PL168638B1 - Method of and reactor for effecting rapid pyrolysis of carbon containing materials - Google Patents

Abstract

znamienny tym, ze w prow adza s ie b ez d o s te p u tlen u pierw szy stru m ien m aterialu zaw ierajacego w egiel i d ru g i stru m ien , plynacy d o góry, m aterialu nieo rg aniczn ego, w p o s ta ci czastek stalych , d o starczajaceg o cieplo d o sekcji m ieszan ia, przy czym zapew nia s ie s to su n ek m asy m aterialu d o starczajaceg o cieplo d o m asy m aterialu zaw ierajacego w egiel w iekszy niz 5.1, utrzym uje sie stru m ien m a- terialu zaw ierajacego w egiel w zetknieciu z drugim strum ieniem m aterialu do starczajaceg o cieplo pow odujac przeksztalcenie m ate- rialu zaw ierajacego w egiel w stru m ien pro d u ktu , oddziela s ie stru - m ien p roduktu o d m aterialu d o starczajaceg o cieplo za p o m o ca u rzad zen oddzielajacych u m ieszczonych n a w yjsciu z sekcji reakcji, przy czym s to s u je s ie s re d n i c z a s zetkn iecia m aterialu zaw ierajaceg o w egiel i m aterialu d o s ta rc za ja c e g o ciep lo kró tszy niz 2,0 s e k u n d y a te m p era tu re pro d u któ w p o o p u s zc ze n iu s e k c ji reakcji o b n iza s ie d o tem p era tu ry niz sze j niz 300°C w c za s ie kró tszym niz 0 ,1 s e k u n d y o ra z zaw raca s ie m aterial d o s ta rc zaja cy ciep lo d o s e k c ji m ieszan ia 8. R eaktor d o szyb kiej pirolizy m aterialu zaw ierajaceg o w e- giel z przep lyw em w kieru n ku g ó rn ym z p o r ywaniem c za s te k s ta ly c h p rzez s tru m ie n g azu , p o s iad a ja cy s e k c je m ieszan ia i s e k c je reakcji, znamienny tym, ze sekcja (16) m ieszania zaw iera pierw szy w lot (19) d o w prow adzania n ieo rg aniczn ego m aterialu staleg o przeno- sza ce g o cieplo i drugi w lot (4) d o w prow adzania m aterialu zaw ie- rajaceg o w egiel, sekcja (1) reakcji jest u m ieszczona pow yzej sekcji (16) m ieszania i zaw iera u rzad zenia oddzielajace (6, 7) n a w ylocie z sek cji (1) reakcji d o oddzielania gazow ych i cieklych produktów pirolizy d o nieorganicznych cza stek stalych p rzen o szacych ciep lo i linie (2,3) o b ieg u pow rotnego zasilan a graw itacyjnie d o zaw racan ia cza s tek stalych p rzen o szacych ciep lo d o sekcji (16) m ieszania ... FIG. 2 PL PL PL PL PL PL PL

Description

Wynalazek dotyczy sposobu i reaktora do szybkiej pirolizy materiału zawierającego węgiel.

Przeróbka materiałów zawierających węgiel w celu otrzymania ciepła, produktów chemicznych lub paliw, może być realizowana w szeregu procesów termochemicznych. Tradycyjne procesu termochemiczne takie jak spalanie, zgazowywanie, przeprowadzanie w stan ciekły i konwencjonalna piroliza należą do typowych procesów równowagowych, które wytwarzają produkty równowagowe o stosunkowo niskiej wartości, obejmujące duże ilości niereaktywnych ciał stałych /węgiel drzewny, koks itp./, ciecze wtórne /ciężkie smoły, roztwory wodne itp./, oraz nieskraplalne gazy /CO2, CO, CH4, itp./.

Na przykład spalanie jest ograniczone do natychmiastowych zastosowań termicznych, a przy zagazowaniu zwykle wytwarza się paliwo gazowe niskoenergetyczne o ograniczonym zakresie zastosowań. Przy upłynnianiu i konwencjonalnej pirolizie wytwarza się często małe ilości wartościowych produktów ciekłych lub gazowych. Poza tym wytworzone produkty ciekłe często wymagają znacznego ulepszania dodatkowego.

Piroliza charakteryzuje się rozkładem termicznym materiałów przy względnym braku tlenu /to znaczy występuje znacznie mniej tlenu, niż jest wymagane dla całkowitego spalania/. W przeszłości piroliza odnosiła się jedynie do wolnej konwencjonalnej pirolizy, gdzie w produktach równowagowych występował w przybliżeniu równy udział niereagujących ciał stałych /węgiel drzewny i popiół/, ciecze drugorzędowe i nieskraplalne gazy.

Jednak w ostatnim dwudziestoleciu badania podstawowe w zakresie pirolizy wykazały, że wysoką wydajność głównych, nierównowagowych cieczy /obejmujących wartościowe chemikalia chemiczne produkty pośrednie, produkty petrochemiczne i paliwa/ można uzyskać z materiałów wyjściowych zawierających węgiel, przy pomocy szybkiej /błyskawicznej/ pirolizy, kosztem niepożądanych produktów wolnej pirolizy. Innymi słowy, przez zastosowanie procesów szybkiej pirolizy, można uniknąć wydzielania małowartościowych produktów wolnej pirolizy.

Szybka piroliza jest to termin ogólny, który obejmuje różne sposoby szybkiego poddania materiału wyjściowego działaniu stosunkowo wysokiej temperatury, w ciągu bardzo krótkiego okresu czasu, a następnie szybkiego obniżenia temperatury produktów głównych, przed wystąpieniem równowagi chemicznej. Przy tym rozwiązaniu złożone struktury materiałów zawierających węgiel są rozkładane na substancje prostsze, które początkowo tworzą się z reakcji depolimeryzacji i utleniania, ale nie trwają przez dłuższy czas. Dzięki temu zachowane zostają produkty nierównowagowe, a wartościowe chemikalia reaktywne, chemiczne produkty pośrednie, lekkie pierwotne ciecze organiczne, chemikalia, specjalne, produkty petrochemiczne i/lub wysokiej jakości paliwa gazowe, mogą być wybrane i zmaksymalizowane pod względem wydajności kosztem mało wartościowych ciał stałych /węgiel drzewny, koks i tym podobne/ oraz ciężkich wtórnych produktów organicznych /smoły, kreozoty i tym podobne/.

Szybka piroliza stanowi intensywny, krótkotrwały proces, który można przeprowadzić w różnorodnych typach reaktorów. Wspólną cechą tych reaktorów jest zdolność osiągnięcia niezwykle szybkiego nagrzewania materiału wyjściowego, a reakcja jest ograniczona do bardzo krótkiego czasu przez szybkie chłodzenie, które zatrzymuje reakcje chemiczne, zanim wartościowe produkty pośrednie będą mogły rozpaść się na niereaktywne produkty końcowe o

168 638 niskiej wartości. System reaktora do procesu szybkiej pirolizy musi więc charakteryzować się następującymi wymaganiami:

1/ Bardzo duża szybkość nagrzewania materiału wyjściowego. Typowa intensywność nagrzewania mieści się w zakresie od 1000 do 1 000 000°C na sekundę.

2/ Regulowana, podwyższona temperatura reakcji. Typowa temperatura reakcji mieści się w zakresie od 350 do 800°C.

3/ Regulowany, krótki czas reakcji /przebywanie w reaktorze. Typowy czas przebywania w reaktorze mieści się w zakresie od 30 do 2 sekund.

4/ Szybkie oziębianie produktu podstawowego. Typowo produkty podstawowe są szybko ochładzane do temperatury poniżej 350°C w ciągu 0,5 sekundy.

Dla pewnych wysokowartościowych produktów chemicznych /chemikalia, chemikalia specjalne i produkty petrochemiczne/, proces jest potęgowany i optymalizowany po spełnieniu następujących wymagań dodatkowych:

1/ Ablacja reagujących cząsteczek stałych. Jest to mechanizm fizyczno-mechaniczny, który usuwa podstawowe ciecze depolimeryzacji z powierzchni reagującej, przy prędkości cofania powierzchni, która jest zgodna z prędkością przenikania ciepła. W efekcie, na nieskończenie małej odległości poniżej cofającej się powierzchni reagującej, temperatura pozostaje znacznie poniżej temperatury reakcji i zachodzą bardzo ograniczone reakcje depolimeryzacji.

2/ Minimalne mieszanie powrotne w reaktorze. To znaczy, że występuje bardzo mały wewnętrzny obieg powrotny /wiry/reagentu, gazu nośnikowego, produktów podstawowych, lub cząstek stałych nośnika ciepła w strefie reakcji.

3/Dokładna regulacjajednolitego, krótkiego czasu przebywania w reaktorze. To implikuje, żeby średni czas przebywania był nie tylko krótki, ale też żeby było bardzo ograniczone odchylenie od tego średniego czasu przebywania, lub wcale go nie było.

