande är att injektionsdysan är horisontell varvid kolinjektionen C sker i horisontalplanet eller så nära horisontalplanet som processen tillåter.

Matningen av kolpulvret C kan utföras med en hydrualisk kolv istället för en matningsskruv som beskrivs i Fig. 2 ovan. Ännu ett alternativ är att kolpulvret C matas via en fluidiserad kanal med gastätt överföring genom slussmatare till ett vertikalt störtrör in i injektionsdysan.

När ett gastätt och undertryckståligt matningssystem för kol används kan även de tryckreglerande kanalerna 14 i Fig 2 minimeras eller t o m utgå.

Claims (9)

10 15 20 25 30 Patentkrav

1. Förfarande för införande av pulverformigt material (C) i en förgasningsreaktor (2), varvid en till förgasningsreaktorn (2) tillförd processgas (P) reduceras av det pulverformiga (S), och att det (C) införs i förgasningsreaktorn (2) av att ett undertryck, via en lavaldysa(l5), genereras i införselområdet materialet (C) till en syntesgas pulverformiga materialet via ett införselområde, k ä n n e t e c k n a t för det pulverformiga materialet (C).

2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att undertrycket genereras genom att processgasen (15). (P) passerar genom lavaldysan

3. Förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att det pulverformiga materialet utgörs av kolpulver (C), (RS) (C) i samband med kolpulvrets (C) förgasningsreaktorn (2). och att en sekundär reaktionsprodukt blandas med kolpulvret införande i

4. Förfarande enligt något av kraven l-3, k ä n n e t e c k n a t suger in gaser och partiklar som befinner sig i av att det genererade undertrycket i införselområdet förgasningsreaktorn (2), varigenom uppehållstiden för gaserna och partiklarna i förgasningsreaktorn (2) förlängs.

5. Förfarande enligt något av kraven l-4, k ä n n e t e c k n a t skapar en cirkulation av gaser och partiklar i av att det genererade undertrycket i införselområdet förgasningsreaktorn (2), varigenom det sker en utjämning av koncentrationsskillnader i gassammansättning, en utjämning av temperaturvariationer på grund av förgasningsreaktioner samt 10 15 20 25 30 10 minimering av de stationära skikten runt i fögasningsreaktorn (2) anordnade brännare (4).

6. Anordning för införande av pulverformigt material (C) i en förgasningsreaktor (2), varvid en till förgasningsreaktorn (2) tillförd processgas (P) reduceras av det pulverformiga materialet (C) till en syntesgas (S), varvid anordningen utgörs av en injektionsdysa (1), och att injektionsdysan (1) är försedd med ett centralt rör/en central kanal (6) för införande av det pulverformiga materialet (C) i förgasningsreaktorn (2), k ä n n e t e c k n a d av att injektionsdysan (1) innefattar en lavaldysa (15) som är anordnad utanpå det centrala röret (6).

7. Anordning enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att lavaldysan (15) är anordnad vid den ände av injektionsdysan (1) som är vänd mot ett förgasningsutrymme (5) hos förgasningsreaktorns (2).

8. Anordning enligt krav 6 eller 7, k ä n n e t e c k n a d (14) och innefattar ytterligare kanaler (Rs), (14) står i förbindelse med det av att injektionsdysan (1) för återcirkulation av en sekundär reaktionsprodukt att de ytterligare kanalerna centrala röret/den centrala kanalen (6) i området för den ände som är vänd från förgasningsreaktorns (5). av injektionsdysan (1) (2) förgasningsutrymme av att (14) varieras, varigenom en reglering av det av lavaldysan (15)

9. Anordning enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d tvärsnittsdimensionerna hos de ytterligare kanalerna kan skapade undertrycket sker.