RS59514B1 - Toplotno i hemijsko iskorišćavanje ugljeničnih materijala, naročito za bezemisionu proizvodnju energije - Google Patents

Description

Opis

OBLAST TEHNIKE

[0001] Ovaj pronalazak odnosi se na postupke i postrojenja za bezemisionu proizvodnju energije toplotno-hemijskim obrađivanjem i iskorišćavanjem čvrstih, tečnih i gasovitih ugljeničnih materijala i mešavina, naročito otpada, biomase, uglja i drugih heterogenih materijala. Dalje, ovaj pronalazak odnosi se na postrojenja za proizvodnju električne i mehaničke energije, i odgovarajuće postupke, kao i proizvodnju sintetičkih ugljovodonika i njihovu primenu u takvim postrojenjima.

STANJE TEHNIKE

[0002] Već neko vreme je poznato da emisije, naročito emisije ugljendioksida, imaju veoma štetne efekte na klimatsku ravnotežu planete zemlje, i u velikoj meri doprinose veštačkom klimatskom zagrevanju. Prema tome, izbegavanje emisije ugljendioksida je veoma poželjno, naročito u proizvodnji energije iz ugljeničnih materijala, kao što je otpad, biomasa, i fosilna goriva.

[0003] Kada se primenjuju ugljenični materijali kao goriva u konvencionalnim postrojenjima za proizvodnju energije, ugljendioksid predstavlja nezaobilazni nus-proizvod proizvodnje energije.

Izdvajanje ugljendioksida iz dobijenih izduvnih gasova sagorevanja generalno nije moguće uz razumnu energetsku/ekonomsku potrošnju.

[0004] Za industrijski kapacitet, testirani su sistemi u kojima se ugljendioksid hvata, na primer, rastvaračima na bazi amina, i skladišti u sabijenom obliku. Međutim, takvi sistemi su skupi i složeni.

[0005] Energetski izvori bez emisije ugljendioksida kao što je, na primer, solarna snaga, snaga vetra, snaga vode, i nuklearna energija poseduju druge nedostatke. Novija postrojenja za primenjivanje alternativnih energetskih izvora kao što je snaga vetra, solarna energija i biomasa nedovoljnog su kapaciteta za pokrivanje stalno povećavajućih potreba za energijom. Pored toga, energetski izvori koji zavise od vremenskim prilika trenutno ne mogu da obezbede bezrezervno potrebne izvozne kapacitete. Postrojenja za nisko-emisionu, efikasnu, fleksibilnu proizvodnju energije koja se lako može podići na veći proizvodni kapacitet, naročito električne energije, prema tome predstavljaju predmet intezivnog istraživanja.

[0006] Iz stanja tehnike, poznate su razne vrste postupaka i postrojenja kojima se mogu proizvesti mešavine gasa iz čvrstih, tečnih i gasovitih ugljeničnih materijala, koji se zatim koriste kao takozvani sintezni gas za hemijske sinteze. Sintezni gasovi koji asdrže ugljenmonoksid i vodonik koriste se, na primer, za industrijsku sintezu metanola u tečnoj fazi ili za Fischer-Tropsch sintezu za proizvodnju ugljovodonika i drugih organskih materijala. Alternativno, takvi sintezni gasovi takođe se koriste za proizvodnju energije, na primer kao gorivo za pogon mašina na toplotnu energiju.

[0007] Za proizvodnju ugljenmonoksid-vodonik sinteznih gasova iz čvrstog ugljenika, čvrsti ugljenik gasifikuje se primenom kiseonika, ugljendioksida ili vode radi formiranja sinteznog gasa:

H 131.3 kJ/mol) (I)

( ΔH 172.5 kJ/mol) (II)

ΔH -110.5 kJ/mol) (III)

[0008] Odnos između ugljenmonoksida i vodonika dat je onim što se naziva reakcija promene voda gas IV:

-41.2 kJ/mol) (IV)

[0009] Toplotna energija potrebna za tok endotermnih reakcija I i II može da potiče, na primer, od delimičnog sagorevanja čvrstog ugljenika u reakciji III, ili se može dovesti od spolja.

[0010] U postupku poznatog tipa za proizvodnju sinteznog gasa ili odgovarajućeg gasovitog goriva, čvrsti ugljenik za reakcije gasifikacije prisutan je u obliku koksa. To se sa druge strane proizvodi u prethodnoj fazi postupka pirolizom uglja ili drugih ugljeničnih materijala. Pirolizni gasovi obrazovani tokom pirolize se sagorevaju, pri čemu vreli gasovi sagorevanja sadrže ugljendioksid služe prvenstveno kao agensi za gasifikaciju koksa i takođe kao spoljašni snabdevači toplotne energije.

[0011] U drugom tipu postupka, koks se gasifikuje dodavanjem vazduha/kiseonika, pri čemu je toplotna energija primarno proizvedena delimičnim sagorevanjem ugljenika iz koksa. Pirolizni gas iz prethodne faze pirolize zatim se meša u vreo sintezni gas gde se krekuje, i obrazuje se takozvana gasna mešavina sa sagorivim elementima bez katrana.

[0012] Poznati postupci za proizvodnju sinteznog gasa usmeravaju se i optimizuju prema proizvodnji sinteznog gasa za hemijsku industriju iz jeftinog fosilnog ugljenika, na primer za proizvodnju tečnog pogonskog goriva i drugih krajnjih proizvoda visoke vrednosti. U ovim postupcima neki od polaznih materijala sagoreva se radi proizvodnje energije, i tako se u proizvodnji krajnjih proizvoda visoke vrednosti proizvode velike količine ugljendioksida koji se više ne može iskorišćavati. Zahvaljujući veštačkom klimatskom zagrevanju, takvi neefikasni postupci postaju sve više i više neprihvatljivi.

[0013] Drugi postupci su pre svega usmereni prema proizvodnji gasovitog goriva kojim se lakše može upravljati, iz čvrstih ugljeničnij materijala kao što je, na primer, fosilni ugalj, biomasa, ili heterogene mešavine kao što je, na primer, otpad zapaljivih elemenata. Sa ovim gorivom, na primer, mogu se pogoniti gasne turbine. Takvi postupci su opisani, na primer, u DE 102007041624 A1 i DE 2325204 A1. Međutim, u ovim postupcima neka hemijska energija smeštena u čvrstom polaznom materijalu se troši u konverzijama, bilo u proizvodnji koksa ili proizvodnji gasa, a ugljendioksid se shodno tome oslobađa.

[0014] Nedostatak poznatih postupaka je proizvodnja emisija, niska efikasnost, i komplikovana konstrukcija i upravljanje, naročito u postrojenjima u kojima se koks gasifikuje u fluidizovanom toku ili uvedenom toku.

[0015] Slično tome, razni su postupci poznati kojima se mogu proizvesti tečna pogonska goriva iz biomase. U članku G. W. Huber et al., "Synthesis of Transportation Fuels from Biomass: Chemistry, Catalysts, and Motorering", Chem. Rev.106 (2006), p.4044, dat je pregled raznih pristupa. U određenom osnovnom tipu ovih postupaka, biomasa se gasifikuje i iz dobijene gasne mešavine zatim se sintetizuju gasoviti i/ili tečni ugljovodonici i/ili druga ugljenična jedinjenja koji služe kao pogonsko gorivo ili gorivo.

[0016] Jedan takav postupak za proizvodnju sintetičkog pogonskog goriva iz biomase opisan je u "Verfahren zur Herstellung des synthetischen Biokraftstoffs SunDiesel", B. Hoffmann, Aufbereitungstechnik, 49(1-2) (2008), S.6. U ovom postupku, koji se naziva “Carbo-V”, grudvičasta biomasa (usitnjen biljni materijal) pirolizuje se vazduhom u prvoj fazi pri niskom pritisku (4 bar) na 400– 500 °C, pri čemu se ova faza smatra fazom toplotne predobrade. To proizvodi pirolizni gas i pirolizni koks. Odgovarajuće postrojenje opisano je na primer u DE 19807988 A1. Pirolizni gas zatim se postoksidizuje predzagrejanim vazduhom ili kiseonikom na visokoj temperaturi (1400–1500 °C) kako bi se razbili ugljovodonici dugog lanca. Odvojeno od toga, pirolizni koks se usitnjava i uduvava u obliku prašine u tok gasa iz druge faze postupka u kojoj se prašina koksa endotermno gasifikuje u sintezni gas u uvedenom toku. Odgovarajući postupak opisan je u EP 1749872 A2. posle obrade, pogonsko gorivo analogan dizelu proizvodi se iz dobijenog sinteznog gasa, u fišefaznoj Fischer-Tropsch sintezi. Dobijen izduvni gasovi uključujući ugljendioksid, proizvodeni u fazi pirolize i gasifikacije oslobađaju se u atmosferu.

[0017] Kako bi se povećala efikasnost Fischer-Tropsch reakcije, zaostali gasovi i gasoviti proizvodi Fischer-Tropsch sinteze koji sadrže nereagovani vodonik i ugljenmonoksid, a takođe i C1–C4 ugljovodonična jedinjenja, mogu se ponovo propustiti kroz Fischer-Tropsch fazu njihovim reciklovanjem u fazi gasifikacije. (videti H. Boerrigter, R. Zwart, "High efficiency coproduction of Fischer-Tropsch (FT) transportation fuels and substitute natural gas (SNG) from biomass", Energy research centre of the Netherlands ECN Report, ECNC-04-001, Feb.2004.) Tako, na primer, US 2005/0250862 A1 opisuju postupak za proizvodnju tečnih pogonskih goriva iz biomase u kojem se gasovi niske molekulske mase i neželjene frakcije veće molekulske mase ponovo propuštaju kroz fazu gasifikacije, posle Fischer-Tropsch sinteze.

[0018] Međutim, u svim ovim postupcima, izduvni gasovi,koji se sastoje pre svega od ugljendioksida, a takođe ako je moguće i inertnih gasova kao što je atmosferski azot, oslobađaju se u atmosferu.

[0019] DE 2807326 i US 4092825 opisuju postrojenja za proizvodnju energije u kojem se sintezni gas proizvodi iz uglja, pri čemu se taj sintezni gas zatim primenjuje kao gasno gorivo za proizvodnju pare.

Putem parne turbine, električna energija proizvodi se iz pare. Nešto sinteznog gasa grana se i primenjuje za proizvodnju metanola ili tečnih ugljovodonika. Ova tečna goriva se skladište privremeno i primenjuju kada je potrebno za proizvodnju električne energije. Dobijeni izduvni gasovi sagorevanja oslobađaju se u atmosferu.

[0020] Opis dokumenata iz stanja tehnike, koji su ovde navedeni, čine intergralni deo opisa ovog pronalaska koji sledi.

ZADATAK OVOG PRONALASKA

[0021] Zadatak ovog pronalaska je da se obezbede postupci i postrojenja za bezemisionu proizvodnju energije toplotno-hemijskim obrađivanjem i iskorišćavanjem čvrstih, tečnih i gasovitih ugljeničnih materijala i mešavina, naročito otpada, biomase, uglja i drugih heterogenih materijala, koji postupci i postrojenja nemaju prethodno pomenute i druge nedostatke. Posebno, postupci i postrojenja prema ovom pronalasku morali bi biti što je moguće više bez emisija.

[0022] Drugi zadatak ovog pronalaska je da se obezbede postupci i postrojenja kojim se otpad, biomasa ili ugalj mogu konvertovati sa što je moguće manjim obezbeđivanjem energije, i bezemisiono, u druge energetski bogate proizvode, na primer proizvode koji sadrže sintetičke ugljovodonike.

[0023] Još jedan zadatak ovog pronalaska je da se obezbede postupci i postrojenja pomoću kojih se materijali koji se teško iskorišćavaju, kao što su na primer uljni škriljci, naftni pesak ili naftni mulj, mogu konvertovati na bezemisioni način u energetsko bogate i korisnije proizvode, ili se mogu primeniti za bezemisionu proizvodnju energije, respektivno.

[0024] Dalji zadatak ovog pronalaska je da se obezbede postupci i postrojenja kojima se čvrsti, tečni ili gasoviti materijali mogu efikasno konvertovati u gasovite ili tečne energetske izvore.

[0025] Drugi zadatak ovog pronalaska je da se obezbede postupci i postrojenja kojima se čvrsta, tečna i gasovita goriva i pogonska goriva mogu proizvesti bezemisiono.

[0026] Još jedan dalji zadatak ovog pronalaska je da se optimizuje energetska efikasnost pomenutih postupaka i postrojenja, izbegavanjem hemijskijh i/ili energetskih gubitaka zbog emisije, i konvertovanjem sakupljenih ne-emitovanih materijala u dodatne visokovredne energetske izvore, kao što su na primer goriva i pogonska goriva.

[0027] Uređaj za proizvodnju energije prema ovom pronalasku tako bi posebno morao da omogući proizvodnju električne energije i/ili mehaničke energije i/ili toplotne energije, efikasno i u skladu sa zahtevima u širokom izlaznom opsegu.

[0028] Poželjno, takav uređaj prema ovom pronalasku za bezemisionu proizvodnju energije morao bi da čuva deo proizvedene energije, i u slučaju povećanog izlaznog zahteva, morao bi da ponovo oslobodi tu sačuvanu energiju kao hemijsku energiju i/ili električnu energiju i/ili mehaničku energiju i/ili toplotnu energiju.

[0029] Uređaj za bezemisionu proizvodnju energije poželjno bi trebalo da obezbedi iskorišćavanje širokog spektra čvrstih, tečnih i/ili gasovitih ugljeničnih materijala i mešavina za proizvodnju energije, naročito otpada, biomase, uglja i drugih heterogenih materijala.

[0030] Dalji zadatak ovog pronalaska je da se obezbedi uređaj za bezemisionu proizvodnju energije, koji je nezavisan od spoljašnjih uslova kao što su pritisak, temperatura, vlažnost ili drugi spoljašni parametri. Na primer, na relativno povišenim lokacijama, niži okolni pritisak ima štetne efekte na izlaznu snagu konvencionalnih postrojenja za proizvodnju energije.

[0031] Ovi i drugi zadaci postižu se postupcima i postrojenjima prema ovom pronalasku, kakvi su opisani u nezavisnim patentnim zahtevima. Dalji poželjni primeri izvođenja dati su u zavisnim patentnim zahtevima.

PRIKAZ OVOG PRONALASKA

[0032] U postupku prema ovom pronalasku za bezemisionu proizvodnju energije i/ili ugljovodonika i metanola iskorišćavanjem ugljeničnih materijala bez emisije ugljendioksida u atmosferu, u prvoj fazi postupka, ugljenični materijali dovode se i pirolizuju, pri čemu se obrazuju pirolizni koks i pirolizni gas. U drugoj fazi postupka, pirolizni koks iz prve faze postupka se gasifikuje, pri čemu se obrazuje sintezni gas, a troska i drugi ostaci se uklanjaju. U trećoj fazi postupka, sintezni gas iz druge faze postupka konvertuje se Fischer-Tropsch sintezom ili sintezom metanola u tečnoj fazi u ugljovodonike i/ili metanol, koji se uklanjaju. Te tri faze postupka obrazuju zatvoreni ciklus.

[0033] Pirolizni gas prve faze postupka sprovodi se u drugu fazu postupka. U drugoj fazi postupka kiseonik i, ako je poželjno, procesna para uduvavaju se u užareni sloj formiran od piroliznog koksa. Pirolizni gas se uduvava prostorno razdvojeno od tačke ulaska kiseonika u gasnu fazu iznad užarenog sloja, gde se višeatomski molekuli sadržani u piroliznom gasu krekuju i razgrađuju. Temperatura u drugoj fazi postupka je 850 °C ili viša, pri čemu pirolizni koks i pirolizni gas ostaju u drugoj fazi postupka najmanje 2 sekunde. Sintezni gas iz druge faze postupka sprovodi se u treću fazu postupka. Višak gasa iz treće faze postupka sprovodi se kao reciklujući gas u prvu fazu postupka.

[0034] U poželjnoj varijanti ovog postupka, vodonik se dovodi, poželjno u treću fazu postupka, i/ili ugljendioksid se dovodi, poželjno u prvu fazu postupka ili drugu fazu postupka.

[0035] Postupak se može izvesti pod pritiskom u sve tri faze postupka. Pirolizni gas iz prve faze postupka može se sprovesti u drugu fazu postupka i/ili u treću fazu postupka. Sintezni gas iz druge faze postupka sa druge strane može se sprovesti u treću fazu postupka i/ili u prvu fazu postupka.