Ponadto praktyczny, ekonomiczny proces na skalę przemysłową wymaga:

1/ Stosunkowo wysokiej wydajności pożądanych produktów;

2/ Możliwości zwiększania skali procesu do reaktorów o wymiarach przemysłowych;

3/ Proces musi być praktyczny pod względem przemysłowym /umiarkowane wymagania energetyczne, trwałość, możliwość sterowania procesem i tym podobne/.

Zbadano cztery podstawowe typy układów reaktorów pod względem możliwości ich zastosowania do prowadzenia procesu pirolizy szybkiej. Należą tu: reaktor ze złożem sfluidyzowanym, reaktor transportowy, reaktor cyklonowy i reaktor do pirolizy próżniowej.

Chociaż w złożu sfluidyzowanym osiąga się duże prędkości nagrzewania i regulowaną, podwyższoną temperaturę, jest ono ograniczone stosunkowo długim średnim czasem przebywania w reaktorze, który przekracza poziomy optymalne, wymagane dla uzyskania maksymalnej wydajności cieczy i pewnych wartościowych chemikalii oraz produktów petrochemicznych. Intensywne mieszanie nawrotne jest nieodłączne w tym typie złoża sfluidyzowanego i przyczynia się ono do szerokiego rozproszenia czasu przebywania w reaktorze i słabej możliwości wyboru produktów.

Postęp w dziedzinie szybkiej pirolizy węgla doprowadził do zastosowania płytkich ośrodków sfluidyzowanych z wydzielaniem pęcherzyków, zmieniając średni czas przebywania w reaktorze, a przez to umożliwiając większe zbliżenie do maksymalnej wydajności cieczy, produktów petrochemicznych i wartościowych chemikalii.

Ten system reaktora spełnia wymagania dużej szybkości nagrzewania, regulowanej podwyższonej temperatury i stosunkowo krótkiego średniego czasu przebywania w reaktorze, jednak główne ograniczenie reaktora z płytkim złożonym sfluidyzowanym z wydzielaniem się pęcherzyków polega na niezdolności do skutecznego osiągnięcia zwiększonej, ekonomicznej skali procesu umożliwiającej zastosowania przemysłowe. Chociaż można zwiększyć wymiary reaktora ze złożem sfluidyzowanym, wymaganie możliwych do zaakceptowania właściwości fluidyzacji, powoduje konieczność odpowiedniego powiększenia grubości warstwy złoża, co nie zapewnia możliwości utrzymania krótkiego średniego czasu przebywania w reaktorze. Innym poważnym ograniczeniem płytkiego złoża sfluidyzowanego z wydzielaniem się pęcherzyków jest to, że możliwy do uzyskania średni czas przebywania w reaktorze wynosi około 0,5 sekundy.

168 638

Czynniki drugorzędne również ograniczają osiągnięcie optymalnych warunków do szybkiej pirolizy. W płytkim złożu sfluidyzowanym z wydzielaniem się pęcherzyków występuje bardzo ograniczona ablacja oraz zachodzi mieszanie nawrotne, które choćjest znacznie mniejsze, niż występujące w głębokim złożu sfluidyzowanym, jest wciąż wystarczające, żeby powodować znaczne rozproszenie czasu przebywania w reaktorze.

Do szybkiej pirolizy surowców zawierających węgiel stosowano cztery główne typy reaktorów transportowych. Są one definiowane zależnie od rodzaju czynnika transportującego, którym może być gaz lub gaz plus cząstki ciała stałego i od kierunku przepływu, który może być przepływem do góry lub w dół. W większości reaktorów o bardziej zaawansowanych poziomach przystosowania.do skali przemysłowej, typowo stosuje się strumień gazu do przenoszenia ciepła do reagentów.

Głównymi wadami związanymi z tymi sySternami reaktora są: słabe mieszanie materiału wyjściowego z nośnikiem ciepła, w zasadzie brak ablacji cząstek oraz słabe przenikanie ciepła do reaguj ących cząstek.

Słabe przenikanie ciepła i ograniczona ablacja wynikają ze stosowania jedynie gazu jako czynnika przenoszącego ciepło. Poza tym ograniczenia związane ze słabym przenikaniem ciepła w układzie reaktora z gazem transportowym płynącym do góry, wykluczają pracę przy bardzo krótkich czasach przebywania w reaktorze, wymaganych dla uzyskania optymalnej wydajności wszystkich cieczy, produktów petrochemicznych i pożądanych produktów chemicznych.

Przeprowadzono również badania w oparciu o szerego reaktorów na skalę laboratoryjną z przepływem w kierunku dolnym, w którym stosuje się gaz jako czynnik transportujący. Na przykład reaktor o średnicy 24 mm, w którym stosowano trociny jako surowiec, pracował w zakresie temperatur od 300 do 1000°C, czas przebywania w reaktorze wynosił 0,5-10 sek., zaś szybkość nagrzewania 1000°C na sekundę. Wydajność cieczy w tych eksperymentach była bardzo mała, gdyż celem było otrzymanie jak największej ilości gazów węglowodorowych.

Wszystkie wady wymieniono poprzednio odnośnie układów reaktora z przepływem do góry, dotyczą również konfiguracji tego reaktora, który ogranicza możliwość osiągnięcia wysokiej wydajności wszystkich cieczy i wysokiej wydajności wybranych produktów petrochemicznych i wartościowych chemikaliów.

Dla poprawy przenikania ciepła w reaktorach transportowych, zastosowano cząstki ciała stałego jako nośnik ciepła.

Przeprowadzono szybką pirolizę biomasy zarówno w reaktorach z przepływem do góry, jak i w dół, o zakresie wielkości od skali laboratoryjnej do sprawdzonej przemysłowo, stosując gorący, żarzący się węgiel drzewny do przenoszenia i przenikania ciepła.

Niedawno opracowano reaktor rurowy z przepływem w kierunku dolnym, z szybkim procesem termicznym /RTP/, zgodnie z opisem kanadyjskiego zgłoszenia patentowego nr 536 549, który to reaktor pozwala przezwyciężyć wiele wad, związanych z reaktorami transportowymi, omawianymi poprzednio. System ten wykorzystuje obojętny lub katalityczny nośnik ciepła w formie cząstek stałych do przenoszenia i przenikania ciepła do procesu.

Ta konfiguracja reaktora zapewnia niezwykle dużą szybkość nagrzewania i doskonałą ablację cząstek w wyniku bezpośredniego turbulentnego kontaktu między cząstkami stałymi nośnika ciepła, a cząstkami reagentów. Użycie rurowego odcinka z przepływem w kierunku dolnym, za oddzielnym szybkim mieszalnikiem, zapewnia minimalne mieszanie nawrotne i umożliwia dokładną regulację szerokiego zakresu bardzo krótkich, jednolitych czasów przebywania w reaktorze z minimalnym rozproszeniem czasu przebywania.

Wadą związaną z tą konfiguracją reaktora jest brak praktycznego procesu obiegu powrotnego cząstek stałych nośnika ciepła z podstawy reaktora w kierunku górnym do mieszalnika.

Alternatywnym rozwiązaniem dla osiągnięcia niezwykle wysokiej szybkości przenikania ciepła, doskonałej ablacji cząstek i minimalnego mieszania nawrotnego jest reaktor z rurą cyklonową lub wirową, w którym poruszające się szybko cząstki stałe materiału wyjściowego, są zmuszane do bezpośredniego, dokładnego, ciągłego kontaktu z gorącą ścianą reaktora.

Ściana zgarnia pierwotne ciecze depolimeryzacji z powierzchni reagującej, gdzie . są one natychmiast odparowywane i przenoszone do urządzenia oziębiającego. To rozwiązanie umożliwia doskonałą regulację bardzo krótkiego i jednolitego czasu przebywania w reaktorze.

168 638

Urządzenia na skalę laboratoryjną i do rozwijania procesu pracowały na surowcach z biomasy w zakresie temperatur od 400 do 900°C.

Na małą skalę, ta konfiguracja reaktora spełnia większość wymagań dla efektywnej, szybkiej pirolizy. Jednak możliwości zastosowań przemysłowych są minimalne, z powodu nieodłącznego ograniczenia szybkości przenikania ciepła przez ścianę reaktora, dużych komplikacji związanych ze zwiększeniem wymiarów i braku zastosowań na skalę przemysłową tych reaktorów w przemyśle chemicznym.

Piroliza próżniowa jest specjalnym przypadkiem szybkiej pirolizy. Bardzo szybkie przenikanie ciepła, typowo związane z poprzednio omawianym procesem szybkiej pirolizy, nie jest wymagane, ponieważ praca w próżni zapewnia, że pierwotne ciecze depolimeryzacji na powierzchni cząstek reagujących są szybko ściągane z tej powierzchni i usuwane ze strefy reakcji przed ich rozpadem na mniej wartościowe produkty wtórne /węgiel drzewny, ciężka smoła, nie dające się skroplić gazy/.

