PL164016B1

PL164016B1 - A method of gasification of carbon-based materials and a device for using this method

Info

Publication number: PL164016B1
Application number: PL28746290A
Authority: PL
Inventors: Andrzej Resztak; Wincenty W Plotczyk
Original assignee: Univ Warszawski
Priority date: 1990-10-23
Filing date: 1990-10-23
Publication date: 1994-06-30
Also published as: PL287462A1

Abstract

Sposób zgazowania materiałów węglopo- 'yyj chodnych, znamienny tym, że materiał węglopochodny w postaci nieruchomego złoza wypełniającego reaktor koronowy poddaje się działaniu plazmy nierównowagowej pod ciśnieniem atmosferycznym i temperaturze pokojowej, z tym, że plazma generuje się impulsowym wyładowaniem koronowym, podczas przepływającego CO2 przez materiał węglopochodny zgodnie lub w przeciwprądzie do przepływającego roztworu elektrolitu w chłodnicy, przy czym szybkość objętościowa materiału węglopochodnego wynosi mniej niż 800 h”i. 2. Urządzenie do zgazowania materiałówwęglopochodnych, znamienne tym, że reaktor koronowy (1) w postaci walca z jednej strony zaopatrzony jest w króciec (7) na wlocie, a z drugiej w króciec (10) na wylocie oraz usytuowanyjest współosiowo w chłodnicy (4) najlepiej z dielektryka, z tym, że chłodnica (4) także z jednej strony posiada króciec (9) na wlocie, a z drugiej strony na wylocie króciec (8).A method for gasification of carbon-based materials, characterized in that the carbon-based material in the form of a fixed bed filling the corona reactor is subjected to the action of a non-equilibrium plasma at atmospheric pressure and room temperature, wherein the plasma is generated by a pulsed corona discharge, during the flow of CO2 through the carbon-based material in line or counter-current to the flowing electrolyte solution in the cooler, wherein the volumetric velocity of the carbon-based material is less than 800 h"i. 2. A device for gasification of carbon-based materials, characterized in that the corona reactor (1) in the form of a cylinder is provided with a connector (7) at the inlet on one side and with a connector (10) at the outlet on the other side and is located coaxially in a cooler (4), preferably made of dielectric, wherein the cooler (4) also has a connector (9) at the inlet on one side and sides at the outlet connector (8).

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zgazowania materiałów węglopochodnych oraz urządzenie do stosowania tego sposobu.The subject of the invention is a method of gasification of carbon-based materials and a device for the application of this method.

Dotychczas w znanych reaktorach gazyfikuje się węgiel i/lub materiały węglopochodne w plazmie generowanej w wyładowaniu cichym, pojemnościowym lub indukcyjnym w atmosferze CO 2. Niedogodnością tych reaktorów jest praca w warunkach obniżonego ciśnienia. W innym rozwiązaniu procesowym wykorzystuje się wyładowanie koronowe w atmosferze wodoru, w którym substratem jest mieszanina węgla i oleju. W wyniku procesu uzyskuje się złożoną mieszaninę fazową ciało stałe - ciecz, składające się z węgla, ciekłych: węglowodoru, nieprzereagowanego oleju oraz mieszaniny gazów, złożoną głównie z węglowodorów lekkich. Wadą tego rozwiązania jest skomplikowany proces rozdzielania produktów reakcji oraz niewielka zawartość CO.Hitherto known reactors have gasified carbon and / or carbon-based materials in a plasma generated by a silent, capacitive or inductive discharge in a CO 2 atmosphere. The disadvantage of these reactors is their operation in reduced pressure conditions. Another process solution uses a corona discharge in a hydrogen atmosphere in which the substrate is a mixture of coal and oil. As a result of the process, a complex solid-liquid phase mixture is obtained, consisting of carbon, liquid: hydrocarbon, unreacted oil and a mixture of gases, composed mainly of light hydrocarbons. The disadvantage of this solution is the complicated process of separating the reaction products and the low CO content.