[0036] Poželjno, tok gasa unutar ciklusa odvija se u definisanom pravcu. Tok gasa može na primer da teče unutar ciklusa iz prve faze postupka, preko druge faza postupka, u treću fazu postupka, i nazad u prvu fazu postupka, ili iz prve faze postupka, preko treće faze postupka, u drugu fazu postupka, i ponovo nazad u prvu fazu postupka.

[0037] Naročito pogodno je da postoji pad pritiska duž ciklusa. To omogućava da se tok gasa sprovede duž ciklusa bez dodatnog transportnog sistema, sa izuzetkom kompresora za proizvodnju tog pada pritiska.

[0038] Prva faza postupka za iskorišćavanje se može izvesti u jednom ili više reaktora pod pritiskom.

[0039] Toplotna energija za reakcije pirolize u prvoj fazi postupka može se obezbediti delimično ili potpuno vraćanjem dela vrelog sinteznog gasa iz druge faze postupka u prvu fazu postupka i/ili delimičnom oksidacijom ugljeničnog polaznog materijala i dobijenog piroliznog koksa.

[0040] Poželjno, prva faza postupka izvodi se na temperaturi između 300 i 800 °C, poželjno između 450 i 700 °C, a naročito poželjno između 500 i 600 °C.

[0041] Druga faza postupka za iskorišćavanje slično tome može biti izvedena u jednom ili više drugih reaktora pod pritiskom. Za reakciju gasifikacije u drugoj fazi postupka, kiseonik i/ili para i/ili ugljendioksid mogu se primeniti kao agens za gasifikaciju.

[0042] Pirolizni koks može biti gasifikovan potpuno ili samo delimično. U tom slučaju, neobrađen koks može biti ispušten zajedno sa dobijenom troskom.

[0043] Toplotna energija potrebna za reakciju gasifikacije u drugoj fazi postupka može biti dovedena delimično ili potpuno od spolja, na primer zagrevnim uređajem i/ili izmenjivačem toplote i/ili može biti proizvedena oksidacijom dela piroliznog koksa oksidacionim agensom, naročito kiseonikom.

[0044] Poželjno, druga faza postupka za iskorišćavanje prema ovom pronalasku izvodi se na temperaturi između 850 i 1600 °C, poželjno između 850 i 1400 °C, a naročito poželjno između 850 i 1000 °C.

[0045] Temperatura u drugoj fazi postupka prema ovom pronalasku je 850 °C ili viša, pri čemu pirolizni koks i pirolizni gasovi ostaju u drugoj fazi postupka najmanje 2 sekunde. Na ovaj način, ispunjavaju se odredbe koje se primenjuju u mnogim zemljama za obradu kontaminiranih materijala i otpada.

[0046] Poželjno, prva faza postupka i/ili druga faza postupka za iskorišćavanje prema ovom pronalasku izvodi se na pritisku između 1 i 60 bar, poželjno između 5 i 25 bar, a naročito poželjno između 10 i 15 bar.

[0047] U drugoj poželjnoj varijanti postupka za iskorišćavanje prema ovom pronalasku, prva faza postupka i druga faza postupka izvode u istom reaktoru pod pritiskom.

[0048] Treća faza postupka za iskorišćavanje poželjno se izvodi u jednom ili više reaktora pod pritiskom. Konverzija u trećoj fazi postupka odvija se primenom Fischer-Tropsch sinteze ili sintezom metanola u tečnoj fazi.

[0049] U naročito poželjnoj varijanti postupka prema ovom pronalasku, električna i/ili mehanička energija se proizvodi oksidacijom ugljovodonika i/ili metanola iz treće faze postupka, do oksidacionog gasa koji se suštinski sastoji od ugljendioksida i vode. Poželjno, čist kiseonik se primenjuje kao oksidacioni agens. Iz oksidacionih gasova, voda može biti kondenzovana i/ili izdvojena.

[0050] U poželjnoj varijanti postupka prema ovom pronalasku, najmanje deo oksidacionih gasova pogonskog uređaja ponovo se uvodi nazad u prvu fazu postupka i/ili drugu fazu postupka i/ili treću fazu postupka.

[0051] U naročito poželjnoj varijanti postupka prema ovom pronalasku, sintezni gas se hladi u izmenjivaču toplote, pri čemu se obrazuju pregrejana para i/ili drugi vreo gas, iz kojih se proizvodi električna i/ili mehanička energija primenom mašine na toplotnu energiju, poželjno parna turbina.

[0052] Uređaj prema ovom pronalasku za bezemisionu proizvodnju energije i/ili ugljovodonika i/ili metanola iskorišćavanjem ugljeničnih materijala bez emisije ugljendioksida u atmosferu, obuhvata postrojenje za iskorišćavanje koje sadrži jedinicu za iskorišćavanje sa prvom podjedinicom za izvođenje pirolize ugljeničnih materijala radi formiranja piroliznog koksa i piroliznog gasa; drugom podjedinicom za izvođenje gasifikacionog piroliznog koksa u užarenom sloju na temperaturi od 850 °C ili višoj radi formiranja sinteznog gasa i ostataka; i trećom podjedinicom za izvođenje konverzije sinteznog gasa Fischer-Tropsch sintezom ili sintezom metanola u tečnoj fazi u ugljovodonike i/ili metanol. Sve tri podjedinice jedinice za iskorišćavanje su gas-nepropusno zatvorene i obrazuju zatvoreni ciklus.

Transportni vod za pirolizni gas spaja prvu podjedinicu na pritisak-nepropusan način sa drugom podjedinicom, pri čemu mesto ulaska piroliznog gasa u drugu podjedinicu leži u gasnoj fazi iznad užarenog sloja formiranog od piroliznog koksa. U drugoj podjedinici, obezbeđena su sredstva za uduvavanje kiseonika i, ako je poželjno, procesne pare u užareni sloj formiran od piroliznog koksa, pri čemu je mesto ulaska piroliznog gasa prostorno razdvojeno od tačke ulaska kiseonika. Transportni vod za sintezni gas spaja drugu podjedinicu na pritisak-nepropusan način sa trećom podjedinicom.

Transportni vod za reciklujući gas spaja treću podjedinicu na pritisak-nepropusan način sa prvom podjedinicom.

[0053] Poželjno, najmanje jedan kompresor postavljen je duž najmanje jednog od pomenutih transportnih vodova.

[0054] Mogu se obezbediti sredstva koja izazivaju da tok gasa teče duž transportnih vodova u samo jednom definisanom smeru, poželjno iz prve podjedinice, preko druge podjedinice u treću podjedinicu, i nazad u prvu podjedinicu, ili iz prve podjedinice, preko treće podjedinice sa drugom podjedinicom, i nazad u prvu podjedinicu.

[0055] Svaka od podjedinica ima jedan ili više reaktora pod pritiskom. U poželjnoj varijanti, prva i/ili druga podjedinica obuhvataju zagrevne uređaje i/ili izmenjivače toplote.

[0056] Može biti obezbeđeno račvanje transportnog voda sinteznog gasa, čime se deo sinteznog gasa iz druge podjedinice može vratiti u prvi reaktor pod pritiskom.

[0057] U drugoj poželjnoj varijanti uređaja prema ovom pronalasku, prva podjedinica i druga podjedinica jedinice za iskorišćavanje obuhvataju zajednički reaktor pod pritiskom.

[0058] Treća podjedinica jedinice za iskorišćavanje obuhvata postrojenje za Fischer-Tropsch sintezu ili postrojenje za sintezu metanola u tečnoj fazi.

[0059] Naročito poželjno je postrojenje za iskorišćavanje koje može biti pogonjeno na takav način da postoji pad pritiska iz prve faze postupka, preko druge faza postupka do treće faze postupka. Na ovaj način, transport mase duž cikličnog toka gasa pogoni se razlikom u pritisku između različitih reaktora pod pritiskom. To predstavlja suštinsku prednost, jer to vodi ka postrojenju kojem je potrebno što manje pokretnih komponenti.

[0060] Naročita prednost ovog pronalaska je što je ovaj uređaj nezavisan od spoljašnih uslova kao što su pritisak, temperatura, vlažnost, ili svi ostali spoljašni parametri. Kako se u postrojenjima prema ovom pronalasku predmetni tok odvija na zatvoren način, postupak je suštinski nezavisan od okolnog pritiska.

[0061] Dalja suštinska prednost uređaja prema ovom pronalasku je da ovaj zatvoreni sistem ne zahteva obradu gasa. Dalja prednost je ta da obrazovanje i izdvajanje tečnih proizvoda iz sinteznih gasova u trećoj fazi postupka neizbežno vodi ka izdvajanju čestica.

[0062] Naročito poželjan primer izvođenja uređaja prema ovom pronalasku obuhvata energetsko postrojenje koje je postavljeno za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije i/ili toplotne energije, primenom ugljovodonika i/ili metanola iz postrojenje za iskorišćavanje kao goriva. Poželjno, pogonski uređaj za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije iz goriva obezbeđuje se u energetskom postrojenju, pri čemu pomenuti pogonski uređaj obuhvata energiju potrebnu za pogon iz oksidacije goriva do oksidacionog gasa koji se suštinski sastoji od ugljendioksida i vode, i obuhvata uređaj za komprimovanje i/ili kondenzovanje oksidacionog gasa.

[0063] Pogonski uređaj može biti konstruisan kao gorivna ćelija ili kao mašina na toplotnu energiju. U naročito poželjnoj varijanti, pogonski uređaj se može pogoniti čistim kiseonikom kao oksidacionim agensom.

[0064] U daljem primeru izvođenja uređaja prema ovom pronalasku, izmenjivač toplote obezbeđuje se za hlađenje struja oksidacionog gasa, pre i/ili posle uređaja za komprimovanje i/ili kondenzovanje oksidacionog gasa.

[0065] U još daljem primeru izvođenja uređaja prema ovom pronalasku, obezbeđuje se uređaj za kondenzovanje i/ili izdvajanje vode iz oksidacionog gasa. Njime se smanjuje, između ostalog, količina preostalog ostatka gasa.

[0066] Druga varijanta uređaja prema ovom pronalasku obuhvata spremnik za sakupljanje oksidacionog gasa, ili zaostalog gasa posle komprimovanja i/ili kondenzovanja oksidacionog gasa, respektivno.

[0067] Za reciklovanje oksidacionih gasova ili zaostalih gasova u jednog od sve tri faze postupka postrojenje za iskorišćavanje uređaja, može se obezbediti transportni vod.

[0068] U drugom poželjnom primeru izvođenja jednog od prethodno pomenutih postrojenja prema ovom pronalasku, pogonski uređaj energetskog postrojenja konstruisan je kao pogonska mašina za sagorevanje, sa najmanje jednom komorom za sagorevanje za sagorevanje tečnog ili gasovitog gorivog sa kiseonikom, sa sredstvima za konvertovanje nastalog pritiska gasa ili zapremine gasa u mehanički rad, sa uređajem za napajanje za uvođenje kiseonika u komoru za sagorevanje, i sa ventilacionim uređajem za uklanjanje oksidacionih gasova iz komore za sagorevanje.

[0069] U naročito poželjnoj varijanti uređaja za proizvodnju energije prema ovom pronalasku, pogonski uređaj energetskog postrojenja predviđen je sa uređajem za napajanje za uvođenje vode i/ili vodene pare u komoru za sagorevanje i/ili u struju oksidacionog gasa posle izlaska iz komore za sagorevanje. Pogonski uređaj može da obuhvata, na primer, turbinski uređaj koji se pogoni strujom oksidacionog gasa.

[0070] U daljoj poželjnoj varijanti uređaja prema ovom pronalasku, postrojenje za iskorišćavanje obuhvata energetsku jedinicu za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije, sa najmanje jednim pogonskim uređajem za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije iz pare i/ili drugih vrelih gasova koji su proizvedeni ili pregrejani u jedinici za iskorišćavanje postrojenja za iskorišćavanje.

[0071] U naročito poželjnoj varijanti, energetska jedinica postrojenja za iskorišćavanje obuhvata pogonski uređaj za proizvodnju električne i/ili mehanička energije iz pare ili drugih vrelih gasova koji su proizvedeni ili pregrejani u jedinici za iskorišćavanje. U ciklusu jedinice za iskorišćavanje najmanje jedan izmenjivač toplote obezbeđuje se za zagrevanje pare i/ili drugih gasova i/ili za proizvodnju pare.

[0072] Dalji naročito poželjan uređaj obuhvata postrojenje za proizvodnju vodonika i sredstva za obezbeđivanje vodonika u jedinicu za iskorišćavanje.

[0073] Ugljovodonici i drugi čvrsti, tečni i/ili gasoviti proizvodi koji su proizvodeni primenom postupka prema ovom pronalasku, ili primenom uređaja prema ovom pronalasku, respektivno, mogu se razlikovati od analognih naftnih derivata na primer odsustvom tipičnih sumpornih i fosfornih nečistoća. U slučaju proizvodnje sa frakcijama polaznog materijala koji je biomasa, takvi proizvodi imaju povišene C14-izotopne frakcije, u poređenju sa naftnim derivatima.

KRATAK OPIS CRTEŽA

[0074] U nastavku, uređaj prema ovom pronalasku biće opisan uz pozivanje na crteže. Na njima su prikazani samo primeri izvođenja prema ovom pronalasku.

1

FIG.1 šematski prikazuje uređaj prema ovom pronalasku za bezemisionu proizvodnju energije i/ili ugljovodonika i drugih proizvoda iskorišćavanjem ugljeničnih materijala.

FIG.2 šematski prikazuje primer izvođenja uređaja prema ovom pronalasku sa energetskim postrojenjem koje je prostorno razdvojeno od postrojenja za iskorišćavanje.

FIG.3 šematski prikazuje opšti primer izvođenja postrojenja za iskorišćavanje uređaja prema ovom pronalasku sa energetskom jedinicom osnovnog opterećenja.

FIG.3A šematski prikazuje moguću varijantu za energetsku jedinicu osnovnog opterećenja kakva je prikazana na FIG.3.

FIG.4 šematski prikazuje opšti primer izvođenja uređaja prema ovom pronalasku, sa postrojenjem za iskorišćavanje, i energetskim postrojenjem za proizvodnju pika energetskog opterećenja iz goriva proizvodenog u postrojenju za iskorišćavanje.

FIG.4A šematski prikazuje moguću varijantu za energetsko postrojenje za pik opterećenja kakvo je prikazano na FIG.4.

FIG.5 šematski prikazuje mogući primer izvođenja uređaja prema ovom pronalasku sa postrojenjem za iskorišćavanje sa energetskom jedinicom osnovnog opterećenja, i pikom opterećenja energetskog postrojenja.

FIG.6 šematski prikazuje uređaj prema ovom pronalasku koji obezbeđuje hemijsku energiju u obliku vodonika.

FIG.7 šematski prikazuje profil snage (a) konvencionalnog toplotnog postrojenja za proizvodnju energije, (b), (c) uređaj prema ovom pronalasku, i (d) profile pik opterećenja i osnovnog opterećenja uređaja prema ovom pronalasku.

FIG.8 do 10 šematski prikazuje različite moguće primere izvođenja postrojenja za iskorišćavanje za uređaj prema ovom pronalasku.

FIG.11 šematski prikazuje mogući primer izvođenja postrojenja za iskorišćavanje za uređaj prema ovom pronalasku.

FIG.12 šematski prikazuje mogući primer izvođenja postrojenja za iskorišćavanje za uređaj prema ovom pronalasku.

FIG.13 i 14 šematski prikazuje dva primera izvođenja pogonskog uređaja sa pik opterećenjem energetskog postrojenja, pri čemu je taj pogonski uređaj izveden kao pogonska mašina za sagorevanje.

FIG.15 šematski prikazuje pogonski uređaj sa pik opterećenjem energetskog postrojenja, pri čemu se taj pogonski uređaj izvodi kao kombinovana gasna/parna turbina.

NAČINI IZVOĐENJA OVOG PRONALASKA

[0075] Primeri koji su ovde obezbeđeni u nastavku, dati su radi poboljšanog prikazivanja ovog pronalaska, ali nisu namenjeni da ograniče ovaj pronalazak na osobine koje su ovde opisane.

Uređaj i postupak za proizvodnju električne i mehaničke energije

[0076] FIG.1 šematski prikazuje mogući primer izvođenja uređaja Z prema ovom pronalasku za bezemisionu proizvodnju energije i/ili ugljovodonika i metanola iskorišćavanjem ugljeničnih materijala, sa postrojenjem za iskorišćavanje A za toplotno-hemijsko iskorišćavanje ugljeničnih materijala M10 radi proizvodnje ugljovodonika i metanola M60 i/ili tečnih i/ili gasovitih goriva M61 (hemijska energija), kao i za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije E1.