Chociaż uzyskiwano stosunkowo wysoką wydajność cieczy i konfiguracja reaktora umożliwia selektywne wydobycie specyficznych frakcji produktu, występują przeszkody we wprowadzeniu na skalę przemysłową. Najpoważniejsze z nich to ograniczenia ciepła, nieodłączna trudność związana ze zwiększeniem sikali procesów próżniowych, możliwość nieodpowiedniego przepływu cząstek stałych i zasadniczy brak sprawdzonych procesów próżniowej konwersji chemicznej na skalę przemysłową.

Żaden z powyższych reaktorów nie spełnia wszystkich wymagań dla reaktora do szybkiej pirolizy w skali przemysłowej, szczególnie jeśli chodzi o wymóg zwiększenia wymiarów reaktora do skali przemysłowej.

Niniejszy wynalazek dotyczy sposobu i reaktora do wydajnego, szybkiego, praktycznego przetwarzania termicznego i/lub katalitycznego surowców zawierających węgiel.

Sposób szybkiej pirolizy materiału zawierającego węgiel w reaktorze posiadającym sekcję mieszania i sekcję reakcji, odznacza się według wynalazku tym, że wprowadza się bez dostępu tlenu pierwszy strumień materiału zawierającego węgiel i drugi strumień, płynący do góry, materiału nieorganicznego w postaci cząstek stałych dostarczającego ciepło do sekcji mieszania, przy czym zapewnia się stosunek masy materiału dostarczającego ciepło do masy materiału zawierającego węgiel większy niż 5:1, utrzymuje się strumień materiału zawierającego węgiel w zetknięciu z drugim strumieniem materiału dostarczającego ciepło powodując przekształcenie materiału zawierającego węgiel w strumień produktu, oddziela się strumień produktu od materiału dostarczającego ciepło za pomocą urządzeń oddzielających umieszczonych na wyjściu z sekcji reakcji, przy czym stosuje się średni czas zetknięcia materiału zawierającego węgiel i materiału dostarczającego ciepło krótszy niż 2,0 sekundy a temperaturę produktów po opuszczeniu sekcji reakcji obniża się do temperatury niższej niż 300°C w czasie krótszym niż 0,1 sekundy oraz zawraca się materiał dostarczający ciepło do sekcji mieszania.

Korzystnie stosuje się szybkość nagrzewania materiału zawierającego węgiel w sekcji mieszania i sekcji reakcji większą niż 1000°C na sekundę.

Korzystnie czas przebywania materiału zawierającego węgiel i produktów pierwotnych w sekcji mieszania i sekcji reakcji wynosi od 0,05 do 0,90 sekundy.

Korzystnie stosuje się temperaturę w sekcji reakcji wynoszącą od 350°C do 1000°C.

Korzystnie stosuje się materiał zawierający węgiel w postaci rozdrobnionego materiału stałego, rozpylonej cieczy, pary albo nieskraplającego się gazu.

Korzystnie materiał zawierający węgiel wybiera się spośród: mielonego drewna, węgla, oleju ciężkiego, cieczy ropopochodnych, cieczy pochodnych z biomasy, ligniny, tworzyw sztucznych lub polimerów, opon, odpadków stałych ze śmieci miejskich, paliwa pochodzącego z odpadków i pozostałości przemysłowych.

Korzystnie nieorganicznym materiałem stałym dostarczającym ciepło jest piasek, piasek i katalityczne substancje stałe lub katalizator tlenek glinowy-krzemionka.

Reaktor do szybkiej pirolizy materiału zawierającego węgiel z przepływem w kierunku górnym z porywaniem cząstek stałych przez strumień gazu, posiadający sekcję mieszania i sekcję reakcji, odznacza się tym, że sekcj a mieszania zawiera pierwszy wlot do wprowadzania nieorganicznego materiału stałego przenoszącego ciepło i drugi wlot do wprowadzania materiału

168 638 zawierającego węgiel, sekcja reakcji jest umieszczona powyżej sekcji mieszania i zawiera urządzenia oddzielające na wylocie z sekcji reakcji do oddzielania gazowych i ciekłych produktów pirolizy od nieorganicznych cząstek stałych przenoszących ciepło i linię obiegu powrotnego zasilaną grawitacyjnie do zawracania cząstek stałych przenoszących ciepło do sekcji mieszania oraz zawiera urządzenia kondensacyjne do chłodzenia i kondensowania ciekłych produktów pirolizy po opuszczeniu przez nie urządzeń oddzielających.

Korzystnie drugi wlot jest w postaci wielu rozstawionych wlotów.

Korzystnie reaktor zawiera urządzenie sterujące w linii obiegu powrotnego regulujące kierunek i natężenie przepływu nieorganicznego materiału stałego dostarczającego ciepło.

Korzystnie urządzenie sterujące stanowi zawór rozrządczy w linii obiegu powrotnego.

Korzystnie reaktor zawiera urządzenie regulujące czas zetknięcia obu stłumieni materiałów dla utrzymywania całkowitego czasu przebywania materiału zawierającego węgiel w podwyższonej temperaturze w reaktorze krótszego od 2,0 sekund.

Korzystnie reaktor zawiera urządzenie przewężające na linii obiegu powrotnego do koncentrowania i przyspieszania nieorganicznych cząstek stałych przenoszących ciepło.

W odrębnej turbulentnej strefie mieszania osiąga się niezwykle szybkie, efektywne mieszanie rozdrobnionego materiału stałego z nośnikiem ciepła w postaci cząstek stałych i nieutleniającym gazem transportującym. Bezpośredni kontakt turbulentny między cząstkami nośnika ciepła, a materiałem wyjściowym, zapewnia bardzo wysokie szybkości przenikania ciepła i skuteczną ablację cząstek, które są niezbędne dla reakcji depolimeryzacji i ograniczania ulatniania, co zapewnia uzyskanie maksymalnej wydajności wszystkich cieczy.

Niniejszy wynalazek dotyczy nowego sposobu i reaktora do szybkiej przeróbki termicznej, takiej jak szybka piroliza, szybkie krakowanie materiałów zawierających węgiel, cechującego się szybkim mieszaniem i przenikaniem ciepła w nowej konstrukcji reaktora. Ciepło przenika do materiału wyjściowego z gorących cząstek stałych, które są przyspieszane, a następnie wtryskiwane do reaktora w jednym lub kilku strumieniach i uderzają o jeden lub kilka strumieni materiału wyjściowego. Następnie w sekcji mieszania zachodzi połączenie gorących cząstek stałych i materiału wyjściowego zawierającego węgiel. W gęsty, turbulentny strumień centralny w strefie mieszania. Cząstki stale są przyspieszane w podstawie i w całej strefie mieszania dla zwiększenia turbulencji i mieszania.

Sekcja reakcji z przepływem do góry powyżej mieszalnika zapewnia minimalne mieszanie nawrotne i bardzo krótki, regulowany, jednolity czas przebywania w reaktorze, co jest niezbędne dla zachowania nierównowagowych, pierwotnych produktów ciekłych i chemicznych i ograniczenia do minimum reakcji wtórnych, które wytwarzają małowartościowe produkty równowagowe, takie jak węgiel drzewny, koks, ciężkie smoły i nieskraplające się gazy.

Wysokowydajny system oddzielania i obiegu powrotnego cząstek stałych /typowo konstrukcji cyklonowej/ usuwa cząstki stałe nośnika ciepła i nadwymiarowe produkty stałe ze strumienia nieskraplalnych gazów i par produktów pierwotnych i zwraca nośnik ciepła do sekcji mieszania w podstawie reaktora. W linii powrotu cząstek stałych umieszczony jest zawór rozrządowy dla zabezpieczenia przed poważniejszym przepływem nawrotnym nad linią obiegu powrotnego.

Reaktor do szybkiej pirolizy materiału zawierającego węgiel według wynalazku zawiera: a/ wydłużony reaktor rurowy;

b/ sekcję mieszania umieszczoną poniżej reaktora rurowego z kanałami wejściowymi do wtryskiwania materiału zawierającego węgiel z nieutleniającym gazem nośnikowym lub bez nieutleniającego gazu nośnikowego;

c/ jeden lub kilka kanałów poniżej sekcji mieszania dla wejścia strumienia gorących cząstek stałych;

d/ strefę reakcji w reaktorze powyżej strefy mieszania, przez którą przepływają turbulentne, porywane cząstki stałe nośnika ciepła i reagujący materiał wyjściowy;

e/ kanał wylotowy nad strefą reakcji, łączącą się z wysokowydajnym składem oddzielania cząstek stałych /typowe cyklon z przepływem nawrotnym/ do oddzielania cząstek stałych nośnika ciepła i nadwymiarowych produktów stałych od nieskraplających się gazów i par produktów;

168 638 f/ rurę z przepływem w kierunku dolnym do przenoszenia cząstek stałych nośnika ciepła z separatora cząstek stałych /na przykład cyklonowego/ do podstawy sekcji mieszania, wyposażoną w odpowiedni zawór rozrządczy dla zapewnienia przepływu nawrotnego do sekcji mieszania reaktora;

g/ sekcję w podstawie strefy mieszania dla przyspieszenia gorących cząstek stałych w strefie mieszania, a w razie konieczności, przewężenie w strefie mieszania /to znaczy gardziel czyli zmniejszenie średnicy strefy mieszania/ dla dalszego przyspieszenia gorących cząstek stałych i materiału wyjściowego, co powoduje zwiększoną turbulencję, mieszanie i przenikanie ciepła.