Sposób według wynalazku polega na tym, że materiał węglopochodny w postaci nieruchomego złoża wypełniającego reaktor koronowy, poddaje się działaniu plazmy nierównowagowej pod ciśnieniem atmosferycznym i temperaturze pokojowej, z tym, że plazmę generuje się impulsowym wyładowaniem koronowym podczas przepływającego CO 2 przez materiał węglopochodny zgodnie lub w przeciwprądzie do przepływającego roztworu elektrolitu w chłodnicy, przy czym szybkość objętościowa materiału węglopochodnego wynosi mniej niż 800h^_1 Natomiast urządzenie polega na tym, że reaktor koronowy w postaci walca z jednej strony jak i z drugiej strony zaopatrzony jest w króćce na wlocie i wylocie oraz usytuowany jest współosiowo w chłodnicy, najlepiej z dielektryka, z tym, że chłodnica także z jednej jak i z drugiej strony posiada króćce na wlocie i wylocie. Natomiast reaktor koronowy wypełniony jest materiałem węglopochodnym, przez który przepływa CO 2 zgodnie lub w przeciwprądzie do przepływającego roztworu elektrolitu w chłodnicy. W materiale węglopochodnym wypełniającym reaktor koronowy usytuowana jest poosiowo elektroda koronująca, natomiast zewnętrzna część chłodnicy stanowi zewnętrzną cylindryczną elektrodę. Elektroda usytuowana w materiale węglopochodnym połączona jest z zasilaczem impulsowym wysokonapięciowym w postaci tyrystora i kondensatora w obwodzie pierwotnym transformatora impulsowego.The method according to the invention consists in that the carbon-derived material in the form of a fixed bed filling the corona reactor is subjected to a non-equilibrium plasma at atmospheric pressure and room temperature, but the plasma is generated by a pulsed corona discharge during CO 2 flowing through the carbon-based material according to or in countercurrent to the flowing electrolyte solution in the cooler, while the volume velocity of the carbon-based material is less than 800h ^_ 1 On the other hand, the device consists in the fact that the corona reactor in the form of a cylinder, on one side and the other side, is equipped with inlet and outlet stub pipes and is located coaxially in the cooler, preferably from a dielectric, but the cooler also has inlet and outlet connections on both sides. On the other hand, the corona reactor is filled with carbon-based material through which CO 2 flows in accordance or in countercurrent to the flowing electrolyte solution in the cooler. The corona electrode is located axially in the carbon-based material filling the corona reactor, while the outer part of the cooler is the outer cylindrical electrode. The electrode located in the carbon-based material is connected to the high-voltage impulse power supply in the form of a thyristor and a capacitor in the primary circuit of the impulse transformer.

Rozwiązanie będące przedmiotem wynalazku jest w porównaniu z konwencjonalnymi wyładowaniami koronowymi bezpieczniejsze z BHP-owskiego punktu widzenia, reaktor pracuje w układzie dwufazowym ciało stałe - gaz bez smół, olejów i ciekłych polimerów oraz poprzez wprowadzenie węgla i/lub materiału węglopochodnego uzyskuje się znacznie wyższe stężenia CO niz w przypadku pracy w atmosferze czystego CO 2.The solution that is the subject of the invention is safer from a health and safety point of view compared to conventional corona discharges, the reactor works in a two-phase system - solid - gas without tars, oils and liquid polymers, and by introducing carbon and / or carbon derivative material, much higher concentrations of CO are obtained than when working in a pure CO 2 atmosphere.

Wynalazek zostanie bliżej objaśniony na przykładzie wykonania przedstawionym schemacie na rysunku.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment shown in the diagram in the drawing.