[0077] Postrojenje za iskorišćavanje A obuhvata jedinicu za obezbeđivanje AH, u kojoj se neobrađeni ugljenični polazni materijal M10 koji treba da se iskorišćava, obrađuje u ugljenični polazni materijal M11. Zavisno od vrste polaznog materijala M10, mogu se pojaviti ostaci M17, koji se mogu dalje primeniti, npr. metali.

[0078] Pored obrađenih ugljeničnih polaznih materijala M11, drugi hemijski energetski izvori mogu se iskorišćavati, npr. metan ili drugi nus-proizvodi iz hemijske industrije ili naftne industrije, koji se ne mogu razumno iskoristiti na drugi način.

[0079] Centralni deo postrojenja za iskorišćavanje A je jedinica za iskorišćavanje AB, u kojoj se u prvu podjedinicu AC prve faze postupka P1 dovode obrađeni ugljenični materijali M11 i tu pirolizuju, pri čemu se obrazuju pirolizni koks M21 i pirolizni gas M22. U drugoj podjedinici AD druge faze postupka P2, pirolizni koks M21 iz prve faze postupka se gasifikuje, pri čemu se obrazuje sintezni gas M24, a troska i drugih ostaci M90 ostaju. U trećoj podjedinici AE treće faze postupka P3, sintezni gas M24 iz druge faze postupka konvertuje se u ugljovodonične čvrste, tečne i/ili gasovite proizvode M60, M61. Sve tri faze postupka su gas-nepropusno zatvorene, i obrazuju suštinski zatvoren ciklus.

[0080] Toplotna energija koja se javlja u postupku za iskorišćavanje prema ovom pronalasku može se sakupiti iz prve jedinica za iskorišćavanje AB u obliku pare M52, i može se primeniti u energetskoj jedinici AF za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije E1, pomoću odgovarajućeg pogonskog uređaja, na primer parna turbina (nije prikazano). Takođe je moguće i poželjno zagrevanje medijuma koji se može komprimovati, kao što je na primer azot, radi pogona pogonskog uređaja. Tokom stalnog rada jedinice za iskorišćavanje AB, na ovaj način može se proizvesti određena osnovna izlazna snaga. Energetska jedinica AF je opciona komponenta uređaja prema ovom pronalasku.

[0081] Ispusna jedinica AG primenjuju se za ispuštanje i obradu nakupljenog pepela i drugih čvrstih ostataka M90.

[0082] Uređaj prema ovom pronalasku dalje može da obuhvata energetsko postrojenje C za bezemisionu proizvodnju električne i/ili mehaničke energije E2, ili toplotne energije E4, iskorišćavanjem ugljeničnih proizvoda M61 iz postrojenja za iskorišćavanje A kao goriva. Dobijeni oksidacioni gasovi M27 sprovode se nazad u postrojenje za iskorišćavanje A, i tako ne dolazi do emisije.

[0083] Energetsko postrojenje C može biti konstruisano kao zagrevajuće postrojenje za proizvodnju toplotne energije E4 za zagrevanje građevina. Alternativno, energetsko postrojenje može biti konstruisano kao električno postrojenje za proizvodnju električne energije E2.

[0084] Između postrojenja za iskorišćavanje A i energetskog postrojenja C, poželjno se uvodi postrojenje B za transport i privremeni smeštaj goriva i oksidacionih gasova. Takvo postrojenje B takođe obuhvata sredstvo za obradu goriva M61 koje će se primeniti u energetskom postrojenju C.

[0085] Goriva koja sadrže ugljovodonike M61 proizvedena u fazi postupka sinteze P3 privremeno se skladište u kontejnere ili spremnike pod pritiskom postrojenja B (nije prikazano). Iz ovih spremnika, goriva M61 sakupljaju se ukoliko je potrebno, i konvertuju u energetskom postrojenju C u električnu i/ili mehaničku energiju E2, primenom odgovarajućeg pogonskog uređaja. Ovo se odvija na primer pomoću mašine na toplotnu energiju ili uređaja sa gorivnom ćelijom. Zaostali gas koji sadrži ugljendioksid M26 iz energetskog postrojenja C recirkuliše se nazad u jedinicu za iskorišćavanje AB. Ako je poželjno, može se obezbediti privremeni smeštaj.

[0086] Energetsko postrojenje C obezbeđuje prednost u tome što izlazna energija proizvodena uređajem Z prema ovom pronalasku može biti prilagođena za veoma kratko vreme trenutno potrebnim zahtevima. Hemijska goriva M61 u ovom slučaju služe kao privremeni energetski spremnik. Tokom pika potrošnje energije, na primer pogodno konstruisani pogonski uređaj, na primer gasna turbina i/ili parna turbina koja se pogoni se gorivima M61, može biti brzo stavljena u rad, i proizvesti električnu i/ili

1

mehaničku energiju. Izlazni pik uređaja Z može da premaši osnovni toplotni pik uređaja Z za kratko vreme, zahvaljujući kapacitetu energetskog spremnika za hemijska goriva M61.

[0087] Moguće je primeniti u energetskom postrojenju C dodatna goriva M14, pored goriva koja se obezbeđuju iskorišćavanjem postrojenja A.

[0088] Energetsko postrojenje C može biti postavljeno zajedno sa postrojenjem za iskorišćavanje A na istom mestu. Alternativno, takođe je moguće, kako je prikazano na FIG.2, da se u uređaju Z prema ovom pronalasku energetsko postrojenje C postavi prostorno razdvojeno od postrojenje za iskorišćavanje A. Goriva M61 i oksidacioni gasovi M27 mogu biti transportovana na primer prugom, brodom, ili cevovodom, pri čemu u tom slučaju transportni uređaj (cisterna, kontejner na brodu, cevovod) u isto vreme dejstvuje i kao privremeni smeštaj BA, BB. Ukupan sistem za transport materijala između postrojenja A i C u ovom slučaju se posmatra kao deo postrojenja B za transport i privremeni smeštaj goriva i oksidacionih gasova.

[0089] Kako je transport hemijske energije u obliku goriva M61 na većim rastojanjima suštinski efikasnije od prenosa električne energije, mesto pika opterećenja energetskog postrojenja C uređaja Z prema ovom pronalasku može se odabrati da je tamo gde dolazi do odgovarajućeg zahteva, dok je poželjno konstruisano postrojenje za iskorišćavanje A u kojem se javljaju ugljenični polazni materijali M10.

[0090] Uređaj prema ovom pronalasku može dalje da obuhvata postrojenje D za proizvodnju i obezbeđivanje spoljašne hemijske energije. Na primer, vodonik M32 može biti proizvoden i doveden kao izvor spoljašne hemijske energije. Takav mogući primer izvođenja uređaja Z prema ovom pronalasku biće obrađen detaljnije u opisu FIG.6.

[0091] Mogući primer izvođenja postrojenja za iskorišćavanje A uređaja Z prema ovom pronalasku šematski je prikazan na FIG.3. Prikazano postrojenje A obuhvata jedinicu za iskorišćavanje AB za iskorišćavanje ugljeničnih polaznih materijala M11, i energetsku jedinicu AF za proizvodnju suštinski konstantne osnovne količine E1 električne i/ili mehaničke energije.

[0092] Konstrukcija jedinice za iskorišćavanje AB odgovara suštinski primernoj jedinici za iskorišćavanje koja će kasnije biti opisana uz pozivanje na FIG.9. Energetska jedinica osnovnog opterećenja AF prikazana je samo kao blok dijagram. Mogući primer izvođenja biće opisan u FIG.3A.

[0093] U izmenjivaču toplote/pregrejaču A44, u kojem se u isto vreme vreo sintezni gas M24 iz druge faze postupka P2 hladi na temperaturu za treću fazu postupka sinteze P3, proizvodi se pregrejana para M52 (približno 550–600 °C/50 bar) iz hladne pare M51. Ako je potrebno, naknadni izmenjivač toplote može dalje da ohladi tok sinteznog gasa. Pregrejana para M52 uvodi se u energetsku jedinicu AF, gde se iskorišćava za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije E1. Preostali kondenzat pare M41 sprovodi se nazad u jedinicu za iskorišćavanje AB, gde se konvertuje u trećoj fazi postupka P3 u paru M51, a ova para M51 naknadno se konvertuje ponovo u izmenjivaču toplote/pregrejaču A44 u pregrejanu paru M52.

[0094] Primer izvođenja energetske jedinice AF sa FIG.3A obuhvata pogonski uređaj A61 u obliku parne turbine A62, ili drugi mašine na toplotnu energiju za proizvodnju mehaničke energije, koja se može pogoniti pregrejanom parom M52, i u datim primerima generatorski uređaj A64, koji proizvodi električnu energiju E1. posle proširenja u parnu turbinu A62, izduvna para M53 se kondenzuje u kondenzatoru/ekonomizatoru A63, pri čemu se otpadna toplota ispušta putem odgovarajuće konstruisanog rashladnog ciklusa A65.

[0095] Dobijeni kondenzat M41 poželjno je na temperaturi od 60–70 °C, i tako voda u naknadnoj fazi bojlera A32 postrojenja za iskorišćavanje AB ne mora da se zagreva u velikoj meri. U isto vreme, voda ne bi trebalo da je previše vrela, kako bi se sprečila kavitacija u pumpi A66. Kondenzat M41 je transportovan pumpom A66 iz privremenog smeštaja (nije prikazano) u izmenjivač toplote/bojler A32 faze postupka P3, u kojem se zauzvrat uparava u paru M51 (približno 250–300 °C/20 bar), uz jednovremeno hlađenje faze sinteze P3. Ta para M51 smešta se u parnu kupolu (koja nije prikazana), kako bi se pre svega izdvojila od ostatka vode pre ulaska u pregrejač A44, a drugo, radi formiranja spremnika iz kojeg se procesna para M50 može dobiti za razne svrhe u jedinici za iskorišćavanje AB. Gubici u ciklusu i potrošnji obrade pare M50 nadoknađuju se novim obezbeđivanjem vode u spremnik kondenzata (nije prikazan).

[0096] U alternativnoj varijanti, u parnoj turbini A62, posle faze pod visokim pritiskom, nešto pare može biti ekstrahovano kao procesna para M50, što je prikazano na FIG.3A kao isprekidana strelica. Na ovaj način, veća količina pare M52 može se iskoristiti za proizvodnju energije, a samo posle obezbeđivanja potrebne procesne pare.

[0097] Izduvna para iz potrošača procesne pare kao što je na primer izmenjivač toplote A45, A17 na sličan način može biti kondenzovana M41 i recirkulisana do dovedene vode M40, dobijene u energestkom ciklusu koji je zatvoren koliko god je to moguće.

[0098] Umesto pogona energetske jedinice AF vrelom parom, takođe je moguće zagrejati medijum koji se može komprimovati, u izmenjivaču toplote A32, A44 jedinice za iskorišćavanje, kao što je na primer azot, radi naknadne primene ovog vrelog gasa radi pogona mašine na toplotnu energiju energetske jedinice AF. Upotreba inertnog gasa umesto agresivnije vrele pare između ostalog prednjači u tome što su oštećenja zbog korizije smanjena.

[0099] Shodno tome, u postrojenju za iskorišćavanje A, parni ciklusi se takođe mogu sprovesti na različit način putem raznih izmenjivača toplote, kako bi se postigla efikasnost postrojenja A koliko god je to moguće.

[0100] U uređaju prema ovom pronalasku samo sa energetskom jedinicom osnovnog opterećenja AF, kakva je opisana na primer na FIG.3, proizvodi obrazovani u fazi sinteze P3 mogu se primeniti kao gorivo

1

M61 za konvencionalno energetsko postrojenje C koje se može pogoniti primenom fosilnih goriva, na primer dizel generatorima ili gas-turbinskim generatorima, koji se mogu primeniti za pokrivanje pikova opterećenja. Hemijska goriva M61 u tom slučaju služe da se za kratko vreme postignu veoma visoki proizvodni izlazi, nezavisno od osnovnog sistema AB, AF koji se pokreće u ravnotežnom stanju. Tako, u okviru veoma kratkog vremenskog perioda, ukupna izlazna snaga uređaja Z prema ovom pronalasku od na primer 100% konstantnog osnovnog opterećenja proizvodnje Pc2može se povećati do na primer 600% pik opterećenja proizvodnje Pe2.

[0101] Alternativno, proizvodi M60 takođe se mogu primeniti na druge načine, na primer za proizvodnju goriva, ili kao reaktanti za hemijsku industriju.

[0102] Takav uređaj prema ovom pronalasku ima, u poređenju sa konvencionalnim postrojenjima, između ostalog, prednost u tome što zahvaljujući zatvorenom toku materijala unutar trofaznog postupka, filteri dimnih gasova i katalizatorski uređaji za prečišćavanje izduvnih gasova sagorevanja mogu se ispustiti jedinicom za iskorišćavanje AB. To vodi ka smanjenju broja komponenti takvog postrojenja, i na taj način nižih investicionih troškova i troškova rada.

[0103] Pored toga, takva jedinica za iskorišćavanje takođe ne zahteva veliki prostor, budući da nisu potrebni sistemi filtera, skladišta, itd., a zapremine toka materijala su niže zahvaljujući visokom pritisku.

[0104] U naročito poželjnom primeru izvođenja uređaja Z prema ovom pronalasku, kakav je opisan šematski na FIG.4, obezbeđeno je energetsko postrojenje C za pokrivanje pikova opterećenja E2, koje se može pogoniti gorivom M61 iz postrojenja za iskorišćavanje A. Energetsko postrojenje C konstruisano je na takav način da se ugljendioksid koji se akumulira tokom proizvodnje energije sprovodi nazad u ciklus postrojenja za iskorišćavanje A, i tako ne dolazi do emisija.

[0105] Goriva M61 poželjno se dobijaju iz privremenog smeštaja BA transportnog/skladišnog postrojenja B, na primer sistem kontejnera ili spremnik pod pritiskom, kako bi se premostili zahtevani pikovi. Zaostali gasovi koji se javljaju, a koji sadrže ugljendioksid M26 iz energetskog postrojenja B takođe se mogu sakupiti i smestiti u privremeni smeštaj BB.

[0106] Mogući primer izvođenja energetskog postrojenja C prikazan je na FIG.4A. Pogonski uređaj C11 proizvodi električnu i/ili mehaničku energiju E2 pomoću hemijskih energetskih izvora M61 iz faze sinteze P3 jedinice za iskorišćavanje AB. Pomenuti pogonski uređaj C11 može biti na primer mašina na toplotnu energiju, u kojoj se toplota koja se javlja tokom oksidacije goriva M61 u ugljendioksid, konvertuje u mehanički rad, na primer za pogon generatorskog postrojenja (nije prikazano), ili postrojenja gorivne ćelije, u kojem se reakcija oksidacije primenjuje direktno za proizvodnju električne snage E2.

[0107] Takav pogonski uređaj C11 obuhvata zatvoreni ciklus, koji ne izaziva emisije u atmosferu.

Oksidacioni gasovi M27 koji se javljaju tokom izvođenja mehaničkog rada, koji sadrže suštinski samo ugljendioksid i, ako je potrebno, vodu, naknadno se obrađuju C12, komprimuju C13, a preostali zaostali gas M26 ponovo se vraća u ciklus postrojenja za iskorišćavanje AB.

1

[0108] Ako su postrojenje za iskorišćavanje A i energetsko postrojenje za pik opterećenja C smešteni na istom mestu, zaostali gas M26 može se direktno vratiti nazad. U poželjnoj varijanti, obezbeđuje se privremeni smeštaj BB, kako je prikazano na FIG.4. Kako je već opisano, energetsko postrojenje C uređaja Z prema ovom pronalasku može se postaviti odvojeno od postrojenja za iskorišćavanje A.

[0109] Reakcija oksidacije koja priozvodi toplotnu ili električnu energiju odvija se u pogonskom uređaju C11 primenom čistog kiseonika M31 umesto vazduha. Primena kiseonika M31 umesto vazduha izbegava, prvenstveno zahvaljujući odsustvu atmosferskog azota u toplotno hemijskoj reakciji na visokim temperaturama, obrazovanje oksida azota, međutim, suštinski samo ugljendioksid i vodena para ostaju u formiranim oksidacionim gasovima M27. Zavisno od stehiometrije reakcije, gasovi koji se javljaju takođe mogu da sadrže određene frakcije ugljenmonoksida i neragovanog goriva. Oni se na sličan način mogu uvesti bez problema u ciklus postrojenja za iskorišćavanje A.