Poza tym wynalazek dotyczy sposobu szybkiej przeróbki termicznej i/lub katalitycznej materiałów zawierających węgiel, obejmującego:

a/ szybkie mieszanie strumienia materiałów zawierających węgiel ze strumieniem nośnika ciepła w postaci gorących cząstek stałych i strumieniem nieutleniającego gazu nośnikowego;

b/ poddanie strumienia materiału zawierającego węgiel reakcjom konwersji termicznej i/lub katalitycznej w wydłużonym reaktorze transportowym z przepływem do góry;

c/ regulowanie czasu reakcji dla zapewnienia bardzo krótkiego, jednolitego czasu przebywania w reaktorze, co jest niezbędne dla zachowania produktów nierównowagowych rozkładu pierwotnego;

d/ oddzielenie cząstek stałych nośnika ciepła od strumienia nieskraplającego gazów i par produktu pierwotnego oraz recyrkulację cząstek stałych do sekcji mieszania;

e/ szybkie oziębianie par produktu pierwotnego dla zapewnienia maksymalnej wydajności wszystkich cieczy, produktów petrochemicznych i wybranych chemikaliów.

Sposób według niniejszego wynalazku jest stosowany dla materiałów zawierających węgiel w postaci rozdrobnionego materiału stałego, rozpylonej cieczy, pary albo nieskraplającego się gazu, przy czym materiał zawierający węgiel stanowi materiał wybrany spośród mielonego drewna, węgla, oleju ciężkiego, cieczy ropopochodnych, cieczy pochodnych z biomasy, ligniny, tworzyw sztucznych, lub polimerów, opon, odpadków stałych ze śmieci miejskich, paliwa pochodzącego z odpadków i pozostałości przemysłowych.

Reaktor do szybkiej pirolizy z przepływem w kierunku górnym według niniejszego wynalazku stanowi kombinacje reaktora transportowego z porywaniem cząstek stałych przez strumień gazu oraz z przepływem w kierunku górnym /z nośnikiem ciepła w postaci gorących cząstek stałych/, przepływu powrotnego w kierunku dolnym cząstek stałych nośnika ciepła oraz urządzenia do szybkiego i całkowitego mieszania cząstek stałych nośnika ciepła z materiałem zawierającym węgiel.

Wynikający stąd proces zapewnia:

1/ niezwykle szybkie przenikanie ciepła od nośnika ciepła w postaci cząstek stałych do reagentów zawierających węgiel w takim stopniu, że reagenty osiągają pożądaną temperaturę reakcji w ciągu ułamka ogólnego pożądanego czasu przebywania w reaktorze;

2/ dokładną regulację jednolitego, bardzo krótkiego czasu przebywania w reaktorze, tak, że uzyskuje się maksymalne wydajności nierównowagowe wszystkich cieczy lub wybrane maksymalne wydajności poszczególnych chemikaliów, paliw lub klas chemikaliów,

3/ doskonałą ablację cząstek, w związku z czym niepożądane reakcje wtórne w cząstkach reagujących są ograniczone do minimum dla ograniczenia wytwarzania ciężkich smoł wtórnych i stałych produktów pozostałościowych /węgiel drzewny, koks, miał węglowy/;

4/ bardzo ograniczone mieszanie nawrotne, tak że rozproszenie czasu przebywania w reaktorze jest wąskie, a reakcje wtórne są minimalne;

5/ regulowaną podwyższoną temperaturą;

6/ konfigurację nadającą się do szybkiego oziębiania produktu;

7/ urządzenie do skutecznej recyrkulacji gorących cząstek stałych nośnika ciepła.

Ta konfiguracja pozwala przezwyciężyć ograniczenia związane z czasem przebywania w reaktorze występujące przy złożach sfluidyzowanych. Nie tylko osiąga się jednolite czasy przebywania w reaktorze poniżej minimum możliwego dla złoża sfluidyzowanego, ale to bardzo niskie czasy przebywania można łatwo otrzymać w dużych reaktorach na skalę przemysłową.

168 638

Reaktor z przepływem w kierunku górnym, z porywaniem cząstek stałych przez strumień gazu i obiegiem powrotnym cząstek stałych nośnika ciepła według niniejszego wynalazku może się wydawać podobny do rozwiązania klasycznego cyrkulującego złoża sfluidyzowanego, który był stosowany do spalania, zgazowania i kalcynacji.

Jednak występują tu istotne zasadnicze różnice:

1/Zastosowania klasycznego, cyrkulującego złoża sfluidyzowanego są procesami utleniającymi /spalanie częściowe lub całkowite/. W przeciwieństwie do tego szybka piroliza jest procesem nieutleniającym, to znaczy reakcje chemiczne zachodzą bez dostępu tlenu.

2/ W zastosowaniach cyrkulującego złoża sfluidyzowanego stosuje się proces równowagowy, który doprowadza reakcję do zakończenia. Przeciwnie, szybka piroliza pozwala zachować nierównowagowe produkty pośrednie. Innymi słowy, po osiągnięciu warunków równowagi w cyrkulującym złożu sfluidyzowanym, nie ma dalszych zmian w rozkładzie produktów, a wydłużone czasy przebywania nie wpływają ujemnie na wymagane wydajności produktów końcowych. Stanowi to wyraźne przeciwieństwo do szybkiej pirolizy, gdzie wydłużony czas przebywania w reaktorze, poważnie wpływa na wydajność pożądanych nierównowagowych produktów pośrednich.

3/ Ponieważ klasyczne cyrkulacje złoża sfluidyzowane mają za zadanie dostarczenie produktów równowagowych, nie jest wymagane ścisłe regulowanie jednolitego, bardzo krótkiego czasu przebywania w reaktorze, jak w procesach szybkiej pirolizy. Ta z kolei oznacza, że:

- ablacja cząstek nie jest istotna, ponieważ, produkty reakcji wtórnej zostaną następnie przekształcone w pożądane, końcowe produkty równowagowe;

- nie jest ściśle wymagane osiągnięcie niezwykle szybkiego mieszania cząstek stałych nośnika ciepła z reagentami, gdyż bardzo wysokie szybkości przenikania ciepła nie są konieczne /wydłużony czas przebywania w reaktorze umożliwia dłuższy okres dla odpowiedniego przenikania ciepła

- wysokość wyjścia do układu obiegu powrotnego cząstek stałych /typowo cyklonowych/ powyżej s^)k<^ji mieszania, nie jest krytyczną zmienną konstrukcyjną w klasycznych cyrkulujących złożach sfluidyzowanych, ponieważ minimalny czas przebywania w reaktorze nie stanowi ograniczenia. W zastosowaniach szybkiej pirolizy, musi zachodzić równowaga między krótkim czasem przebywania w reaktorze /minimalna wysokość nad mieszalnikiem/, a minimalną wysokością wymaganą dla uniknięcia zalania cyklonu.

4/ Ponieważ zastosowania klasycznego cyrkulującego złoża sfluidyzowanego są utleniające, ciepło dostarczane przez nośnik ciepła w postaci cząstek stałych może być uzupełnione przez spalanie w strefie reakcji. Przeciwnie, przy szybkiej pirolizie należy unikać spalania w strefie reakcji, wobec czego całe wymagane ciepło w strefie mieszania i reakcji musi być dostarczane wyłącznie przez strumień gorących cząstek stałych.

5/ W klasycznych zastosowaniach cyrkulującego złoża sfluidyzowanego, nie ma tendencji konstrukcyjnej do wytwarzania produktu ciekłego, co upraszcza oddzielanie recyrkulujących cząstek stałych produktów gazowych. Przeciwnie, procesy szybkiej pirolizy projektuje się często dla osiągnięcia maksymalnej produkcji cieczy, co powoduje poważne ograniczenia w oddzielaniu recyrkulujących cząstek stałych od skrapialnych par dla zapewnienia, żeby pożądany produkt ciekły nie był tracony w strumieniu obiegu powrotnego cząstek stałych.