Reaktor koronowy 1 wypełniony jest nieruchomym złożem materiału węglopochodnego 2. W tym reaktorze 1 umieszczona jest osiowa elektroda koronująca 3. Reaktor koronowy 1 z jednej strony zaopatrzony jest w króciec 7 na wlocie, a z drugiej w króciec 10 na wylocie i usytuowany jest współosiowo w chłodnicy 4 najlepiej z dielektryka, z tym, że chłodnica 4 z jednej strony także posiada na wlocie króciec 9 jak i z drugiej na wylocie króciec 8. W chłodnicy 4 przepływa roztwór elektrolitu 5, a zewnętrzna część stanowi zewnętrzną elektrodę cylindryczną. Elektroda koronująca 3 połączona jest z zasilaczem impulsowym wysokonapięciowym 6 z tyrystorem Ty i kondensatorem C w obwodzie pierwotnym transformatora impulsowego. Po włączeniu zasilacza 6 pomiędzy elektrodą 3 i ziarnami nieruchomego złoża 2 i elektrodą zewnętrzną chłodnicy 4 w reaktorze 1 wytwarzana jest plazma nierównowagowa w atmosferze CO 2. Za tym materiał węglopochodny 2 w postaci nieruchomego złoża wypełniającego reaktor koronowy 1 poddaje się działaniu plazmy nierównowagowej pod ciśnieniem atmosferycznym i temperaturze pokojowej. Plazma generuje się impulsowym wyładowaniem koronowym podczas przepływającego CO 2 przez materiał węglopochodny 2 zgodnie lub w przeciwprądzie do przepływającego roztworu elektrolitu 5 w chłodnicy 4. Natomiast szybkość objętościowa materiału węglopochodnego 2 wynosi mniej niż 800^h_1. Jeżeli reaktor nie jest wypełniony złożem, to także zachodzi wyładowanie elektryczne generujące plazmą, a stężenie CO w wypływającym gazie dochodzi jedynie do 3% obj. Wypełnienie reaktora 1 złożem w postaci ziarnistego materiału 2 powoduje powstanie na powierzchni fazy stałej specyficznego wyładowania elektrycznego, w obecności aktywnych składników plazmy CO 2, CX, O^x, O3, CO\, które powoduje daleko idący równoczesny rozkład CO 2 i stałego substratu do CO. O korzystnym wpływie substratu węglowego na stężenie CO świadczy to, że o ile stosunek CO/O2 w plaźmie CO2 bez wypełnienia przy pełnym rozkładzie CO powinien wynieść 2, to po wypełnieniu reaktora węglem brunatnym wyniósł on 6,8 lub 12 - w zależności od średnicy ziarna - dla torfu 11,1 a dla grafitu nieoczekiwanie 4,8. Przypadek grafitu świadczy o specyficznym oddziaływaniu płazmy z grafitem, a więc substratem nie zawierającym tlenu w przeciwieństwie do torfu lub węgla brunatnego. Efekt ten jest wyjątkowo korzystnym, jeżeli porównać stężenie CO, które nie przekroczyło 1% objętości i w przypadku pirolizowania węgli w plazmie argonowej lub wodorowej,Corona reactor 1 is filled with a fixed bed of carbon-derivative material 2. In this reactor 1 an axial coronating electrode 3 is placed. Corona reactor 1 is provided on one side with a stub pipe 7 at the inlet, and on the other with a stub pipe 10 at the outlet and is coaxially located in the cooler 4 preferably from a dielectric, but the cooler 4 also has a port 9 at the inlet and a port 8 at the outlet on the other side. An electrolyte solution 5 flows in the cooler 4, and the outer part is an outer cylindrical electrode. The corona electrode 3 is connected to a high-voltage switching power supply 6 with a thyristor Ty and a capacitor C in the primary circuit of the pulse transformer. After switching on the power supply 6, between the electrode 3 and the grains of the fixed bed 2 and the external electrode of the cooler 4 in the reactor 1, a non-equilibrium plasma is produced in the CO 2 atmosphere. The carbon-derivative material 2 in the form of a fixed bed filling the corona reactor 1 is subjected to non-equilibrium plasma under atmospheric pressure and room temperature. Plasma is generated by a pulsed corona discharge as CO 2 flows through the carbon derivative material 2 in accordance with or in countercurrent to the flowing electrolyte solution 5 in the cooler 4. In contrast, the volume velocity of the ^carbon derivative material 2 is less than 800 ^{h -1} . If the reactor is not filled with the bed, then the electric discharge that generates the plasma also takes place, and the concentration of CO in the outgoing gas reaches only 3% by volume. Filling the reactor 1 with a bed in the form of granular material 2 causes the formation of a specific electric discharge on the surface of the solid phase, in the presence of active plasma components CO 2, CX, O ^x , O3, CO \, which causes a far-reaching simultaneous decomposition of CO 2 and a solid substrate to CO . The positive influence of the carbon substrate on the CO concentration is evidenced by the fact that while the CO / O2 ratio in the CO2 plasma without filling with full CO decomposition should be 2, after filling the reactor with brown coal it was 6.8 or 12 - depending on the grain diameter - 11.1 for peat and 4.8 unexpectedly for graphite. The case of graphite shows the specific interaction of amphibians with graphite, i.e. a substrate that does not contain oxygen, unlike peat or brown coal. This effect is extremely advantageous when comparing the concentration of CO, which does not exceed 1% by volume, and in the case of pyrolysis of carbons in an argon or hydrogen plasma,

Przykład I. Reaktor wypełniono torfem o uziarnieniu 0,2-0,6 mm wprowadzono dwutlenek węgla w takiej ilości, ze szybkość objętościowa CO 2 wynosiła 292 h^, a po 3 minutach działania plazmy impulsowo-koronowej stężenie CO w produktach wynosiło 8,2% objętości. Po zwiększeniu szybkości do 517 i 821 stężenie CO wynosiło odpowiednio 3,8 i 2,4% objętości.Example 1. The reactor was filled with peat with a grain size of 0.2-0.6 mm, carbon dioxide was introduced in such an amount that the space velocity of CO 2 was 292 h, and after 3 minutes of operation of the corona pulse plasma, the concentration of CO in the products was 8.2 % by volume. After increasing the rate to 517 and 821, the CO concentration was 3.8 and 2.4 vol.%, Respectively.