[0110] Proizvodi reakcije M27 egzotermne reakcije oksidacije, suštinski su gasoviti. Odgovarajuća mešavina oksidacionih gasova zatim se komprimuje C13 kako bi smanjila njena zapremina. Primenom izmenjivača toplote C12, mešavina oksidacionih gasova M27 može se ohladiti pre i/ili posle komprimovanja. Voda M41 se kondenzuje i izdvaja, pri čemu samo ugljendioksid ostaje u zaostalom gasu M26, i opciono frakcije ugljenmonoksida i nereagovanog goriva. Zaostali gas M26 zatim se uvodi u prvu fazu postupka P1 jedinice za iskorišćavanje AB postrojenja A, i tako se dobija zatvoren ciklus materijala. Alternativno, zaostali gas M26 se takođe može uvesti u drugu fazu postupka P2, ili treću fazu postupka P3, koja je prikazana na FIG.4 isprekidanim sterlicama.

[0111] Na taj način, moguće je da se u uređaju Z prema ovom pronalasku, tečni ili gasoviti ugljovodonici i derivati ugljovodonika proizvedu iz ugljeničnih materijala M11, a dobijena mešavina goriva visokog stepena M61 naknadno se konvertuje u električnu energiju E2. Proizvedeni ugljendioksid ponovo se vraća i delimično ili potpuno konvertuje nazad u gorivo M61 u postrojenju za iskorišćavanje A. Na ovaj način, može se umanjiti u velikoj meri ili čak u potpunosti izbeći efektivna emisija pik opterećenja ugljendioksida postrojenja C.

[0112] Pogonski uređaj se takođe može lako primeniti u kombinovanom radu sa vodonikom M32 kao daljim gorivom. U tom slučaju, frakcija vodonika vodi ka smanjenu količine zaostalog gasa M26 koji se javlja posle izmenjivača toplote/kondenzatora i kompresora, budući da oksidaciji vodonika kiseonikom dovodi samo do vode.

[0113] Dalji mogući primeri izvođenja pogodnih pogonskih uređaja za energetsko postrojenje biće opisani u nastavku uz pozivanje na FIG.13 do 15.

[0114] Drugi poželjan primer izvođenja uređaja Z prema ovom pronalasku prikazan je na FIG.5. On obuhvata, pored jedinice za iskorišćavanje AB, i energetsku jedinicu osnovnog opterećenja AF, i energetsko postrojenje za pik opterećenja C.

1

[0115] U daljoj poželjnoj varijanti postupka za iskorišćavanje prema ovom pronalasku, hemijska energija uvodi se u postupak u obliku molekulskog vodonika u relativno velikim količinama. Takav primer izvođenja uređaja Z prema ovom pronalasku prikazan je, na primer, šematski na FIG.6(a). Postrojenje za iskorišćavanje A prima materijal u obliku ugljeničnih polaznih materijala M10 kako je već prethodno opisano. Ugljendioksid M33 je na sličan način pogodan kao ugljenični izvor. Primarni energetski izvor koji se primenjuje u prikazanom primeru izvođenja uglavnom je hemijska energija molekulskog vodonika M32. Sa jedne strane vodonik služi za redukciju polaznog materijala, a sa druge, oksidacija kiseonikom vodi ka obezbeđivanju toplotne energije.

[0116] Molekulski vodonik M32 može se proizvesti iz vode elektrolizom, pri čemu se molekulski kiseonik M31 takođe akumulira. Električna energija E3 može se konvertovati na ovaj način u hemijsku energiju. Gasoviti molekulski vodonik, međutim, ima značajno nižu energetsku gustinu u poređenju sa tečnim gorivima, ali takođe i u poređenju sa gasovitim ugljovodonicima, zbog čega ga još uvek nije moguće etablirati za upotrebu kao pogonskog goriva za vozila.

[0117] U postupku za iskorišćavanje prema ovom pronalasku, hemijska energija vodonika može se konvertovati efikasno u hemijsku energiju u obliku ugljovodonika visoke vrednosti i drugih proizvoda. Poželjno, kiseonik M31 koji se javlja tokom elektrolize takođe se primenjuje da bi se u postupak uvela sva proizvedena hemijska energija, odn. maksimalna električna energija skrivena u elektrolizi.

[0118] U prikazanom primeru, postrojenje D obezbeđuje molekulski vodonik M32 i kiseonik M31.

Električna energija E3 za reakciju elektrolize potiče poželjno iz obnovljivih energetskih izvora (snaga vetra, solarna energija, snaga vode itd.). To ima veliku prednost u tome što se mogu prevazići neizbežni nedostaci postrojenja energije vetra DA i solarnih energetskih postrojenja DB, i to ciklički, a zbog zavisnosti od spoljašnih faktora nije uvek zagarantovana proizvodnja energije. To dovodi do odgovarajuće niskih tržišnih cena za proizvedenu električnu energiju. Sa druge strane, konverzijom u hemijsku energiju (molekulski vodonik M32 i kiseonik M31), proizvedena izlazna energija može se privremeno uskladištiti. Vodonik, i ako je potrbno kiseonik, zatim se iskorišćava u postupku prema ovom pronalasku, kako bi se proizvela na primer tečna goriva kojima se lakše upravlja, a koja imaju veću energetsku gustinu, ili drugi proizvodi visoke vrednosti.

[0119] Proizvedena energija energetskih jedinica DA, DB postrojenja D transportovana je u obliku električne struje E3 u jedinici za elektrolizu DC, koja je smeštena na mestu postrojenje za iskorišćavanje A, i u kojem se vodonik M32 i kiseonik M31 zatim proizvode lokalno. Deo kiseonika je nepotreban i može se iskoristiti na druge načine, na primer u energetskom postrojenju C uređaja Z prema ovom pronalasku. Privremeni smeštaji DE, DF, na primer u obliku rezervoara pod pritiskom, služe kao tamponi kao nadoknada fluktuirajuće proizvodnje energije proizvodnih energetskih jedinica DA, DB.

[0120] Kako je već prethodno objašnjeno, postrojenje za iskorišćavanje A proizvodi ugljovodonike visoke vrednosti i druge proizvode sinteze M60, i, kao što je to u ovom slučaju, energiju E1. Ostaci M90 stalno

1

se uklanjaju iz sistema. Slično tome, voda se na lak način može ukloniti iz sistema, na primer kondenzovanjem M41. U prikazanom primeru izvođenja, voda uglavnom služi kao oksidacioni agens i agens za gasifikaciju, ukoliko kiseonik nije dostupan. Međutim, voda M41 koja se uklanja iz sistema takođe služi kao prihvatnik za kiseonik. Ovo je uglavnom značajno kada sistem troši velike količine ugljendioksida M33 kao ugljenični izvor.

[0121] U kombinaciji kakva je prikazana na FIG.6(a), postupak za iskorišćavanje prema ovom pronalasku takođe može da proizvede ugljovodonične proizvode visoke vrednosti i bogate energijom M60 iz uporednih ugljeničnih izvora niske energije. U izuzetnim slučajevima, postupak može zapravo biti izveden isključivo primenom čistog ugljendioksida kao ugljeničnog izvora. Kako dovedena električna energija potiče direktno ili indirektno (snaga vetra, snaga vode) od sunca, to za rezultat ima — sa fundamentalnog stanovišta gledanja — veštačku fotosintezu, naročito ona koja priozvodi ugljenična jedinjenja iz ugljendioksida, vode i sunčeve svetlosti.

[0122] Kombinacija postrojenje za iskorišćavanje A sa energetskim postrojenjem C nije obavezna.

[0123] U slučaju da je lokacija obnovljivih energija previše udaljena, može biti efikasnije da se transportuje lokalno proizveden vodonik M32 do postrojenja za iskorišćavanje, umesto električne struje. Takva varijanta prikazana je na primer na FIG.6(b). Energija E3 se proizvodi u energetskim jedinicama DA, DB koje su udaljenije, iz kojih se zatim proizvodi molekulski vodonik M32 u jedinici za elektrolizu DC. Ovaj molekulski vodonik smešta se u privremeni smeštaj DE, i dovodi u odgovarajućem transportnom sredstvu DG do postrojenja za iskorišćavanje A. Vodonik proizvoden kao nus-proizvod u hemijskoj industriji može da služi kao dalji izvor molekulskog vodonika M32.

[0124] Razlika u spektru snage uređaja Z prema ovom pronalasku u poređenju sa konvencionalnom energanom koja radi sa ugljeničnim gorivima, objašnjena je detaljnije na FIG.7(a) do (d).

[0125] FIG.7(a) šematski prikazuje profil snage konvencionalne toplotne energane. Vertikalna osa prikazuje snagu P, a horizontalna osa vreme t. Energana ima dodati toplotni sadržaj Pa, to jest toplotnu energiju ili snagu sadržanu u gorivu kao hemijsku energiju, i efektivnu toplotnu snagu Pb, to jest toplotnu energiju koja se efektivno može konvertovati u električnu ili mehaničku energija po jedinici vremena. Potražnja za električnom snagom Peu konvencionalnoj električnoj mreži varira ne samo tokom dana već tokom nedelje. Kako bi se energanom omogućilo pokrivanje ne samo pikova opterećenja, već i osnovnog opterećenja Pc, čitav nominalni izlaz takvog postrojenja za proizvodnju energije mora biti usmeren ka piku opterećenja. To znači da je zbog potrebnog pik izvođenja, dimenzionisanje postrojenja veće nego što bi zapravo bilo potrebno na osnovu ukupne prosečne snage.

[0126] Sa druge strane, ovo nije potrebno u uređaju za proizvodnju energije prema ovom pronalasku. Takav uređaj Z, kakav je prikazan na primer na FIG.1, konvertuje u postrojenju za iskorišćavanje A konstantan deo hemijske energije dovedene u obliku ugljeničnih materijala M10, M11 u toplotnu energiju u obliku pare, koja se zatim konvertuje, na primer primenom energetske jedinice, parne turbine

1

osnovnog opterećenja AF u električnu energiju Pf. Dalja frakcija hemijske energije dovedene u obliku ugljeničnih materijala M10, M11 konvertuje se u fazi sinteze P3 jedinice za iskorišćavanje AB uz konstantnu proizvodnju snage Pgu hemijsku energiju u obliku ugljeničnih goriva M61 visoke vrednosti, na primer proizvoda nalik dizelu ili gasovitih proizvoda kao što je propan. Ova goriva mogu biti uskladištiti u BA u bilo kojoj poželjnoj količini i/ili, kako je prikazano na FIG.2, transportovana na kraća ili duža rastojanja.

[0127] FIG.7(d) šematski prikazuje profil ukupne snaga Peuređaja prema ovom pronalasku tokom nedelje. Tokom potražnje pik opterećenja radnih dana, energetsko postrojenje za pik opterećenja C proizvodi električnu energiju iz hemijskog goriva M61, koja se može zatim uvesti po odgovarajućoj visokoj ceni u električnu mrežu. Potražnja za hemijska goriva M61 prevazilazi u ovom slučaju proizvodnu snagu Pgpostrojenja za iskorišćavanje A, što je obeleženo sa (-). Ova iznadprosečna potrošnja preuzima se iz spremnika goriva BA. Tokom noći i tokom vikenda potražnja je značajno snižena, i proizvodna snaga Pgprevazilazi potražnju Pe, što je označeno sa (+). Kao posledica, spremnik goriva BA ponovo je dopunjen.

[0128] Tokom perioda osnovnog opterećenja, energetsko postrojenje C može se svesti na minimalan nivo snage, kako je prikazano na FIG.7(d), ili se energetsko postrojenje C potpuno isključuje, i tako se osnovno opterećenje Pcpotpuno pokriva energetskom jedinicom osnovnog opterećenja AF.

[0129] Prema tome, uređaj prema ovom pronalasku suštinski poseduje prednost u tome što se deo Pfkonstantne efektivne snaga Pdjavlja u obliku toplotne snage, što se u konvencionalnoj energani mora odmah konvertovati u električnu i/ili mehaničku energiju. Taj deo Pfmože se primeniti za dostavu snage za osnovno opterećenje Pc. Drugi deo Pgefektivne snage Pd, sa druge strane, privremeno se smešta u obliku goriva M61 u spremnik BA. Potražnja (Pe- Pf) koja prevazilazi toplotnu snagu energetske jedinice osnovnog opterećenja AF može se pokriti pikom opterećenja energetskog postrojenja C iz spremnika goriva BA. To omogućava uređaj prema ovom pronalasku koji je konstruisan na takav način da efektivna snaga Pdsastavljena od toplotne snage Pfosnovnog opterećenja energetske jedinice AF i proizvodna snaga faze sinteze P3 jedinice za iskorišćavanje AB odgovaraju srednjoj prosečnoj potražnji kako je prikazano na FIG.7(b). Kao rezultat, u uređaju prema ovom pronalasku sa istom efektivnom toplotnom snagom Pdkao toplotna snaga Pbkonvencionalnog postrojenja za proizvodnju energije, postižu se uporedno veća snaga osnovnog opterećenja Pc1i veća snaga pika opterećenja, pri čemu za kratko vreme pik snage može značajno da premaši efektivnu toplotnu snagu Pd.

[0130] Obrnuto razmatrano, uređaj Z prema ovom pronalasku, kako bi mogao da pokrije definisan profil potražnje, može biti konstruisan sa značajno manjom instalisanom toplotnom snagom, na primer sa 75% ili 50% toplotne snage uporedive konvencionalne energane. To vodi ka značajno nižim kapitalnim troškovima.

2

[0131] Uređaj prema ovom pronalasku može biti konstruisan i optimizovan na takav način da snaga Pfproizvedena direktno iz toplotne energije bude smanjena u korist snage Pgproizvedene iz goriva M61. Takva varijanta prikazana je na FIG.7(c). Takav uređaj prema ovom pronalasku može da, dok pokriva smanjeno osnovno opterećenje Pc2, skladišti značajno višu količinu energije. To odgovarajuće skladište energije može da konačno bude iskorišćen za proizvodnju pik opterećenja snaga Pe2, koja može tada biti prodata po višoj ceni.

[0132] Zavisno od okolnosti, moguće je optimizovati uređaj prema ovom pronalasku u pogledu fleksibilne proizvodnja za pik energetskog opterećenja do mere da snaga osnovnog opterećenja energije AF bude minimalna, i opciono može samo biti dovoljna da pokriva internu energetsku potražnja uređaja.

Postupci za iskorišćavanje i postrojenja za iskorišćavanje

[0133] Prva moguća varijanta konfiguracije postrojenja A za toplotno-hemijsko iskorišćavanje ugljeničnih čvrstih materijala primenom postupka prema ovom pronalasku, i uređaja prema ovom pronalasku, respektivno, je šematski prikazana na FIG.8. Postrojenje za iskorišćavanje A uređaja Z prema ovom pronalasku obuhvata jedinicu za iskorišćavanje AB sa tri podjedinice AC, AD, AE za izvođenje te tri faze postupka P1, P2, P3 postupka prema ovom pronalasku, koj su povezane da obrazuju zatvoreni ciklus na takav način da omogućavaju zatvoren, ciklični tok gasa. Od jedinice za obradu AH, prikazan je samo silos A91 za smeštaj pripremljenog ugljeničnog materijala M11 za ovaj postupak. Od ispusne jedinice AG, sa druge strane, prikazano je samo skladište troske A92. Postrojenje za iskorišćavanje A može da ili ne obuhvata energetsku jedinicu (nije prikazano). To nije relevantno za funkcionalnost postupka za iskorišćavanje.

[0134] Te tri podjedinice AC, AD, AE jedinice za iskorišćavanje AB povezane su u zatvoren ciklus na takav način da omogućavaju zatvoren, ciklični tok gasa. U prvoj fazi postupka P1 (faza pirolize), i u prvoj podjedinici AC, respektivno, ugljenični polazni materijal M11 pirolizuje se pod pritiskom, čime se obrazuje pirolizni koks M21 i pirolizni gasovi M22. U drugoj fazi postupka P2 (faza gasifikacije), i drugoj podjedinici AD, respektivno, pirolizni koks M21 se gasifikuje radi formiranja sinteznog gasa M24, koji konačno reaguje u trećoj fazi postupka P3 (faza sinteze), i u trećoj podjedinici AE, respektivno, radi formiranja ugljovodonika i/ili čvrstih, tečnih ili gasovitih proizvoda M60.