6/ Oprócz ograniczeń mechanicznych dla zapewnienia ciągłego przepływu, nie ma innych ograniczeń jeśli chodzi o zapobieganie reakcjom pirolizy wstępnej w układzie zasilania związanym z klasycznym złożem fluidyzowanym. Przeciwnie, nie można dopuścić do reakcji pirolizy wstępnej w układzie zasilania reaktorów do szybkiej pirolizy, gdyż to poważnie zmieniłoby rozmieszczenie produktu końcowego.

7/ W klasycznych cyrkulujących złożach sfluidyzowanych, świeży, tani gaz z zewnątrz /zwykle powietrze/jest doprowadzany w sposób ciągły do reaktora, do transportowania cząstek stałych przez złoże. W systemie reaktora do szybkiej pirolizy, gaz nośnikowy wchodzący do stref mieszania i reakcji musi być nieutleniający i zwykle, jedynym, niedrogim sposobem zasilania w gaz nośnikowy jest część recyrkulująca nieskraplających się gazów produktu. W konsekwencji, należy zapewnić skuteczny sposób obróbki strumienia gazów produktu, żeby nadawał się on do recyrkulacji.

168 638

Z poprzedniej dyskusji wynika, że należy spełnić następujące warunki, które są trudne do zrealizowania w klasycznych, cyrkulujących złożach sfluidyzowanych, żeby reaktor transportowy z przepływem w kierunku górnym, z porywaniem cząstek stałych przez strumień gazu oraz z obiegiem powrotnym cząstek stałych, mógł być skutecznie stosowany do szybkiej pirolizy materiałów zawierających węgiel:

1/ bardzo krótki, jednolity, regulowany czas przebywania w reaktorze:

2/ niezwykle szybkie, całkowite mieszanie w sekcji mieszania dla zapewnienia bardzo wysokiej prędkości przenikania ciepła;

3/ odpowiednie zasilanie i przenoszenie ciepła do strefy reakcji przy pomocy wyłącznie nośnika ciepła z obiegiem powrotnym cząstek stałych;

4/ unikanie zalewania cyklonu przy jednoczesnym osiąganiu minimalnych pożądanych czasów przebywania w reaktorze;

5/ bardzo wysoki stopień ablacji cząstek;

6/ nieutleniające warunki w strefie reakcji;

7/ skuteczne oddzielanie skrapl aj ących się par produktów od cząstek stałych nośnika ciepła bez straty skroplonych par do strumienia obiegu powrotnego cząstek stałych;

8/ oczyszczanie i recyrkulacja części nieskraplających się gazów produktu do stosowania jako czynnika transportującego;

9/ zapobieganie pirolizie wstępnej w układzie zasilania.

Każdy z powyższych problemów przezwyciężono poprzez konstrukcję reaktora do szybkiej pirolizy, zgodnego z wynalazkiem.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 schematycznie przedstawia układ przepływu szybkiej pirolizy dla szybkiej pirolizy materiału wyjściowego zawierającego węgiel z użyciem reaktora według niniejszego wynalazku, fig. 2 przedstawia reaktor według niniejszego wynalazku, fig. 3 - sekcję mieszania reaktora; fig. 4 - sekcję mieszania reaktora, w innym przykładzie wykonania, fig. 5 - reaktor zgodny z wynalazkiem w alternatywnym przykładzie wykonania i fig. 6 - przedstawia reaktor według wynalazku w drugim alteranatywnym przykładzie wykonania.

W następującym poniżej opisie odpowiednie elementy przedstawione na każdej figurze rysunku mają te sime odnośniki.

Główne elementy układu do szybkiej pirolizy w reaktorze transportowym z przepływem w kierunku górnym, porywaniem cząstek stałych przez strumień gazu oraz z obiegiem powrotnym cząstek stałych przenoszących ciepło /nazwanym w skrócie reaktorem z obiegiem złoża/, są zaprojektowane dla osiągnięcia stosunkowo wysokiej temperatury w minimalnym czasie, jak również stosunkowo krótkiego czasu przebywania w tej temperaturze dla dokonania szybkiej pirolizy materiału wyjściowego zawierającego węgiel. Wymagane jest szybkie chłodzenie lub oziębianie produktów dla zachowania uzysku cennych produktów nierównowagi.

Jak widać na fig. 1, ciepło wymagane do napędzania procesu pirolizy jest przenoszone do stref mieszania i reakcji 1, 16, głównie przez recyrkulujące gorące, katalityczne lub obojętne cząstki stałe.

W strefach mieszania i reakcji nie zachodzi utlenianie /spalanie/ dla dostarczenia bezpośredniego ciepła procesu. Bezpośrednie lub pośrednie spalanie węgla drzewnego lub gazu, albo paliwa dostarczanego z zewnątrz, może by stosowane do ogrzewania, ret^^i^lkł^l^ujących cząstek stałych przed ich wtryskiem do sekcji mieszania 16. Bezpośrednie spalanie węgla drzewnego może następować w linii obiegu powrotnego cząstek stałych /poza strefami mieszania i reakcji/. Alternatywnie, albo jako uzupełnienie, ciepło procesu może być dostarczane przez bezpośrednie spalanie recyrkulującego gazu w komorze 18 sprężonego powietrza lub w palniku gazowym umieszczonym w linii 19 recyrkulującego gazu. Ogrzewanie pośrednie może być zapewnione przez spalanie recyrkulującego gazu lub paliwa dostarczanego z zewnątrz w prętach ogniowych lub prętach grzejnych oporowych, umieszczonych w strefie 17 ogrzewania powtórnego.

Główne części składowe reaktora do szybkiej pirolizy materiału zawierającego węgiel z przepływem w kierunku górnym, z porywaniem cząstek stałych przez stnimień gazu są przedstawione na fig. 1. Są to: cyklonowy układ 2, 3 obiegu powrotnego gorących cząstek stałych, urządzenie oddzielające 6,7 w postaci oddzielacza cyklonowego, urządzenie kondensacyjne 8, 9 do

168 638 oziębiania i odzysku cieczy, układ 10, 11, 12 recyrkulacji i zasilania gazów oraz układ 4, 6 zasilania materiałem zawierającym węgiel.

Szybkie mieszanie nośnika ciepła w postaci cząstek stałych i materiału wyjściowego zawierającego węgiel oraz przenikanie ciepła do materiału zawierającego węgiel, dokonuje się w sekcji mieszania 16 reaktora transportowego. W sekcji mieszania 16, ciepło jest przenoszone z obojętnych lub katalitycznych cząstek stałych oraz gazowego nośnika ciepła do materiału wyjściowego zawierającego węgiel, będącego w postaci cząstek stałych, cząstek rozpylonych, strumienia pary, gazu lub cieczy. Pełne mieszanie i szybkie przenoszenie ciepła zwykle zachodzi w ciągu 10% pożądanego całkowitego czasu przebywania w reaktorze transportowym. Wobec tego, czas mieszania jest zwykle mniejszy, niż 0,1 sekundy, a korzystnie mieści się w zakresie od 0,015 do 0,030 sek. Szybkość nagrzewania materiału wyjściowego powinna być większa, niż 1000°C na sekundę.

Użycie nośnika ciepła w postaci cząstek stałych, w porównaniu z gazowym nośnikiem ciepła znacznie polepsza przenoszenie ciepła ze względu na wyższą zdolność cząstek stałych /na jednostkę masy/ i zdolność cząstek stałych do mechanicznej ablacji powierzchni reagujących materiałów zawierających węgiel. Poza tym, możliwe są znacznie wyższe szybkości przenikania ciepła do materiału zawierającego węgiel, przy stosowaniu bezpośredniego kontaktu z turbulentnymi gorącymi cząstkami stałymi, niż przy pośrednim przenikaniu ciepła przez ścianę reaktora.

Jak przedstawiono na fig. 2. operacja szybkiego mieszania /przenoszenia ciepła sekcji 16 mieszalnika termicznego są odrębne od operacji w sekcji 1 reakcji reaktora transportowego z przepływem w kierunku górnym. Pozwala to na dokładną regulację całkowitego czasu przebywania w temperaturze reakcji, ponieważ czas przenikania ciepła/ mieszania, stanowi stosunkowo mały ułamek czasu przebywania netto. Całkowity czas przebywanie w układzie reaktora to znaczy w sekcji 16 mieszania termicznego i sekcji 1 reakcje z przepływem w kierunku górnym jest krótszy od 2 sekund i mieści się zwykle w zakresie od 0,5 do 0,9 sekundy.