Przykład II. Reaktor wypełniono węglem brunatnym o uziarnieniu 0,6-1,2mm wprowadzono CO 2 w takiej ilości, że szybkość objętościowa wynosiła 292 h^, po 3 minutowym działaniu plazmy impulsowo-koronowej stężenie CO w produktach wynosiło 6,8% objętości. Po zwiększeniu szybkości objętościowej do 821 i 833 h^_1 stężenie CO wynosiło odpowiednio 2,6 i 1,3% objętości.Example II. The reactor was filled with brown coal of grain size 0.6-1.2 mm, CO 2 was introduced in such an amount that the space velocity was 292 h, after 3 minutes of corona plasma operation, the concentration of CO in the products was 6.8% by volume. After increasing the space velocity to 821 and 833 ^_ 1 h the CO concentration was 2.6 and 1.3% by volume.

Przykład III. Węgiel brunatny tego samego typu co w przykładzie 2 rozdrobniono do średnicy 0,2-0,4 mm. Wypełniono nim reaktor koronowo-impulsowy. Po wprowadzeniu CO 2 i uzyskaniu szybkości objętościowej 292 h_1 uzyskano stężenie CO równe 34,5% objętości. Po zwiększeniu szybkości objętościowej do 517 i 833 uzyskano stężenia objętościowe CO 19,3 i 11,8%.Example III. Lignite of the same type as in Example 2 was ground to a diameter of 0.2-0.4 mm. The corona-impulse reactor was filled with it. After introducing CO 2 and achieving a space velocity of 292 h_1, the CO concentration was 34.5% by volume. After increasing the space velocity to 517 and 833, CO concentrations of 19.3 and 11.8% were obtained.

164 016164 016

Przykład IV. Reaktor napełniono rozdrobnionym grafitem (średnica ziaren 0,6-1,2mm) i wprowadzono CO 2 w takiej ilości, że szybkość objętościowa wynosiła 292 h^_i, po 3 minutowym działaniu wyładowania impulsowo-koronowego stężenie CO wynosiło 6,7% CO. Po zwiększeniu szybkości objętościowej do 517 i 833 h-1 stężenie wyniosło odpowiednio 4,5 i 2,1% CO.Example IV. The reactor was charged with the particulate graphite (particle diameter 0,6-1,2mm) and CO 2 was introduced in such an amount that the space velocity was 292 h ^_ and, after 3 minutes of charging operation pulsed corona concentration of CO was 6.7% CO. After increasing the space velocity to 517 and 833 h-1, the concentration was 4.5 and 2.1% CO, respectively.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 10 000 złPublishing Department of the UP RP. Circulation of 90 copies. Price: PLN 10,000

Claims

Patent claims

The method of gasification of carbon-based materials, characterized in that the carbon-based material in the form of a fixed bed filling the corona reactor is subjected to non-equilibrium plasma under atmospheric pressure and room temperature, but the plasma is generated by a pulse corona discharge when CO 2 flows through the carbon derivative material in line with or countercurrently to the flowing electrolyte solution in the cooler, the ^carbon-based material space velocity being less than 800 ^{h -1} .

2. A device for gasification of carbon-based materials, characterized in that the crown reactor (1) in the form of a cylinder is equipped on one side with a stub pipe (7) at the inlet, and on the other side with a stub pipe (10) at the outlet, and is coaxially located in the cooler (4). ) preferably from a dielectric, but the cooler (4) also has a connector (9) at the inlet on one side and a connector (8) at the outlet on the other.

3. The device according to claim 2. The process according to claim 2, characterized in that the corona reactor (1) is filled with a carbon-based material (2) through which CO 2 flows in line with or counter-current to the flowing electrolyte solution (5) in the cooler (4), and the material (2) is axially the corona electrode (3), while the outer part of the radiator (4) is the outer cylindrical electrode.

4. The device according to claim The method of claim 2, characterized in that the electrode (3) is connected to a high-voltage switching power supply (6) in the form of a thyristor (Ty) and a capacitor (C) in the primary circuit of the pulse transformer.