[0135] Ugljenični polazni materijali M11 koji se obrađuju, uvode se u ciklus neprekidno iz uređaja za obezbeđivanje AH, P6 preko prve faze postupka P1. Jednovremeno, proizvodi M60, M61 proizvedeni iz sinteznog gasa M24 neprekidno se odstranjuju iz treće faze postupka P3. Razni ostaci M91, M92, M93 neprekidno se uklanjaju iz ciklusa.

[0136] Veći broj ugljeničnih materijala može se primeniti kao polazni materijal M11 za postupak za iskorišćavanje prema ovom pronalasku, naročito otpad, biomasa, ugalj, ili drugi heterogeni materijali kao što je na primer kontaminirano zemljište, ali i prethodno nataložen otpad, na primer sa deponija. To omogućava ekološki prihvatljivo i ekonomočno uklanjanje otvorenih deponija. Takođe, čvrsti i tečni materijali koji sadrže naftu i koji su komplikovani za iskorišćavanje, kao što su uljni škriljci, naftni pesak ili naftni mulj, mogu se iskoristiti u postupku prema ovom pronalasku. Gasoviti ugljenični nus-proizvodi hemijske industrije ili naftne industrije, koji se na drugi način ne bi mogli iskoristiti, a možda bi čak morali i da se spaljuju, takođe se mogu primeniti kao aditivi M12.

[0137] Kalorična vrednost polaznih materijala, sadržaj ugljenika, sadržaj vode, i sadržaj ostataka nesagorivih elemenata kao što je metal, staklo i keramika, mogu da variraju u velikoj meri. Iz tog razloga, polazni materijal može biti usitnjen do veličine komada koja odgovara određenom postrojenju za iskorišćavanje, pri čemu ta poželjna veličina komada dolazi od konzistencije materijala i specifične konstrukcije prvog reaktora pod pritiskom, i unutrašnjeg sistema za transport u reaktor, respektivno. Za obradu koja primenjuje pomičnu rešetku, na primer, veoma su pogodni komadi veličin od približno 5– 10 cm.

[0138] Prva faza postupka P1, AC u prikazanom primeru obuhvata prvi reaktor pod pritiskom A13, u kojem se pod pritiskom odvija piroliza ugljeničnog polaznog materijala M11. Polazni materijal M11 sprovodi se u reaktor za pirolizu A13 koji je pod pritiskom putem odgovarajuće brane pritiska A11. U prikazanom primeru izvođenja, reaktor za pirolizu A13 sastoji se od horizontalnog pritisnog tela A14 u kojem se horizontalni transport grudvičastog materijala odvija duž reaktora tokom pirolize preko šematski prikazane pomične rešetke A15, sa pomicanjem rešetkastih ploča napred i nazad. Takođe je primenljiv bilo koji drugi transportni uređaj pogodan za neprekidno napredovanje polaznog materijala koji se obrađuje, na primer valjkaste rešetke, lančani transporteri, pužni transporter, itd. Takođe se može primeniti i rotaciona peć.

[0139] U reaktoru za pirolizu A13 materijal se transportuje neprekidno kroz reaktor pod pritiskom A13 na temperaturi od približno 300–800 °C i pritisku od 1–60 bar i za to vreme se pirolizuje u odsustvu kiseonika. Temperatura se između ostalog bira na takav način da pored održavanja reakcije pirolize, održava se i poželjan radni pritisak, pre svega, zahvaljujući širenju gasova zbog temperature, i drugo zahvaljujući novoj proizvodnji piroliznih gasova. Minimalna temperatura 450 °C obezbeđuje neprekidnu reakciju jedinjenja slobodnog kiseonika tokom pirolize. Radna temperatura od 500–600 °C i radni pritisak od između 5 i 25 bar naročito su pogodni.

[0140] Toplotna energija potrebna za reakcije pirolize potiče prvenstveno iz vrelog povratnog toka gasa M24b iz drugog reaktora A21, koji će biti opisan kasnije u nastavku. Pored toga, procesna para M50 služi za održavanje radne temperature prvog reaktora. Može se preduzeti obezbeđivanje spoljašnjeg zagrevanja kao što je, na primer, izmenjivač toplote ili spoljašni grejač. Poslednji je takođe poželjan tokom startovanja postrojenje za iskorišćavanje A iz hladnog stanja.

[0141] Reciklujući gas M25 iz treće faze postupka (faza sinteze) P3 uvodi se u prvi reaktor pod pritiskom A13 posle provođenja kroz kompresor A42. Reciklujući gas M25 uglavnom sadrži ugljendioksid, a takođe i vodenu paru, i ugljenmonoksid i vodonik koji su reagovani u fazi sinteze, a takođe i preostale sadržaje ugljovodonika niske molekulske mase. Kako bi se omogućilo kontrolisanje postupka, dodatni ugljenik sa visokom kaloričnom vrednošću može se uvesti u reaktor A13, na primer u obliku uglja ili mazuta. Ovi aditivi M12 mogu se dodati već pored polaznih materijala M11, ili se mogu uvesti odvojeno u reaktor A13. Mešanje viskoznih aditiva M12 sa čvrstim polaznim materijalom M11 olakšava transport viskoznog materijala unutar reaktora. Tečni aditivi M12 pored toga povećavaju količinu piroliznog gasa, a samim tim i radni pritisak.

[0142] U pirolizi u prvoj fazi postupka P1, obrazuje se pirolizni koks M21, koji se suštinski sastoji od čvrstog ugljenika i neorganskih ostataka. Pirolizni koks M21 ispušta se na kraju reaktora pod pritiskom A13. Pirolizni gasovi M22 koji se obrazuju tokom pirolize ne samo da sadrže gasovite materijale, već i materijale koji su čvrsti i tečni na sobnoj temperaturi. Sastav piroliznih gasova M22 prirodno zavisi u velikoj meri od polaznih materijala i može takođe da sadrži zagađivače.

[0143] Pirolizni koks M21 transportuje se pod pritiskom u reaktor pod pritiskom A21 iz druge faze postupka P2. Na primer, ovde je ponovo pogodan zatvoreni pužni transporter. Brana pritiska takođe može biti obezbeđena. Pirolizni gasovi M22 se na sličan način transportuju putem odvojenog transportnog voda u drugi reaktor pod pritiskom A21. Kompresor A41 smešten u transportnom vodu sprovodi pirolizne gasove u drugi reaktor pod pritiskom A21, koji je pod višim radnim pritiskom.

[0144] U drugoj fazi postupka P2, radna temperatura je između 850 i 1600 °C. U ovoj drugoj fazi postupka čvrst ugljenik u piroliznom koksu M21 zatim se gasifikuje primenom ugljendioksida i ako je poželjno kiseonikom i/ili parom kao agensom za gasifikaciju, radi formiranja ugljenmonoksida i vodonika, u skladu sa reakcijama I, II i III.

[0145] Ugljendioksid potiče primarno iz reciklujućeg gasa M25. Dodatni ugljendioksid M33 može takođe biti uveden u ciklus. Vodena para sastoji se primarno od zaostale vlage polaznog materijala M11.

Procesna para M50 može takođe biti uvedena.

[0146] Toplotna energija potrebna za tok ovih endotermnih reakcija pirolize potiče, na primer, iz delimične oksidacije čvrstog ugljenika (reakcija III) sa kiseonikom M31 sprovedenim u drugi reaktor pod pritiskom A21. Egzotermna reakcija promene voda gas IV takođe može tome da doprinese.

[0147] Za startovanje postrojenja za iskorišćavanje A, i za kontrolisanje postupka, može se desiti da je potrebno da se uvedu dodatna goriva M13 u drugi reaktor A21, kao što je, na primer, koks, ugalj ili prirodni gas, i/ili da se poveća obezbeđivanje kiseonika kako bi se privremeno povećala proizvodnja toplote.

[0148] Odnos između ugljenmonoksida i vodonika, koji je značajan za kasniju sintezu u trećoj fazi postupka P3, dat je reakcijom promene voda gas IV, a na njega se može uticati dodavanjem procesne

2

pare M50 na desnu stranu, međutim, poželjno je održavati ga da bi voda u sistemu bila što niža i umesto nje uvesti dodatni vodonik M32 direktno u treću fazu postupka.

[0149] U prikazanom primeru jedinice za iskorišćavanje AB, druga faza postupka slično tome obuhvata pritisno telo A22, u kojem se pirolizni koks transportuje unutar reaktora A21 pomičnom rešetkom A23. Još jednom, takođe su mogući i drugi transportni sistemi, budući da su već predviđani za prvi reaktor pod pritiskom A13. To ima prednost u tome što pirolizni koks može biti obrađen bez dalje pripreme u drugoj fazi postupka.

[0150] Generalno, drugi reaktor može alternativno biti drugačije konstruisan. Na primer, pirolizni koks može biti usitnjen ili samleven unapred, što zatim omogućava gasifikaciju koksa u fluidizovanom toku ili uvedenom toku. Međutim, ova varijanta ima nedostatak u tome što čestice imaju kraće vreme zadržavanja u reaktoru, što zahteva homogenije uvođenje materijala i pripremu. Pored toga, takvo postrojenje zahteva precizniju i bržu kontrolu brzine toka gasa i drugih parametara postupka.

[0151] Reaktivna površina grudvičastog piroliznog koksa je uporedno manja u poređenju sa sličnom mogućom reakcijom u fluidizovanom toku, koja se, međutim, kompenzuje uporedno dugim vremenom zadržavanja u reaktoru A21 zahvaljujući velikom masenom kapacitetu reaktora pod pritiskom. Dalja prednost je mogućnost jednostavnijeg podizanja na veći proizvodni kapacitet. Pomoću jednostavnog izduživanja reaktora pod pritiskom ili povećanjem poprečnog preseka, kapacitet, a time i brzina konverzije mogu se povećati bez potrebe za promenom relevantnih parametara postupka kao što je pritisak ili temperatura. Reaktori koji imaju uveden tok ili fluidizovan tok, sa druge strane, ne mogu biti podignuti na veći proizvodni kapacitet na tako jednostavan način i bez određenih problema.

[0152] Kiseonik M31 potreban za delimičnu oksidaciju i, ako je poželjno, procesna para M50, uduvavaju se u užareni sloj formiran od piroliznog koksa, čime se proizvodi potrebna toplotna energija i reaktor A21 se održava na radnoj temperaturi. Umesto čistog kiseonika, takođe se može koristiti i vazduh, međutim, inertni atmosferski azot se širi gasnim tokom materijala koji cirkuliše unutar postrojenja za iskorišćavanje i teško ga je ponovo ukloniti. Ovo značajno snižava efikasnost postrojenja i zako je čist kiseonik poželjniji u svakom slučaju. Pored toga, u odsustvu azota u sistemu, takođe se sprečava obrazovanje oksida azota.

[0153] U primeru izvođenja postrojenja za iskorišćavanje A prikazanom na FIG.8, pirolizni gasovi M22 uduvavaju se u gasnu fazu iznad užarenog sloja u reaktoru pod pritiskom A21, gde se na pretežno visokim temperaturama višeatomski molekuli sadržani u piroliznim gasovima M22, veoma brzo krekuju i razgrađuju. Sintezni gas M24 obrazovan u drugoj fazi postupka zbog toga suštinski više ne sadrži organske molekule, i može se primeniti za Fischer-Tropsch sintezi u trećoj fazi postupka. Takođe, zagađivači kao što su dioksin, na primer, se razgrađuju.

[0154] Obezbeđivanje kiseonika M31 u užarenom sloju i tačka ulaska piroliznih gasova M22 u reaktor pod pritiskom poželjno se bira na takav način da dioksini ne mogu da se obrazuju, što se može postići odgovarajućim prostornim izdvajanjem. Slično tome, u postojećem sinteznom gasu, kiseonik ne bi trebalo da bude prisutan.

[0155] Za neproblematične polazne materijale kao što su, na primer, drveni opiljci ili slama ili druge nezagađene biomase, takođe je moguće sagoreti pirolizne gasove M22 unapred sa kiseonikom u odvojenom gorioniku i propustiti vrele izduvne gasove slične njemu u užareni sloj, radi uvođenja toplotne energije, ili radi uduvavanja nesagorelih gasova direktno u užareni sloj u kojem se takođe oksiduju.

[0156] Na kraju reaktora pod pritiskom A21, ostaci M91 ostaju u obliku pepela i inertnih ostataka, i opciono u obliku neobrađenog ugljenika. Ukoliko je potrebna troska, mogu se dodati aditivi koji snižavaju tačku topljenja pepela. U tu svrhu, na primer kreda u prahu može se dodati polaznom materijalu M11. Troska se ispušta iz drugog reaktora pod pritiskom A21 putem pogodne brane pritiska A28 iz oblasti pod pritiskom postrojenja za iskorišćavanje AB.

[0157] Druga faza postupka može alternativno biti izvedena na takav način da se nereagovani pirolizni koks na kraju reaktora pod pritiskom ponovo transportuje na početak i tako može da se propusti kroz reaktor po drugi put. To omogućava kraću konstrukciju reaktora pod pritiskom.

[0158] Tok sinteznog gasa M24 ispušta se iz drugog reaktora pod pritiskom A21, a glavni deo M24a sprovodi se putem odgovarajućeg izmenjivača toplote A44, u kojem se tok gasa hladi do temperature koja je pogodna za Fischer-Tropsch sintezu u trećoj fazi postupka P3, čime se u isto vreme priozvodi npr. procesna para M50 za interne svrhe postupka i/ili para M52 za proizvodnju energije u energetskoj jedinici AF (nije prikazano). Zbog nižih temperatura, pritisak opada, a ravnoteža reakcije I, II i IV se pomera, što za rezultat ima ponovno povećavanje frakcije ugljendioksida u sinteznom gasu. Slično tome, čvrsti ugljenik M94 može da se izdvoji iz toka gasa u obliku grafita. Ugljenik M94 može se sprovesti kao polazni materijal M11, M12 nazad u ciklus, iskoristiti kao koristan materijal na druge načine, ili se ukloniti iz sistema kao zaostali materijal.

[0159] Naknadno, tok sinteznog gasa M24a sprovodi se u ciklonski separator A47, u kojem se izdvaja prašina M92, koja se uglavnom sastoji od preostalog koksa i pepela. Ta zaostala prašina M92 može se sprovesti nazad u prvi reaktor pod pritiskom A13 ili drugi reaktor pod pritiskom A21, ili obraditi i/ili ispustiti. Umesto ciklonskog separatora, mogu se primeniti i drugi odgovarajući uređaji za prečišćavanje struje gasa.

[0160] Ukoliko se ugljenik M94 ne izdvaja, on zajedno sa tokom sinteznog gasa dolazi do Fischer-Tropsch reaktora A31, gde se može izdvojiti ili filtrirati zajedno sa ugljenikom obrazovanim kao nusproizvod u Fischer-Tropsch reakciji.

[0161] Zavisno od polaznog materijala, može se obezbediti dalja obrada toka gasa, kako bi se uklonili ometajući materijali u sinteznom gasu. Određenije, poželjno se uklanjaju ostaci koji su nepoželjni za

2

narednu fazu sinteze. Na primer, sumporna jedinjenja mogu da deluju kao katalizatorski otrov u Fischer-Tropsch sintezi.

[0162] Sintezni gas M24 zatim se uvodi putem regulatora pritiska A48 u treći reaktor pod pritiskom A31 iz treće faze postupka P3, u kojem se izvodi Fischer-Tropsch sinteza. Regulator pritiska A48 smanjuje pritisak do vrednosti poželjne za treću fazu postupka. Za podešavanje poželjnog odnosa ugljenmonoksid/vodonik, može se sprovesti dodatni vodonik M32 u Fischer-Tropsch reaktor A31. Slično tome, dovode se poželjni čvrsti katalizatori M37.

[0163] U Fischer-Tropsch sintezi iz treće faze postupka, ugljenmonoksid i vodonik reaguju veoma egzotermno (približno 158 kJ/mol po članu ugljovodoničnog lanca na 250 °C) u prisustvu heterogenih katalizatora (na primer železo, kobalt, rutenijum, nikl katalizatori) radi formiranja alkana, olefina, alkohola, aldehida i drugih ugljovodoničnih jedinjenja i derivata. Nus-proizvodi su metan i čvrsti ugljenik, koji se na sličan način obrazuju u veoma egzotermnim reakcijama. Tačni parametri Fischer-Tropsch sinteze, naročito pritisak i temperatura, primarno zavise od proizvoda koji se proizvode, i nisu direktno relevantni za fundamentalni funkcionalni princip uređaja prema ovom pronalasku ili postupak prema ovom pronalasku. Više temperature postupka imaju tendenciju da dovedu do manjih dužina lanaca i povećanog deponovanja ugljenika, dok viši pritisci vode ka većim dužinama lanaca. Pored toga, naročito ovi parcijalni pritisci ugljenmonoksida, vodonika i vode imaju veliki utucaj na proizvode sinteze.