W złożu sfluidyzowanym z wydzielaniem się pęcherzyków, można na przykład dokonać wymaganego przenoszenia ciepła, ale regulacja czasu przebywania w reaktorze jest bardzo ograniczona, a rozproszenie czasu przebywania jest bardzo szerokie, przy czym znaczna część reagentów pozostaje w reaktorze przez okres dłuższy, niż średni czas przebywania. Poza tym, minimalny czas przebywania możliwy przy złożu sfluidyzowanym, często przekracza optymalny czas przebywania w reaktorze niezbędny dla maksymalnych wydajności wszystkich cieczy, produktów petrochemicznych, lub specjalnych produktów chemicznych. Konwencjonalny reaktor transportowy czyli z przepływem tłokowym /to znaczy bez sekcji mieszania/, może wprawdzie zapewnić dokładną regulację czasu przebywania w reaktorze, ale szybkość przenikania ciepła jest bardzo ograniczona.

W przeciwieństwie do złoża sfluidyzowanego z wydzielaniem pęcherzyków lub z fazą gęstą, reaktor z obiegiem nawrotnym cząstek stałych przenoszących ciepło według niniejszego wynalazku pracuje z wystarczająco wysokimi prędkościami powierzchniowymi /typowo przekraczającymi z n/sekundę/ tak, że całość materiału reaktora jest transportowana na zewnątrz układu reaktora. Zachodzi stosunkowo małe mieszanie nawrotne i zarówno rozproszenie czasu przebywania w reaktorze cząstek stałych jak i fazy par, jest wąskie/ czas przebywania jest stosunkowo jednolity.

Po wtrysku do podstawy układu reaktora, szybka piroliza materiału zawierającego węgiel rozpoczyna się w sekcji 16 mieszania i jest kontynuowana w sekcji 1 reakcji z przypływem w kierunku górnym. Stały i gazowy nośnik ciepła, wraz z parami produktu i węglem drzewnym, są przenoszone z reaktora transportowego do układu 2 obiegu powrotnego gorących cząstek stałych. W tym układzie obiegu powrotnego, przeważnie typu cyklonowego, cząstki stałe są usuwane ze strumienia w fazie par, który składa się z gazu transportującego, nieskraplalnych gazów produktu i skraplalnych par produktów pierwotnych. Cząstki stałe są ogrzewane ponownie i wracają do sekcji 16 mieszania reaktora poprzez linię 3 obiegu powrotnego cząstek stałych. Alternatywnie, ogrzewanie cząstek stałych może następować w podstawie 17 układu reaktora /to znaczy poniżej sekcji 16 mieszania, gdzie szybkość przenikania ciepła pozostaje wysoka/, dopóki stosuje się źródło ciepła nie pochodzące ze spalania.

168 638

Wyjście z reaktora do układu obiegu powrotnego gorących cząstek stały ch/typowo wejścia do cyklonu przepływu powrotnego/,jest tak stawione, żeby osiągnąć pożądane czasu minimalnego przebywania w reaktorze bez zalewania układu oddzielania /obiegu powrotnego. Linia 3 obiegu powrotnego cząstek stałych jest wyposażona w urządzenie sterujące 14 do ograniczania przepływu dla zapewnienia żeby poważniejsza ilość cząstek stałych nośnika ciepła, gazów transportujących, gazów i par produktu albo cząstek materiału zawierającego węgiel, nie były przedmuchiwane z powrotem do układu obiegu powrotnego gorących cząstek stałych.

Nieskroplone pary produktu, nieskraplalne gazy produktu i gazy nośnikowe, oraz bardzo drobne cząstki stałe wychodzą z pierwszego układu obiegu powrotnego gorących cząstek stałych /typowo cyklon z przepływem powrotnym/ do drugiego cyklonu 6 o wysokiej wydajności, gdzie węgiel drzewny, drobny popiół i starte materiały złoża, są usuwane z par i gazów i osadzane w łapaczu 7 cząstek stałych. Te oddzielone cząstki stałe są następnie usuwane z łapacza poprzez zawór zabezpieczający. Zarówno pierwszy jak i drugi układ oddzielania cząstek stałych ma regulowaną temperaturę dla zapewnienia, żeby temperatura strumienia produktu nie spadła poniżej wymaganej zwykle taka sama, jak temperatura w reaktorze.

Stmmień gorącego produktu /produkt skraplalny i nieskraplalny/ z oddzielacze drugiego, jest natychmiast oziębiany do temperatury niższej od 300°C w czasie krótszym od 0,1 sekundy i skraplany przez ochłodzoną ciecz ^^^^i^l^i^lującą /produkt ciekły lub jakiś inny odpowiedni rozpuszczalnik ciekły/ w skraplaczu pierwotnym, zwykle w kolumnie skraplającej 8 o kontakcie bezpośrednim. Skroplona, ciepła ciecz jest zasysana z dna skraplacza pierwotnego przez pompę i transportowana do kolumny wymiennika ciepła dla dalszego chłodzenia. Ochłodzone ciecze są następnie wtryskiwane z powrotem do górnej części kolumny skraplacza pierwotnego. Pozostałe produkty w postaci par które nie zostały skroplone w kolumnie pierwotnej, są dalej ochładzane w skraplaczu wtórnym, zwykle w kolumnie skraplalnej 9 z wypełnieniem, o kontakcie bezpośrednim. Ochłodzony skroplony produkt ciekły jest wyciągany z dna kolumny drugiego skraplacza i przepuszczany przez kolumnę drugiego wymiennia ciepła. Strumień gazu opuszczający górną część kolumny wtórnego skraplacza z wypełnieniem jest poddawany chłodzeniu końcowemu w wymienniku ciepła 20.

Trwałe aerosole /mgła organiczna/, których nie można było zebrać, są usuwane w urządzeniu 10 usuwania mgły i zbiorniku filtrującym 11, lub w odpowiedniej płuczce wieżowej. Część strumienia gazu produktu jest następnie sprężana w sprężarce 12 gazu i wysyłana do reaktora dla transportu materiału wyjściowego, nośnika ciepła w postaci cząstek stałych i produktów przez układ reaktora. Pewna drobna część aerosoli, które nie zostały zebrane przez urządzenie 10 usuwania mgły i filtr, może się osadzać w sprężarce recyrkulacji gazu, skąd te aerosole są usuwane okresowo przy pomocy wymywania rozpuszczalnikiem /przeważnie wodorotlenkiem sodu/.

Ciepło niezbędne dla reakcji szybkiej pirolizy, jest przenoszone do reagentów przez gorące cząstki stałe. Ogrzewanie cząstek stałych, z kolei, może być dokonane kilkoma sposobami /i kombinacjami sposobów/:

- bezpośrednie ogrzewanie cząstek stałych, poprzez dodanie powietrza do cząstek stałych, poza układem reaktora, zaraz przed ich powtórnym wejściem do strefy mieszania, dzięki czemu następuje spalanie nadwymiarowych cząstek węgla drzewnego i węgla, przylegających do powierzchni cząstek stałych nośnika ciepła,

- pośrednie ogrzewanie cząstek stałych poprzez układ reaktora i linie przenoszenia;

- pośrednie ogrzewanie cząstek stałych przez ogrzewanie strumienia recyrkulującego gazu poprzez spalanie zewnętrzne części węgla drzewnego lub produktów gazowych albo innych paliw w komorze 18 sprężonego powietrza, linii 19 obiegu powrotnego gazu lub innym odpowiednim palniku zewnętrznym;

- bezpośrednie ogrzewanie cząstek stałych nośnika ciepła poprzez grzejnik oporowy lub pręty grzejne opalane wewnętrznie, zanurzone w strefie 17 ogrzewania wstępnego z gęstą fazą, poniżej sekcji 16 mieszania reaktora.

Jak podano poprzednio, ciekły, stały lub gazowy materiał wyjściowy zawierający węgiel może być przerabiany w reaktorze transportowym do szybkiej pirolizy z cyrkulującym złożem. Układ zasilania będzie się różnił, zależnie od rodzaju użytego materiału wyjściowego zawierają168 638 cego węgiel. Podawanie nieskraplających się gazów lub parowanych cieczy jest bezpośrednie i nie wymaga specjalnego mechanizmu zasilającego. Rozpylaczowy układ zasilania jest wymagany do ciekłego materiału wyjściowego, natomiast mechaniczny, pneumatyczny lub kombinowany mechaniczno-pneumatyczny układ zasilania do cząstek stałych. Przykład układu zasilania do cząstek stałych przedstawiono na fig. 1, gdzie stosowany jest blokowy układ zsypowy 5 dla dostarczenia materiału wyjściowego w postaci cząstek stałych zawierających węgiel do śruby zasilającej wlot 4 reaktora. Świder na dnie zbiornika zasilania dawkuje materiał zawierający węgiel do śruby zasilającej, która jest wspomagana przez gaz nośnikowy dla wtryskiwania materiału do sekcji mieszania reaktora.

Korzystnie rozwiązanie reaktora ze złożem cyrkulującym przedstawiono na fig. 2. Ten układ wykorzystuje pęd w kierunku górnym i turbulencję strumienia lub strumień gorących cząstek stałych z obiegiem powrotnym dla przeniesienia ciepła do wtryskiwanego materiału zawierającego węgiel. Materiał w postaci cząstek stałych zawierających węgiel jest wtryskiwany przy pomocy kombinowanego urządzenia mechaniczno-pneumatycznego 3, zastosowaniem śruby obrotowej, a gaz nośnikowy jest wtryskiwany w pobliżu wylotu śruby reaktora. Gaz nośnikowy stanowi zwykle ułamek recyrkulującego gazu produktu.

Przy tym sposobie zasilania, polepsza się mieszanie i przenoszenie ciepła w strefie mieszania. Badanie stosunkowo chłodnego recyrkulującego gazu produktu do rury śruby reaktora, również służy utrzymaniu temperatury materiału zawierającego węgiel na poziomie przy którym nie może następować piroliza wstępna. Alternatywnie, można wybrać i stosować mechaniczne układy zasilania, które nie wymagają wspomagania przepływem powietrznym /na przykład zasilacz naporowy/.

Figura 3 przedstawia rozwiązanie sekcji mieszania reaktora. Sekcja 16 mieszania umożliwia szybkie przenikanie ciepła z nośnika ciepła w postaci gorących cząstek stałych do cząstek stałych materiału wyjściowego zawierającego węgiel, lub rozpylonego materiału ciekłego zawierającego węgiel. Mieszanie i przenikanie ciepła typowo następują w ciągu 0,1 sekundy w mieszalniku termicznym, a korzystnie w ciągu od 0,005 do 0,030 sek. Szybkość nagrzewania materiału wyjściowego powinna przekraczać 1000°C na sekundę. Wymiar cząstek materiału zawierającego węgiel jest przeważnie mniejszy niż 6 mm dla ciał stałych i poniżej 1 mm dla rozpylonych cieczy. Przeważnie cząstki stałe przenoszące ciepło stanowią obojętny piasek krzemionkowy lub katalizator tlenek glinowy-krzemionka o średnich wymiarach cząstek w zakresie od 40 do 500 mikronów.

Funkcja szybkiego mieszania turbulentnego/przenoszenia ciepła sekcji 16 mieszania termicznego różni się od funkcji reakcji 1 z przepływem w kierunku górnym tym, że w sekcji mieszania występuje faza gęsta natomiast w sekcji reakcji występuje faza rozcieńczona. To umożliwia dokładną regulację całkowitego czasu przebywania w temperaturze reakcji, ponieważ czas przenoszenia ciepła/mieszania stanowi stosunkowo małą część czasu przebywania netto, przeważnie poniżej 20%, a korzystnie mniej niż 12%. Całkowity czas przebywania w układzie reaktora /to znaczy w sekcji mieszania termicznego i sekcji reakcji, mieści się zwykle w zakresie od 0,05 do 0,9 sekundy.

Wtryskiwanie materiału stałego odbywa się przy pomocy zasilacza mechanicznego, przeważnie świdra śrubowego, w jednym lub kilku promieniowych miejscach wtrysku. Osiągi urządzenia zasilającego można polepszyć pneumatycznie przez wtrysk gazu obojętnego, zwykle części ochłodzonego, recyrkulującego produktu, gazowego. Służy to do zwiększenia prędkości wejściowej cząstek materiału, pomagając osiągnąć w ten sposób lepsze przenikanie do strefy mieszania, przy jednoczesnym chłodzeniu materiału, co zapobiega pirolizie wstępnej. Stosowanie gazu obojętnego zapobiega przepływowi powrotnemu par produktu do układu zasilania materiałem wyjściowym. Dysze wtryskujące mogą również zawierać płaszcze chłodzenia powietrzem lub wodą dla dalszego opóźnienia ogrzewania wstępnego materiału wyjściowego.

Cząstki stałe nośnika ciepła są wprowadzane do sekcji mieszania przez przepływ pneumatyczny przez jeden lub więcej otworów bardzo blisko kanałów wlotowych materiału, zawierającego węgiel. Stosunek prędkości przepływu masowego nośnika ciepła do prędkości przepływu materiału zawierającego węgiel, zależy od wymagań termicznych układu, co z kolei zależy od rodzaju materiału wyjściowego i wymaganej temperatury reakcji. Stosunek ten zwykle wynosi

168 638 od 1: 1do 200 : 1, a korzystnie mieści się w zakresie od 5 : 1do 100 : 1. Urządzenie ograniczania przepływu, zamontowane w linii 3 obiegu powrotnego cząstek stałych reguluje szybkość powrotu cząstek stałych do mieszalnika, a jednocześnie zapobiega przepływowi nawrotnemu cząstek stałych nośnika ciepła, gazu nośnikowego, gazów produktu i par oraz cząstek stałych materiału zawierającego węgiel.

Gaz nośnikowy, zwykle gaz obojętny lub część recyrkulująca nieskraplalnych gazów produktu, jest wprowadzany do reaktora poprzez komorę sprężonego powietrza, umieszczoną poniżej płyty rozdzielczej gazu, przeważnie siatkowej.

Figura 4 przedstawia alternatywny przykład wykonania sekcji mieszania reaktora. W tym przypadku, sekcja mieszania reaktora ma zbieżne wloty 3 dla cząstek stałych nośnika ciepła, które są dostarczane z układu obiegu powrotnego gorących cząstek stałych. Zbieżne wloty są skierowane ku współosiowemu strumieniowi materiału zawierającego węgiel dostarczanemu przez wlot 4 i zapewniają dokładne zetknięcie i całkowite mieszanie nośnika ciepła z materiałem zasilającym. Ta turbulencja jest idealna dla szybkiego przenikania ciepła. Kąt 60° wybrano jako korzystny kąt dla wprowadzenia strumieni nośnika ciepła do centralnego strumienia materiału zawierającego węgiel.

Na figurze 5 przedstawiono alternatywne rozwiązanie reaktora według wynalazku ze złożem cyrkulującym. W tym przypadku, odcinek przewężenia 21 jest usytuowany w układzie reaktora między sekcją 16 mieszania, a sekcją 1 reakcji. Kąt przewężenia wynosi zwykle 25 do 60 stopni, a korzystnie 40 do 50 stopni. Przewężenie poprawia parametry mieszania i przenikania ciepła układu jeszcze bardziej, a w połączeniu z odpowiednim zmniejszeniem średnicy sekcji transportującej /to znaczy zmniejszeniem objętości reaktora/, umożliwia pracę przy znacznie zmniejszonych czasach przebywania w reaktorze, nawet poniżej 0,1 sekundy, jeśli jest to wymagane.

Na figurze 6 przedstawiono drugi alternatywny przykład wykonania reaktora, jak na fig. 5, ale z dodanym drugim przewężeniem 15 między strefą 17 ogrzewania wtórnego, a sekcją 16 mieszania. To drugie przewężenie służy do dalszego przyspieszania i zwiększania stężenia strumienia gorących cząstek stałych, co z kolei dalej poprawia mieszanie i przenikanie ciepła w strefie 16 mieszania.

Przykłady

Reaktor ze złożem cyrkulującym według niniejszego wynalazku pracował na materiale wyjściowym i przy temperaturach reakcji opisanych poniżej. Podano wydajności wszystkich cieczy i gazów, a poza tym uzyskano współczynnik brązowienia 5,5. Współczynnik brązowienia jest względną miarą zdolności materiałów zawierających węgiel do reagowania z glicyną aminokwasową. Współczynnik brązowienia jest dobrym wskaźnikiem zdolności roztworu cieczy pirolizy do funkcjonowania jako roztworu nadającego zapach dymu, jak również wskazuje stopień tworzenia koloru brązowego na powierzchniach artykułów spożywczych i jest znany pracownikom przemysłu wędzarskiego.

I. Materiał wyjściowy - drewno /twarde/

- zawartość węgla: 48,5%

- zawartość wodoru: 6,2%

- zawartość tlenu: 44,2%

- zawartość popiołu: 0,6%

Temperatura w reaktorze: 520°C

Czas przebywania w reaktorze: 0,69 sek.

Czas pracy: 12 godzin

Wydajność wszystkich cieczy: 72,5%

Wydajność gazu: 13,0%

Względny wskaźnik brązowienia: 5,5%

Przy zastosowaniu urządzenia do szybkiej pirolizy twardego drewna, według wynalazku, w porównaniu z konwencjonalną wolną pirolizą w tej samej temperaturze 520°C, względny wskaźnik brązowienia był 5,5 razy wyższy, wydajność wszystkich cieczy 2,4 razy wyższa, a wydajność węgla drzewnego o 56% niższa. Poza tym, produkt ciekły, uzyskany z przeróbki twardego drewna w wolnej pirolizie, jest wtórną smołą o stosunkowo niskiej wartości /to znaczy

168 638 jest zbudowany ze składników, które uległy ponownej polimeryzacji i ponownemu skropleniu, tworząc ciężkie związki o dłuższych łańcuchach/. Ta ciecz wolnej pirolizy jest niezwykle lepka i z trudem można ją przelewać w temperaturze pokojowej. Z drugiej strony, ciecz szybkiej pirolizy, wytworzona w przykładzie I, składa się z wartościowych, lekkich składników, które całkowicie różnią się od cieczy wolnej pirolizy pod względem ich składu chemicznego i wartości. Ciecze szybkiej pirolizy, pochodzące z przeróbki drewna twardego mają niską lepkość i można je łatwo lać w temperaturze pokojowej.