[0164] Za fazu postupka sinteze poželjni su, na primer, nisko-temperaturni Fischer-Tropsch postupci, koji se izvode, na primer, na 210 do 250 °C, i uglavnom daju proizvode nalik dizelu i dugo-lančane frakcije u obliku voskova. Ovi poslednji se zatim mogu dalje iskorišćavati, na primer hidrokrekovanjem. Visoko-temperaturni postupci sa temperaturama između 320 i 350 °C sa druge strane daju značajne frakcije metana, kratko-lančane alkane i alkene, i takođe relativno visoke frakcije lake nafte. Za niskotemperaturne postupke, pogodni su na primer reaktori u obliku snopova cevi, u kojima se hlade cevi tokovima sinteznog gasa od gore ka dole putem punjenja katalizatora. Reciklujući gas i proizvodi napuštaju cev na njenom dnu.

[0165] Naročito pogodni reaktori su moderni suspenzijski reaktori (šematski prikazani na FIG.8), u kojima čvrst katalizator pluta fino dispergovan u tečnom proizvodu (takozvani Sasol-slurry Fischer-Tropsch postupak). Proizvodi reakcije izdvajaju se iz tečne faze, dok gasoviti proizvodi napuštaju reaktor kao deo reciklujućeg gasa M25. Toplota se uklanja putem suspenzijskih cevi za hlađenje A32, čime se proizvodi para M51, M50.

[0166] Suspenzijski reaktori imaju jednostavniji oblik konstrukcije od reaktora u obliku snopa cevi, i zbog toga su ekonomičniji. Katalizator se može primeniti efikasnije i može se zameniti u toku rada, što je poželjno u cikličnom postupku prema ovom pronalasku. Pored toga, takav postupak ima prednost u tome što heterogeni katalizator može neprekidno da se reprodukuje mehaničkim izlaganjem novih neiskorišćenih površina čestica katalizatora tokom cirkulacije. Na ovaj način sumporno trovanje

2

katalizatora može biti neprekidno kompenzovano. Kao posledica toga, ako je poželjno, uklanjanje sumpora iz toka sinteznog gasa može biti nepotrebno.

[0167] Para M51, M50 dobijena hlađenjem uređaja A32 sadrži značajnu toplotnu energiju, ali i dalje nije dovoljno vrela za efikasno iskorišćavanje, na primer u parnoj turbini energetske jedinice AF. Zbog toga se, na primer, poželjno koristi za proizvodnju vrele pare M52, na primer u izmenjivaču toplote A44, kako bi se povećala opšta energetska efikasnost postrojenja. Interakcija između jedinica za iskorišćavanje AB i daljih podjedinica za proizvodnju energije AF postrojenja za iskorišćavanje A već je razmatrana u FIG.3 do 5.

[0168] Tok gasa M25 koji izlazi iz Fischer-Tropsch reaktora A31, pored nereagovanog ugljenmonoksida i gasovitog vodonika, dalje sadrži vodenu paru, ugljendioksid i gasoviti reakcione proizvode M60. Frakcija veoma isparljivih ugljovodonika M60 može se odatle kondenzovati, na primer, primenom kolone za hlađenje (nije prikazano). Slično tome, voda M41 može biti kondenzovana, i tako uklonjena iz reciklujućeg gasa i na taj način iz toka materijala. Iz preostalog reciklujućeg toka gasa, deo M25b može biti izdvojen kao proizvod postupka. Preostali reciklujući tok gasa M25a komprimuje se u kompresoru A42, i recirkuliše u prvi reaktor A13.

[0169] Ciklično sprovođenje toka gasa unutar postrojenja za iskorišćavanje A odvija se uglavnom zahvaljujući preovlađujućim razlikama u pritiscima duž ciklusa. Oni su primarno proizvedeni od strane dva kompresora A41, A42. Zavisno od konstrukcije postrojenja, jedan od dva kompresora može se izostaviti, što snižava ukupne troškove postrojenja. Ukoliko postrojenje sadrži samo jedan kompresor (kao što je, na primer, u drugom primeru izvođenja postrojenja za iskorišćavanje sa FIG.9 opisan u nastavku), tada redosled prvog reaktora A13 ima prednost u slučaju da odgovarajući kompresor A42 mora da komprimuje manje zapremine gasa u odnosu na kompresor A41 između prve i druge faze postupka, gde se dodatno dodaju pirolizni gasovi, a ukupna zapremina je veća zahvaljujući višoj temperaturi, ili čak i između druge i treće faze postupka.

[0170] Ako je kompresor A41 izostavljen, postoji samo mali pad pritiska između ta dva reaktora A13, A21, tako da se prva i druga faza postupka sprovode suštinski na istom pritisku. Tok gasa se zatim sprovodi iz kompresora A42 preko prvog reaktora A13, drugog reaktora A21 i trećeg reaktora A31 nazad u kompresor A42. Ako je, sa druge strane, kompresor A42 izostavljen, pritisak je suštinski identičan unutar trećeg reaktora A31 i prvog reaktora A13. Kompresor može takođe biti postavljen između druge i treće faze postupka. Zbog entropije, najmanje jedan kompresor ili drugo transportno sredstvo može biti prisutno kako bi se sproveo tok gasa i kako bi se nastavio radni postupak.

[0171] Kako bi se kompenzovale privremene fluktuacije u proizvodnji gasa zahvaljujući heterogenom polaznom materijalu, spremnici pritiska (nisu prikazani) mogu biti obezbeđeni duž ciklusa gasa M22, M24, M25. Slično, takođe je moguće da se obezbedi privremeni smeštaj za pirolizni koks M21.

2

[0172] Ako jedinica za iskorišćavanje A sa FIG.8 uporedno malih dimenzija, i ako je odgovarajuća brzina volumetrijskog toka M22 između prvog reaktora pod pritiskom A13 i drugog reaktora pod pritiskom A21 uporedivo mala, kompresor A41 može da generiše razliku u pritisku od nekoliko bar-i sa razumnom potrošnjom energije. Prva faza postupka tada bi mogla da se pogoni pri suštinskil nižem pritisku u odnosu na drugu fazu postupka. Prva faza postupka može čak i da bude izvedena pri atmosferskom pritisku ili čak i sniženom pritisku.

Puštanje u rad postrojenja za iskorišćavanje

[0173] U nastavku će biti opisan moguć postupak za puštanje u rad postrojenja za iskorišćavanje A kakvo je prikazano na FIG.8. Za startovanje postrojenje za iskorišćavanje A, kroz ciklus i sve tri faze postupka propušta se i puni gasom bez kiseonika, poželjno ugljendioksidom i/ili ugljenmonoksidom i/ili gasom vodonika ili njegovom mešavinom, što se naziva sintezni gas. Naknadno, drugi reaktor A21, prethodno ispunjen koksom, zatim se zagreva, na primer primenom gasnih gorionika. U ovu svrhu, drugi reaktor izdvaja se iz ciklusa, zatvaranjem odgovarajućih veza. Tokom zagrevanja do poželjne radne temperature, transportno sredstvo A23 koksa unutar reaktora pod pritiskom A21 još uvek nije aktivisano. Ako je poželjno, privremena zaobilaznica (nije prikazana) može biti izvedena u ciklusu, između izmenjivača toplote A44 i reaktora pod pritiskom A21, kako bi se omogućilo cirkulisanje zagrejanog gasa u sistemu i kako bi se jednako zagrejala cela sekcija postrojenja. Pritisak se na sličan način povećava do planirane vrednosti.

[0174] U isto vreme, prvi reaktor pod pritiskom A13, koji je takođe unapred ispunjen koksom, izdvaja se iz ciklusa i zagreva do planirane radne temperature prve faza postupka. Pritisak se na sličan način dovodi do poželjne vrednosti u prvu fazu postupka. Transport A15 materijala u prvom reaktoru i dalje ostaje isključen. Međutim, zagrevanje se poželjno izvodi bez polaznog materijala, budući da piroliza polaznog materijala na temperaturama ispod minimalne bezbednosne radne temperature od 450 °C može da dovede do obrazovanja eksplozivne mešavine. Koks, sa druge strane, je već pirolizovan, i samo služi za uvođenje koksa u drugu fazu postupka, kada se kasnije startuje ciklus.

[0175] Fischer-Tropsch reaktor A31 se na sličan način stavlja u rad u radnim uslovima izdvajajući se iz ciklusa. Kada se dostignu radni uslovi u raznim fazama postupka postrojenja za iskorišćavanje, polako se stavljaju u rad razni transportni sistemi A15, A23, ciklus se otvara, a kompresori A41, A42 aktiviraju, tako da se konačno postiže uravnoteženo stanje postrojenja za iskorišćavanje AB pri poželjnim parametrima rada.

[0176] Dalji primer izvođenja jedinice za iskorišćavanje AB uređaja Z prema ovom pronalasku prikazan je na FIG.9. Radi jasnoće, granice jedinice za iskorišćavanje AB nisu prikazane.

2

[0177] Za razliku od jedinice za iskorišćavanje AB sa FIG.8, nije postavljen kompresor između prvog reaktora pod pritiskom A13 i drugog reaktora pod pritiskom A21, već samo nepovratni ventil A53, koji, međutim, može takođe biti izostavljen. Tok gasa sprovodi se kroz postrojenje padom pritiska proizvedenim od strane kompresora A42. Kako ova poželjna varijanta zahteva samo jedan kompresor A42 koji, pored toga, može da ima manju zapreminu propuštanja, ukupni troškovi postrojenja AB su smanjeni.

[0178] U prikazanoj varijanti, razgranati tok sinteznog gasa M24b ne propušta se direktno nazad u prvi reaktor A13, već se umesto toga sprovodi kroz zagrevni uređaj A16 reaktora pod pritiskom A13, a zatim se ponovo kombinuje sa sinteznim gasom M24a. Alternativno ili pored toga, dalji zagrevni uređaj A17 može biti obezbeđen, a koji se pogoni procesnom parom M50.

[0179] Izmenjivač toplote A45 postavljen je u reciklujućem toku gasa M25a, i služi za zagrevanje reciklujućeg toka gasa M25a procesnom parom M50. Reciklujući tok gasa tako u ovom primeru izvođenja takođe služi za obezbeđivanje toplote prvom reaktoru pod pritiskom A13.

[0180] U prikazanom primeru, snižavanje pritiska ne obezbeđuje se pre trećeg reaktora pod pritiskom A31. Pritisak u trećoj fazi postupka u ovom slučaju se kontroliše direktno kontrolom pritiska u drugoj fazi postupka, i naknadnim padom pritiska zahvaljujući hlađenju toka sinteznog gasa M24 u izmenjivaču toplote A44, i putem kompresora A42.

[0181] U daljoj mogućoj varijanti postupka prema ovom pronalasku, nisko-temperaturni Fischer-Tropsch reaktor iz treće faze postupka menja se visokotemperaturnim Fischer-Tropsch reaktorom, u kojem je prisutan katalizator kao fluidizovana leteća prašina. Gasoviti kratko-lančani ugljovodonici koji su poželjno obrazovani u visoko-temperaturnoj Fischer-Tropsch sintezi, i koji posle prve faze kondenzovanja ostaju u reciklujućem gasu, izdvajaju se propuštajućim filterima za gas od manjih molekula reciklujućeg gasa kao što je ugljendioksid, ugljenmonoksid, vodonik. Takvi sistemi su poznati, na primer, iz petrohemijske industrije za prečišćavanje naftnih gasova. U ovom slučaju oni služe za proizvodnju prve ugljovodonikom bogate gasne faze i druge, gasne faze sa niskim sadržajem ugljovodonika. Ugljovodonikom bogata gasna faza dalje se iskorišćava kao gorivo za drugu proizvodnu fazu za proizvodnju električne energije, ili se obrađuje u tečni gas i naftni gas. Druga gasna faza sa niskim sadržajem vodonika i sa visokim sadržajem ugljendioksida ponovo se vraća u ciklus kao reciklujući gas.

[0182] U još jednoj varijanti postrojenja za iskorišćavanje uređaja prema ovom pronalasku, treća faza postupka P3, umesto Fischer-Tropsch reaktora, sadrži reaktor za sintezu metanola u tečnoj fazi. Sinteza metanola u tečnoj fazi koja je poznata u stanju tehnike, naročito je pogodna za proizvodnju metanola u visokom prinosu iz sinteznog gasa sa relativno visokim frakcijama ugljendioksida. Sinteza se odvija u “reaktor na koloni sa suspenzijom sa mehurićima ” u kojem se sintezni gas uduvava u suspenziju praškastsog katalizatora u inertnom mineralnom ulju. Reakcija je veoma egzotermna pa je zbog toga potrebno hlađenje uređaja. Proizvodeni gasoviti metanol izlazi iz reaktora pod pritiskom zajedno sa

2

nereagovanim sinteznim gasom. Kada se uvedeno mineralno ulje i katalizator izdvoje, metanol se kondenzuje.

[0183] Metanol je korisni osnovni proizvod za hemijsku industriju i takođe se može primeniti kao pogonsko gorivo. Metanol može da, pored toga, dejstvuje kao aditiv nafti, pri čemu je, na primer u Nemačkoj, dozvoljena frakcija od do 3% metanola u nafti za vozila. Metanol može takođe da bude iskorišćen kao gorivo M60 za drugu fazu proizvodnje.

Kontrola i optimizacija radnih parametara postrojenja za iskorišćavanje

[0184] Postupak prema ovom pronalasku prikazan na FIG.8 i 9 baziran je na cikličnom toku materijala kroz tri faze postupka P1, P2, P3 jedinice za iskorišćavanje AB, pri čemu se ugljenični polazni materijal M11 uvodi ciklus kao ugljenični izvor i energetski izvor, a proizvodi faze sinteze su razgranati kao visoko stepeni proizvodi M60 ili kao goriva M61 za energetsko postrojenje C uređaja prema ovom pronalasku. Troska M91 i drugi zaostali materijali M92, M93, M94, kao i vodena para u reciklujućem gasu M25b, neprekidno se uklanjaju iz ciklusa. Para proizvedena u izmenjivaču toplote primenjuje sa jedne strane kao procesna para M50 za pogon postrojenja, čime se povećava efikasnost i efektivnost postrojenja. Sa druge strane, pregrejana para M51, M52 može se primeniti za proizvodnju energije u energetskoj jedinici AF.

[0185] Suštinski, u postupku za iskorišćavanje prema ovom pronalasku, iz energijom bogatih, ali heterogenih čvrstih polaznih materijala M11 koji se teško iskorišćavaju, ponovo se proizvodi energijom bogat proizvod M60, M61, određenije različite frakcije Fischer-Tropsch faze. One se naknadno mogu dalje iskoristiti, na primer, kao tečno pogonsko gorivo ili kao reaktanti za hemijsku industriju. Energija potrebna za pogon postrojenja za iskorišćavanje AB potiče iz delimične reakcije oksidacije u drugoj fazi postupka, pri čemu se proizvedeni višak hemijske energije (u obliku sinteznog gasa) kasnije konvertuje ponovo u egzotermnoj Fischer-Tropsch reakciji iz treće faze postupka u toplotnu energiju u obliku pare M50, M51.

[0186] U naročito poželjnoj varijanti postupka za proizvodnju energije prema ovom pronalasku, ili uređaj Z prema ovom pronalasku, respektivno, pregrejana para M52 proizvodi se iz polaznog materijala M11, radi dugoročnog rada energetske jedinica osnovnog opterećenja AF, a takođe i gorivo M61 za fleksibilan rad energetske jedinice C za pik opterećenja.

[0187] Zahvaljujući zatvorenom, cirkulišućem toku materijala u ovom postupku, prisutna je dinamična ravnoteža tokom rada postrojenja za iskorišćavanje A. Potrebne vrednosti raznih parametara (pritisak, temperatura, hemijski sastavi, brzine transporta itd.) u pojedinačnim delovima postrojenja određuju se, između ostalog, prirodom upotrebljenih polaznij materijala. Kako bi se održalo stanje neprekidnog rada, pored heterogenog polaznog materijala, razni parametri pogona mogu biti kontrolisani.

[0188] Za proizvodnju ugljovodonika i drugih proizvoda u Fischer-Tropsch fazi P3, pritisak i temperatura u trećem reaktoru A31 su presudni parametri. Pritisak može biti kontrolisan kratkoročno primenom kompresora A42 povećavanjem ili smanjivanjem rada. Temperatura se sa druge strane može kontrolisati preko hlađenja izvodeanse izmenjivača toplote A32. Dugoročno, pritisak može biti kontrolisan preko pritiska u toku sinteznog gasa M24, sa jedne strane menjanjem pritiska i radne temperature u drugoj fazi postupka, i sa druge strane kontrolisanjem izvodeanse hlađenja izmenjivača toplote A44, a time i temperature i pada pritiska u toku sinteznog gasa M24.

[0189] Kontrolisanje postrojenja za iskorišćavanje A je veoma jednostavno, budući da se postrojenje pogoni u ravnoteži sa povratnim tokom, a za kontrolu nekoliko relevantnih parametara, može se modifikovati više paremetara, pojedinačni parametri pogona raznih komponenti postrojenja, čime se može uticati na ravnotežu polako ili brzo.

[0190] Postupak za iskorišćavanje prema ovom pronalasku poželjno se izvodi sa povišenom frakcijom ugljendioksida. To, između ostalog, pomera ravnotežu reakcije IV sa leve na desnu stranu (više ugljenmonoksida). Povišeni radni pritisak postrojenja za iskorišćavanje između 10 i 60 bar omogućava takav povišeni sadržaj ugljendioksida, dok su jednovremeno moguće i više apsolutne količine ugljenmonoksida na radnom izlazu. Slično tome, mogući su i viši ili niži pritisci, ali su manje efikasni.

[0191] Postrojenje za iskorišćavanje može biti optimizovano u odnosu na razne aspekte. Na primer, ako se uglavnom korisni materijali kao što su, na primer, ugljovodonici i voskovi nalik dizelu i nafti, itd. proizvode u trećoj fazi postupka iz ugljendioksid-neutralne biomase kao što su, na primer, drveni opiljci, postupak se usmerava prema što je moguće poželjnijem odnosu između troškova biomase i rada i vrednosti materijala visoke vrednosti koji su proizvedeni. Sa druge strane, manje treba voditi računa o emisijama ugljendioksida, jer je u svakom slučaju to ugljendioksid-neutralna biomasa. Kako bi se dalje poboljšao ekološki balans, obezbeđivanje spoljašne energije (električna snaga itd.) može biti smanjeno, sa jednovremeno povećenim trošenjem biomase.

[0192] Ako je, s druge strane, naglasak na ekološki prihvatljivom zbrinjavanju zagađenih materijala sa minimalnom proizvodnjom ugljendioksida, postrojenje funkcioniše na takav način da se što manje ugljendioksida odstrani iz ciklusa i pusti u okolinu. To eventualno dovodi do povećane potražnje za spoljnom energijom.

[0193] Slično tome, postrojenje za iskorišćavanje može biti optimizovano prema maksimalnom propuštanju polaznih materijala, pa tako neobrađeni pirolizni koks može da napusti treću fazu postupka zajedno sa troskom. Pirolizni koks, koji je ekološki malo problematičan, može se odložiti na deponiju zajedno sa troskom. Takva varijanta je poželjna na primer kada je potrebno da se veća količina zagađenog materijala učini bezbednom na način da je ugljendioksid-neutralna.

[0194] Radna temperatura iz druge faze postupka P2 može slično tome biti optimizovana. Tako na primer, radna temperatura iz druge faze postupka P1 jedinice za iskorišćavanje AB može biti snižena,

1

kako bi se povećao kvantitativna propustljivost u drugi reaktor A21. Ovo tada verovatno vodi ka određenim isparljivim materijalima u piroliznom gasu M22 koji nije krekovan i prolazi zajedno sa sinteznim gasom M24 u Fischer-Tropsch reaktor A31. Tako, na primer, benzen može da se propusti iz polaznog materijala, na primer iz teškog ulja, u relativno malim količinama u proizvode Fischer-Tropsch sinteze. Tamo ovi materijali ostaju kao deo tečnog goriva M61, ali, ako je potrebno, mogu se takođe i izdvojiti.

[0195] FIG.10 šematski prikazuje još jedan poželjan primer izvođenja jedinice za iskorišćavanje AB. Između prve faze postupka P1 i druge faze postupka P2, postavljen je izmenjivač toplote A46, koji služi za zagrevanje piroliznih gasova M22 procesnom parom M50 do radne temperature iz druge faze postupka, pre ulaska u drugi reaktor pod pritiskom A21. Takođe je moguće snabdevanja izmenjivača toplote A46 vrelim sinteznim gasom M24.

[0196] Kompresor A43 postavljen je u transportni vod sinteznog gasa M24, posle izmenjivača toplote A44. Iako je strujanje mase u ovoj tački najveće, zahvaljujući značajno sniženoj temperaturi posle izmenjivača toplote A44, zapremine gasa kojima upravlja kompresor A43 su manje, a radna temperatura je pogodna za kompresor, budući da je niža.

[0197] U prikazanoj jedinici za iskorišćavanje AB nije obezbeđen ciklonski separator za odvajanje čvrstih komponenti M92 u toku sinteznog gasa. Zaostala prašina M92, M94 ulazi neometano u treću fazu postupka P3, gde se vezuje u tečnoj fazi sinteznog reaktora A31. Kako je zaostala prašina nerastvoriva u ugljovodonicima, ona se može filtrirati bez većeg napora. Odbacivanje ciklonskim separatorom smanjuje troškove postrojenja za iskorišćavanje AB.

[0198] Dalji poželjan primer izvođenja jedinice za iskorišćavanje AB uređaja Z prema ovom pronalasku prikazan je na FIG.11, koji je naročito pogodan za proizvodnju tečnog goriva M61 iz nezagađene biomase kao što su, na primer, drveni opiljci. U ovoj varijanti, pirolizni gasovi M22 ne propuštaju se u drugu fazu postupka P2, već u treću fazu postupka P3, sintezni gas M24 ne propušta se u treću fazu postupka P3, već u prvu fazu postupka P1, a reciklujući gas M25 ne propušta se u prvu fazu postupka P1, već u drugu fazu postupka P2.

[0199] U prvoj fazi postupka P1, tok vrelog sinteznog gasa M24 zagreva materijal pirolize i održava radnu temperaturu. Pirolizni tok gasa M22 koji izlazi iz prve faze postupka, pored stvarnih piroliznih gasova, takođe može da sadrži i frakciju sinteznog gasa iz druge faze postupka, koje ovde prave krug preko prve faza postupka.

[0200] U drugoj fazi postupka P2, frakcija sinteznog gasa u piroliznim gasovima M22 reaguje, dok se pojedine frakcije piroliznog gasa koje se još nisu iskondezovale iz M23, u izmenjivaču toplote A45 rastvaraju u tečnoj fazi sinteznog reaktora A31. Kako, u slučaju direktne upotrebe proizvoda M60 iz treće faze postupka kao pogonskog goriva ili kao goriva za drugi pogonski uređaj C11, zahtevi za čistoćom nisu naročito visoki, krekovani pirolizni gasovi mogu biti izostavljen. To pogonsko gorivo ili

2

gorivo M61 se naknadno prečišćava, kako bi se uklonili neodgovarajući ostaci kao što je, na primer, organske kiseline itd. Kondenzovane frakcije M23 piroliznog gasa, koje imaju nisku tačku topljenja i tačku ključanja, i sadrže značajnu frakciju katrana, poželjno mogu biti uvedene u drugu fazu postupka kao čvrst ili tečni aditivi M23.

[0201] Reciklujući tok gasa M25 se naknadno komprimuje A42, zagreva A46, i prenosi u drugu fazu postupka P2, i tako se ponovo obrazuje ciklus. Kako krekovanje gasova uvedenih u reaktor pod pritiskom A21 nije potrebno, druga faza postupka može biti izvedena na nižoj radnoj temperaturi.

[0202] FIG.12 prikazuje primer izvođenja jedinice za iskorišćavanje AB, u kojem se prva faza postupka i druga faza postupka P1, P2 izvode u zajedničkom reaktoru pod pritiskom A24. Piroliza se odvija u prvoj komori A25 reaktora A24, a gasifikacija u drugoj komori A26. Te dve komore A25, A26 izvedene su sa pregradnim zidom A27 postavljenim u reaktoru pod pritiskom A24, koji ima prolazni otvor kroz koji zajednički transportni sistem transportuje pirolizni koks M21, i kroz koji struji pirolizni gas M22. Taj pregradni zid A27 uglavnom služi za termičko izolovanje te dve komore A27, A26, tako da mogu biti primenjene različite radne temperature u dve faze postupka. Takođe je moguće opremiti takav zajednički reaktor pod pritiskom sa više od jedne komore.

Energetsko postrojenje za proizvodnju pik energetskog opterećenja

[0203] Ako se pogonski uređaj C11 energetskog postrojenja C uređaja prema ovom pronalasku konfiguriše kao pogonska mašina za sagorevanje, u poželjnoj varijanti takvog pogonskog uređaja, voda M40 može se primeniti kao dodatno ekspanziono sredstvo. U tu svrhu, posle paljenje sagorevanja, na primer posle samopaljenja komprimovane mešavine gorivo-vazduh u Diesel motor, određena količina vode se injektira u cilindar. Ova voda, koja je poželjno fino dispergovana, naknadno uparava toplotnom energijom egzotermne reakcije oksidacije. Tako nastalo povećanje pritiska gasa i zapremine gasa zbog dodatka vodene pare, doovodi do proizvodnje kinetičke energija, pri čemu, međutim, u isto vreme temperatura ukupne mešavine sagorevajućih gasova i vodene pare se smanjuje. Ova je, međutim, neproblematično, ili čak poželjno, kako zbog više gustine energije reakcije čistim kiseonikom, dolazi do značajno viših temperatura reakcije, koje povećavaju termodinamičku efikasnost, ali takođe naprezanja komponenti pogonskog uređaja C11.

[0204] Alternativno, voda može da takođe biti obezbeđena kao vodena para M50. Određena količina tečne vode može takođe biti obezbeđena pomešana sa tečnim gorivom. Na visokim temperaturama reakcije, pregrejana para dalje dejstvuje kao dodatni oksidacioni agens, pored kiseonika.

[0205] U nastavku će na FIG.13 detaljno biti opisan i objašnjem način rada takvog mogućeg pogonskog uređaja C11 za energetsko postrojenje za pik opterećenja C uređaja Z prema ovom pronalasku, sa pozivanjem na primer pogonske mašine za sagorevanje u obliku klipa motora sa cilindrom. Analogno, pogonski uređaji C11 koji su konstruisani kao pogonska mašina za sagorevanje, mogu takođe biti konstruisani kao turbine ili Wankel motori, itd. Vreli sagorevajući gasovi se koriste u skladu sa funkcionalnim principom respektivog tipa pogonske mašine za sagorevanje radi izvođenja mehaničkog rada, na primer za pogon generatorskog postrojenja, i pri tome delimično ekspandiraju. Naknadno oksidacioni gas M27 napušta komoru za sagorevanje. Zbog toga, na primer u pogonska mašina za sagorevanje konstruisani kao četvorotaktni klipni motor, koji u trećem taktu izduvava iz cinindra mešavinu izduvnog gasa M27, i naknadno je komprimuje i hladi. Slično tome, moguće je implementirati pogonski uređaj C11 kao mašinu na toplotnu energiju sa spoljašnjim sagorevanjem, na primer kao parni motor ili parna turbina.

[0206] Pogonska mašina za sagorevanje C11 prikazana na FIG.13 obuhvata cilindar C22, i klip C23 pokretno postavljen u njemu, koji zajedno formiraju zatvorenu komoru za sagorevanje C21. Sa uređajem za napajanje C27 koji je samo šematski prikazan, u prvom taktu kiseonik M31 uvodi se u ekspanzionu komoru za sagorevanje C21. Naknadno, u drugom taktu, kiseonik M31 je komprimovan i na kraju drugog takta gorivo M61 uvodi se u komoru za sagorevanje C21 uređajem za napajanje C29 i sagoreva. U naknadnom trećem taktu, ekspanzioni sagorevajući gasovi M27 izvode mehanički rad, i tokom četvrtog takta delimično ekspandiran sagorevajući gasovi M27 se ispuštaju iz komore za sagorevanje C21 ventilacionim uređajem C24, koji nije detaljnije prikazan.

[0207] Vreli oksidacioni gasovi M27, koji se suštinski sastoje samo od ugljendioksida i vodene pare, se naknadno hlade u naknadnom izmenjivaču toplote C12. Zapremina ovih oksidacionih gasova M27 je time smanjena. Kao rezultat hlađenja glavni deo vode M41 se kondenzuje i izdvaja. Zaostajući gas M26, koji se suštinski sastoji samo od ugljendioksida i moguće zaostale frakcije ugljenmonoksida i neizreagovanog goriva, se komprimuje u kompresoru C13 serijski postavljenim i prikuplja u spremniku pritiska BB. Faza kondenzovanj C12 pre komprimovanje smanjuje u ovom postupku neželjeno obrazovanje kapljica kondenzovane voda u kompresoru C13.

[0208] Prikazana pogonska mašina za sagorevanje C11 ne obuhvata bilo koje emisije. Kako uređaj ne radi sa vazduhom ili sličnom gasnom mešavinom kao oksidacionim agensom, takođe se ne ne mogu formirati vazduh-specifični zagađivači kao što su, na primer, oksidi azota. Voda obrazovana u sagorevanju nije problem i može biti izdvojena. Ugljendioksid se sprovodi kao zaostali gas M26 u ciklus postrojenje za iskorišćavanje AB. Nesagorele frakcije goriva se kondenzuju ili zajedno sa vodom i izdvajaju se, ili se komprimuju zajedno sa ugljendioksidom. Oksidacioni gasovi M27 iz pogonskog uređaja C11 mogu takođe biti preneti bez hlađenje direktno u prvu ili drugu fazu postupka.

[0209] Ako je energetsko postrojenje za pik opterećenja C prostorno razdvojeno od postrojenje za iskorišćavanje A, i ako direktnan povratni vod za zaostale gasove M26 nije primenjiv, oni mogu takođe biti vrlo visoko komprimovani i transportovani nazad pod visokim pritiskom u spremnike pritiska BB iz energetskog postrojenja C u postrojenje za iskorišćavanje A.

4

[0210] Dalji mogući primer izvođenja pogonskog uređaja C11 konstruisani kao pogonska mašina za sagorevanje je šematski prikazan na FIG.14. U ovoj varijanti voda M40 uvodi se u komoru za sagorevanje C21 pomoću samo šematski prikazanog uređaja za napajanje C28. Ova se odvija poželjno na takav način da se tokom ili posle reakcije sagorevanja definisana količina vode injektira u tečnom ili gasovitom stanju u komoru za sagorevanje C21 i fino distribuira. Ova voda se zagreva toplotom sagorevanja, pri čemu se celokupna zapremina gasa povećava u komori za sagorevanje C21, i time takođe pritisak gasa ili zapremina gasa raspoloživ za izvođenje mehaničkg rada. Odgovarajuće tome, količina goriva može tada biti smanjena, sa nepromenjenom snagom.

[0211] Alternativno ili pored toga, voda M40 može takođe da bude uvedena u struju oksidacionog gasa M27 kada ona napušta komoru za sagorevanje C21. Takva varijanta ima prednost zato što reakcija sagorevanja u komori za sagorevanje može da protiče efikasno na što je moguće višim temperaturama, i jednovremeno dobijene temperature toka oksidacionog gasa su niske tako da su naknadni uređaji C12, C13 manje opterećeni.

[0212] Količina vode i vreme injektiranja se uklapaju prema dovodu goriva M61 i kiseonika M31 na takav način da reakcija sagorevanja može da protiče efikasno. Poželjno, dobijena temperature tokom reakcije oksidacije je suštinski takva da se termodinamička efikasnost mašine na toplotnu energiju postiže da bude što je moguće viša. Što se koristi veća količina vode, to je niži udeo u odnosu na frakciju ugljendioksida u reakcionim gasovima, što smanjuje količinu zaostalog gasa M26 posle kondenzovanja vode M41.

[0213] U primeru izvođenja prikazanom na FIG.14, oksidacioni gasovi M27 se prvo komprimuju u kompresoru C13 pre nego što se naknadno hlade u izmenjivaču toplote C12. Ova varijanta se takođe može kombinovati sa pogonskom mašinom za sagorevanje C11 bez injektiranja vode iz FIG.13, i obrnuto, i može se uopšteno primeniti za pogonski uređaj C11.