To samo urządzenie z przykładu I pracowało przy stosowaniu poniższego materiału wyjściowego, temperatury reakcji, czasu przebywania w reaktorze i czasu pracy oraz zapewniło wskazaną wydajność produktów.

II. Materiał wyjściowy - drewno /twarde/

- zawartość węgla: 48,5%

- zawartość wodoru: 6,2%

- zawartość tlenu: 44,2%

- zawartość popiołu: 0,6%

Temperatura w reaktorze: 500°C

Czas przebywania w reaktorze: 1,4 sek. Czas pracy: 11 godzin

Wydajność wszystkich cieczy: 70,0% Wydajność gazu: 11,0%

Względny wskaźnik brązowienia: 3,5

Przy zastosowaniu urządzenia do szybkiej pirolizy twardego drewna, według wynalazku w porównaniu z konwencjonalną wolną pirolizą w tej samej temperaturze 500°C, względny wskaźnik brązowienia był 3,5 raza wyższy, wydajność wszystkich cieczy około 2,3 raza wyższa, oraz wydajność węgla drzewnego o 42% niższa. Podobnie jak w przykładzie I, produktem ciekłym uzyskanym z przeróbki twardego drewna w wolnej pirolizie, była wtórna smoła o stosunkowo niskiej wartości. Z drugiej strony, ciecz otrzymana w procesie szybkiej pirolizy z przykładu II, zawiera wartościowe, lekkie składniki, które całkowicie różnią się od cieczy wolnej pirolizy pod względem ich składu chemicznego i wartości.

To s^mo urządzenie z przykładu I pracowało przy stosowaniu poniższego materiału wyjściowego, temperatury reakcji, czasu przebywania w reaktorze i czasu pracy oraz pozwoliło uzyskać podane wydajności produktów.

III. Materiał wyjściowy - lignina

- zawartość węgla: 63,32%

- zawartość wodoru: 6,08%

- zawartość tlenu: 33,35%

-zawartość azotu: 0,27%

Temperatura w reaktorze: 550°C

Czas przebywania w reaktorze: 0,6 sek.

Wydajność cieczy: 55%

Wydajność gazu: 10,4%

To samo urządzenie z przykładu I, z dodaniem odcinka przewężenia jak na fig. 5, pracowało przy stosowaniu poniższego materiału wyjściowego, temperatury reakcji, czasu przebywania w reaktorze i czasu pracy oraz podanych wydajności produktów.

IV. Materiał wyjściowy - drewno /twarde/

- zawartość węgla: 48,5%

- zawartość wodoru: 6,2%

- zawartość tlenu: 44,2%

- zawartość popiołu: 0,6%

Temperatura w reaktorze: 520°C

Czas przebywania w reaktorze: 0,33%

Czas pracy: 5 godzżn

Wydajność wszystkich cieczy: 78%

Wydajność gazu: 11,1%

168 638

Wydajność węgla drzewnego: 10,9%

Względny wskaźnik brązowienia: 6,0

Przy zastosowaniu urządzenia do szybkiej pirolizy twardego drewna według wynalazku, w porównaniu z konwencjonalną wolną pirolizą w tej samej temperaturze 520°C względny wskaźnik brązowienia był około 6 razy wyższy, wydajność wszystkich cieczy około 2,6 raza wyższa, a wydajność węgla drzewnego o 67% niższa. Podobnie jak w przykładzie I, produktem ciekłym uzyskanym z przeróbki twardego drewna, w wolnej pirolizie, była wtórna smoła o stosunkowo niskiej wartości. Z drugiej strony, ciecz otrzymana w procesie szybkiej pirolizy z przykładu IV, zawiera wartościowe, lekkie składniki, które całkowicie różnią się od cieczy wolnej pirolizy pod względem ich składu chemicznego i wartości.

Claims (13)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób szybkiej pirolizy materiału zawierającego węgiel w reaktorze posiadającym sekcję mieszania i sekcję reakcji, znamienny tym, że wprowadza się bez dostępu tlenu pierwszy strumień materiału zawierającego węgiel i drugi strumień, płynący do góry, materiału nieorganicznego, w postaci cząstek stałych, dostarczającego ciepło do sekcji mieszania, przy czym zapewnia się stosunek masy materiału dostarczaj ącego ciepło do masy materiału zawierającego węgiel większy niż 5:1, utrzymuje się strumień materiału zawierającego węgiel w zetknięciu z drugim strumieniem materiału dostarczaj ącego ciepło powodując przekształcenie materiału zawierającego węgiel w strumień produktu, oddziela się strumień produktu od materiału dostarczającego ciepło za pomocą urządzeń oddzielających umieszczonych na wyjściu z sekcji reakcji, przy czyim stosuje się średni czas zetknięcia materiału zawierającego węgiel i materiału dostarczającego ciepło krótszy niż 2,0 sekundy a temperaturę produktów po opuszczeniu sekcji reakcji obniża się do temperatury niższej niż 300°C w czasie krótszym niż 0,1 sekundy oraz zawraca się materiał dostarczający ciepło do s^l^<^ji mieszania.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się szybkość nagrzewania materiału zawierającego węgiel w sekcji mieszania i sekcji reakcji większą niż 1 (0D0^oC na sekundę.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czas przebywania materiału zawierającego węgiel i produktów pierwotnych w sekcji mieszania i sekcji reakcji wynosi od 0,05 do 0,90 sekundy.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się temperaturę w sekcji reakcji wynoszącą od 350°C do 1000°C.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się materiał zawierający węgiel w postaci rozdrobnionego materiału stałego, rozpylonej cieczy, pary albo nieskraplającego się gazu.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że materiał zawierający węgiel wybiera się spośród: mielonego drewna, węgla, oleju ciężkiego, cieczy ropopochodnych, cieczy pochodnych z biomasy, ligniny, tworzyw sztucznych lub polimerów, opon, odpadków stałych ze śmieci miejskich, paliwa pochodzącego z odpadków i pozostałości przemysłowych.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że nieorganicznym materiałem stałym dostarczającym ciepło jest piasek, piasek i katalityczne substancje stałe lub katalizator tlenek glinowy-krzemionka.
8. 8. Reaktor do szybkiej pirolizy materiału zawierającego węgiel z przepływem w kierunku górnym z porywaniem cząstek stałych przez strumień gazu, posiadający sekcję mieszania i sekcję reakcji, znamienny tym, że sekcja (16) mieszania zawiera pierwszy wlot (19) do wprowadzania nieorganicznego materiału stałego przenoszącego ciepło i drugi wlot (4) do wprowadzania materiału zawierającego węgiel, sekcja (1) reakcji jest umieszczona powyżej sekcji (16) mieszania i zawiera urządzenia oddzielające (6, 7) na wylocie z sekcji (1) reakcji do oddzielania gazowych i ciekłych produktów pirolizy do nieorganicznych cząstek stałych przenoszących ciepło i linię (2, 3) obiegu powrotnego zasilaną grawitacyjnie do zawracania cząstek stałych przenoszących ciepło do sekcji (16) mieszania oraz zawiera urządzenia kondensacyjne (8, 9) do chłodzenia i kondensowania ciekłych produktów pirolizy po opuszczeniu przez nie urządzeń oddzielających (6, 7).
9. 9. Reaktor według zastrz. 8, znamienny tym, że drugi wlot jest w postaci wielu rozstawionych wlotów.
10. 10. Reaktor według zastrz. 8, znamienny tym, że zawiera urządzenie sterujące (14) w linii (2,3) obiegu powrotnego regulujące kierunek i natężenie przepływu nieorganicznego materiału stałego dostarczającego ciepło.

    168 638
11. 11. Reaktor według zastrz. 10, znamienny tym, że urządzenie sterujące (14) stanowi zawór rozrządczy w linii (2, 3) obiegu powrotnego.
12. 12. Reaktor według zastrz. 8, znamienny tym, że zawiera urządzenie regulujące czas zetknięcia obu strumieni materiałów dla utrzymywania całkowitego czasu przebywania materiału zawierającego węgiel w podwyższonej temperaturze w reaktorze krótszego od 2,0 sekund.
13. 13. Reaktor według zastrz. 8, znamienny tym, że zawiera urządzenie przewężające na linii obiegu powrotnego do koncentrowania i przyspieszania nieorganicznych cząstek stałych przenoszących ciepło.