[0214] Energija potrebna za pogon kompresora pogonskog uređaja C11 se poželjno proizvodi samim pogonskim uređajem. Kao posledica toga, the dostizna efikasnost pogonskog uređaja se smanjuje, ali u isto vreme postiže bezemisioni rad pomenutog pogonskog uređaja. Pored toga, dostizna snaga za iste dimenzije motora je veća, što ponovo kompenzuje gubitak snage. Kompresor može, na primer, da radi preko odgovarajuće brzine direktno od strane radilice klipa pogonske mašine za sagorevanje.

[0215] Ako pogonski uređaj C11 obuhvata turbinu, kompresor može da bude direktno na istom vratilu. Direktno posle postupka ekspanzije oksidacionih gasova oni i zaostali tok mogu tada biti kondenzovani i komprimovani.

[0216] U drugoj varijanti pogonskog uređaja, konstruisanoj kao klipni motor, posle sagorevanje oksidacioni gasovi su već predkomprimovani u komori za sagorevanje u trećem taktu, i tek onda ispušteni ventilacionim uređajem C24. Ako je poželjno, može naknadno uključen kompresor C13 takođe da bude izostavljen.

[0217] Takav primer izvođenja je takođe moguć kao dvotaktna varijanta, jer u pogonskom uređaju može da protiče vrlo brzo nov unos u komoru za sagorevanje reakcione mešavine (gorivo M61, kiseonik M31, voda M40). U drugom prethodnom taktu, sagorevajući gasovi se predkomprimuju, i pri kraju takta se oslobađaju iz komore za sagorevanje. Gasoviti kiseonik može biti uduvavan u komoru za sagorevanje pod visokim pritiskom na kraju prethodnog takta, jer za završavanje reakcija sagorevanja potrebno je komparativno malo kiseonika, a i voda je prisutna kao dodatni ekspanzioni agens. Tečno gorivo M61 i voda M40 kao ekspanzioni agens mogu u svakom slučaju da budu injektirani u komoru za sagorevanje C21 vrlo brzo i na visokom pritisku.

[0218] Potrošnja energije od strane kompresora C13 može biti optimizovana odgovarajućom kombinacijom jednog ili više izmenjivačem toplote ili rashladnih elemenata, u kojima zapremine gasa mogu biti smanjene izdvajanjem toplotne energije reakcionih gasova na internom ili spoljašnjem hladnjaku.

[0219] Pomoću izmenjivač toplote/kondenzator C12, može biti proizvedena para koja može da ili služi za povećanje efikasnosti energetske jedinice AF postrojenje za iskorišćavanje, ili za dobijanje procesne pare M50 za pogon jedinica za iskorišćavanje AB postrojenja za iskorišćavanje.

[0220] FIG.15 prikazuje naročito poželjan primer izvođenja varijante za pik opterećenja energetskog postrojenja C, koja ima pogonski uređaj C11 koji je konstruisan kao kombinovana gasno/parna turbina. U prethodno uključenoj komori za sagorevanje C21, gorivo M61 se sagoreva kiseonikom M31 u gorioniku C25, formirajući vreo izduvni gas. Voda se uvodi u komoru za sagorevanje C21, poželjno kao pregrejana tečna voda koja ima temperatur od, na primer, 250 °C, i pritisak od 50 bar. Dobijeni para meša se sa izduvnim gasovima sagorevanja na takav način da se formira vreo (npr.600 °C) oksidacioni gas M27a sa visokom frakcijom pregrejane pare forms, koja izlazi iz komore za sagorevanje C21 i konvertuje se u kasnojoj turbini uređaja C30 u mehanički rad sa kojim se, s druge strane, pogoni generatorski uređaj C31. Zavisno od konstrukcije, gasna mešavina u komori za sagorevanje se ponaša izohorno, na takav način da se pritiska gasa povećava, iliizobarno, na takav način da se zapremine gasa odgovarajuće povećava, ili se povećavaju i zapremina i pritisak. Zbog toga sledeći turbinski uređaj C30 mora takođe biti konstruisan na odgovarajući način. Pogodne turbine C30 su poznate iz stanja tehnike, i generalno imaju višefazni postupak. U alternativnoj varijanti, delimično ekspandirana procesna para M50 može biti ekstrahovana posle faze visikog pritiska turbinskog uređaja C30, i može se primeniti na druge načine.

[0221] Ekspandirani oksidacioni gas M27b sprovodi se u kondenzator/ekonomizator C12 u kojem se voda M41 kondenzuje i izdvaja. Zaostali gas M26 koj sadrži suštinski ugljendioksid, se komprimuje u kompresoru C13 i transportuje u prvu fazu postupka P1 postrojenja za iskorišćavanje AB. Kompresor C13 se poželjno pogoni direktno preko turbina C30.

[0222] Umesto u komori za sagorevanje C21, voda M40 može takođe biti pomešana sa strujom oksidacionog gasa M27a posle komore za sagorevanje C21, na primer pomoću Venturi mlaznice.

[0223] U pogonskom uređaju C11, količina vode M40 i količina mešavine za sagorevanje M61, M31, i dalji parametri koji se odabiraju, poželjno se uklapaju jedan sa drugim na takav način da se posle turbine postiže što je veće moguće iskorišćenje energije. U isto vreme, frakcija vode u oksidacionoj gasnoj mešavini M27b biće što je moguće veća. Sa jedne strane, ova način postiže se duž kondenzatora C12 pad pritiska gasne mešavine što je moguće veći, koji povećava ukupnu razliku pritisaka duž turbine C30 i time njena efikasnost. Sa druge strane, manje zaostalog gasa M26 zaostaje koji mora biti komprimovan C13.

[0224] Dalja prednost uvođenja pare u komoru za sagorevanje je efekat hlađenja pare M50. Egzotermna oksidacija gorive mešavine M61, M31 može da dovede do vrlo visokih temperatura od do 1000 °C, ili čak 2000 °C. Takve temperature bi veoma napregle konstrukcije komore za sagorevanje C21 i naknadnog turbinskog uređaja C30. Relativno hladna vodena para se poželjno uvdi u komoru na takav način da ona štiti zidove komore za sagorevanje C21 od vrelog plamena C26. Para konačno hladi celokupnu gasnu mešavinu na 600 °C do 800 °C, što snižava toplotno optrećenje lopatica turbin, i odgovarajuće povećava upotrbni vek.

[0225] Pored gorepomenutih aspekata, prikazani pogonski uređaj razlikuje se, na primer, od konvencionalne gasne turbine takođe u tome da nema kompresora koji je povezan pre komore za sagorevanje. To omogućava značajno jednostavniju konstrukciju komora za sagorevanje C21 nego kod gasne turbina. Kako goriva M61 sagorevaju čistim kiseonikom M31, dostizna gustina energije je viša nego primenom vazduha koji ima smanjenu frakciju kiseonika. Kako bi se povećala količina kiseonika koja može biti uveden po jedinici vremena u komoru za sagorevanje C21, kiseonik može unapred biti komprimovan. Turbinski uređaj C30 može biti konstruisan kao parna turbina, jer su opsezi temperatura i pritisaka oksidacionog gasa M27a suštinski isti.

[0226] U normalnom radu, pogonski uređaj C11 energetskog postrojenja C ostaje u praznom hodu. Mala količina pare održava turbinu C30 u pokretu, dok generatorski uređaj ne proizvodi električnu snagu. Ako se sada poveća potražnja električne snage tokom kratkog vremenskog perioda, goriva mešavina M31, M61 se injektira u komoru za sagorevanje C21 i pali uređajem za paljenje (nije prikazano). U isto vreme, količina injektirane vode M40, M50 se povećava. Turbina C30 je sada u radu, i generator C31 počinje sa radom.

[0227] Pogonski uređaj C11 može takođe biti u permanentnom radu, na primer pri 10% do 50% snage osnovnog opterećenje generatorskog postrojenja AF. Kada se poveća potražnja električne snage, postrojenje C može tada da bude dovedeno do maksimalne snage u vrlo kratkom vremenu, na primer 500% snaga osnovnog opterećenja generatorskog postrojenja AF. Uređaj Z prema ovom pronalasku može da se zbog toga adaptira na ukupnu snagu vrlo dinamično u širokom opsegu. Energetsko postrojenje za pik opterećenja C može takođe da ima veći broj komora za sagorevanje C21 i/ili turbinski uređaji C30.

Modularna konstrukcija postrojenja

[0228] U naročito poželjnom primeru izvođenja uređaja prema ovom pronalasku, individualne komponente postrojenja su dimenzionisane i konstruisane na takav način da mogu biti rastavljene efikasno u individualne module koji mogu biti transportovani kamionom, i mogu da se naknadno ponovo sklope. Naročito poželjno je maksimalno dimenzionosanje modula koje omogućava transport bez specijalnih transportnih sredstava.

[0229] Takav modularni uređaj prema ovom pronalasku ima prednost što može takođe da se postavi samo privremeno, na primer za pogonsko vreme od samo nekoliko godina ili čak samo nekoliko meseci. Čim nema više potražnja, on može biti rasklopljen i rekonstruisan na novoj lokaciji. Takav uređaj je naročito koristan, na primer, u rudarskoj industriji, kada se u udaljenim rudarski područjima za kratko vreme mora izgraditi relativno velika energetska infrastruktura koja nije više potrebna na kraju rudarske aktivnosti.Na primer, postrojenje za iskorišćavanje uređaja prema ovom pronalasku može se primeniti, na primer, za proizvodnju dizel gorivo iz localno uzgajane biomasa i ugljeničnog otpadnog materijala, za vozila i generatore električne snage na udaljenim otvorenim kopovima, i/ili električna energija za pogon infrastrukture.

[0230] Postrojenja prema ovom pronalasku su naročito pogodna za modularnu arhitekturu. Naročito, reaktori prve i druga faze postupka mogu biti konstruisani kao horizontal reaktori, koji imaju relativno mali poprečni presek bez smanjivanja protoka. Taj reaktor se jednostavno odgovarajuće produži u longitudinalnom pravcu. Taj reaktor može biti sklopljen u longitudinalnom pravcu od većeg broja modula priljubljenih zajedno. Sintezni reaktor može biti skaliran primenom više parelnih reaktora.

[0231] Razni primer izvođenja su prethodno prikazani i opisani. Međutim, stručnjaku je očigledno da se mogu načiniti razne promene i modifikacije bez udaljavanja od principa ovog pronalaska.

SPISAK POZIVNIH OZNAKA

[0232]

Z Uređaj za bezemisionu proizvodnju energije i ugljovodonika i drugih proizvoda iskorišćavanjem ugljeničnih materijala

A Postrojenje za iskorišćavanje

AB Jedinica za iskorišćavanje

AC, AD, AE Podjedinice prve, druge, i treće faze postupka ciklirajuće jedinice

A11 Brana pritiska

A13 Reaktor za pirolizu, prvi reaktor pod pritiskom

A14 Pritisno telo

A15 Pomična rešetka

A16, A17 Zagrevni uređaj

A21 Gasifikacioni reaktor, drugi reaktor pod pritiskom

A22 Pritisno telo

A23 Pomična rešetka

A24 Zajednički reaktor pod pritiskom prve i druge faze postupka

A25 Prva komora

A26 Druga komora

A27 Pregradni zid

A28 Brana pritiska

A31 Fischer-Tropsch reaktor, sintezni reaktor

A32 Hlađenje u fazi sinteze, bojler u parnom ciklusu energetske jedinice AF A41, A42, A43 Kompresor

A44, A45, A46 Izmenjivač toplote, pregrejač parnog ciklusa energetske jedinice AF A47 Ciklonski separator

A48 Redukcija pritiska

A49, A50, A51, A52 Zaporni ventil

A53 Nepovratni ventil

AF Energetska jedinica postrojenje za iskorišćavanje, komponenta postrojenja za bezemisionu proizvodnju osnovnog energetskog opterećenja

A61 Pogonski uređaj

A62 Parna turbina

A63 Kondenzator, ekonomizator

A64 Generatorski uređaj

A65 Spoljašni rashladni ciklus

A66 Pumpa

AG Ispusna jedinica, komponenta postrojenja za ispuštanje i obradu pepela i zaostalih materijala

A91 Silos, skladišni kontejner

AH Jedinica za obradu, komponenta postrojenja za obradu i obezbeđivanje ugljeničnog materijala

A92 skladište troske

B postrojenje za transport i privremeni smeštaj goriva i oksidacionih gasova između postrojenja za iskorišćavanje i energetskog postrojenja

BA Jedinica za smeštaj goriva

BB jedinica za smeštaj oksidacionog gasa

BC Brod, voz, cevovod, transportno sredstvo

C Energetsko postrojenje, komponenta postrojenja za bezemisionu proizvodnju pika energetskog opterećenja iskorišćavanjem ugljeničnih goriva iz postrojenja za iskorišćavanje

C11 Pogonski uređaj

C12 Kondenzator/ekonomizator

C13 Kompresor

C14 Spoljašni rashladni ciklus

C21 Komora za sagorevanje

C22 Cilindar

C23 Klip

C24 Ventilacioni uređaj

C25 Gorionik

C26 Plamen

C27 Uređaj za napajanje kiseonikom

C28 Uređaj za napajanje vodom

C29 Uređaj za napajanje gorivom

C30 Turbina

C31 Generatorski uređaj

D Postrojenje za proizvodnju i obezbeđivanje spoljašne hemijske energije, komponenta postrojenja za proizvodnju vodonika

DA Jedinica energije vetra

DB Jedinica solarne energije

DC Jedinica za elektrolizu

DD industrija proizvodnje vodonika

DE jedinica za privremeni smeštaj

DF jedinica za privremeni smeštaj

DG Brod, voz, cevovod, transportno sredstvo

E1 električna/mehanička energija (osnovno opterećenje)

E2 električna/mehanička energija (pik opterećenja)

E3 dovedena električna energija

4

E4 toplotna energija

P1 Prva faza postupka

P2 Druga faza postupka

P3 Treća faza postupka

P6 Unos ugljeničnih materijala

P7 Ispuštanje ostataka

M10 Neobrađen ugljenični polazni materijal M11, M12 Ugljenični polazni materijal

M13 Dodatni sagorivi elementi

M14 Dodatno gorivo

M17 sortirani zaostali materijali, reciklabilni materijal M21 Pirolizni koks

M22 Pirolizni gas

M23 Nisko-isparljive frakcije piroliznog gasa M24, M24a, M24b Sintezni gas

M25, M25a, M25b Reciklujući gas

M26 Zaostali gas

M27, M27a, M27b Oksidacioni gasovi

M31 Kiseonik, oksidacioni agens

M32 gasoviti vodonik

M33 Ugljendioksid

M37 Katalizator

M40 Voda, procesna voda, dovedena voda M41 Kondenzat, kondenzovana voda

M50 Procesna para

M51, M52, M53, Para u turbinskom ciklusu

M60 Proizvodi faze sinteze

M61 Proizvodi faze sinteze, gorivo

M90 Ostaci

M91 Troska, pepeo, ostaci

M92 Zaostala prašina

M93 Ostaci

M94 Grafit, aktivisani ugljenik, ugljenični ostaci t Vreme

P Snaga

PaToplotni sadržaj

PbToplotna snaga konvencionalne energane

Pc, Pc1, Pc2Snaga osnovnog opterećenja

PdEfektivna toplotna snaga uređaja prema ovom pronalasku

Pe, Pe1, Pe2Ukupna snaga

PfSnaga osnovnog opterećenja energetske jedinice osnovnog opterećenja PgSnaga proizvedenog goriva ovog postrojenja za iskorišćavanje

Claims (31)

Patentni zahtevi

1. Postupak za proizvodnju energije (E1, E2, E4) i/ili ugljovodonika i metanola (M60, M61) iskorišćavanjem ugljeničnih materijala (M10, M11) bez emisije ugljendioksida u atmosferu,

u kojem se u prvoj fazi postupka (P1) ugljenični materijali (M10, M11) dovode i pirolizuju, pri čemu se obrazuju pirolizni koks (M21) i pirolizni gas (M22);

u drugoj fazi postupka (P2), pirolizni koks (M21) iz prve faze postupka (P1) se gasifikuje, pri čemu se obrazuje sintezni gas (M24), a troska i drugi ostaci (M91, M92) se uklanjaju; i

u trećoj fazi postupka (P3), sintezni gas (M24) iz druge faze postupka (P2) konvertuje se Fischer-Tropsch sintezom ili sintezom metanola u tečnoj fazi u ugljovodonike i/ili metanol (M60, M61), koji se uklanjaju; naznačen time, što te tri faze postupka (P1, P2, P3) obrazuju zatvoreni ciklus,

pri čemu se pirolizni gas (M22) prve faze postupka (P1) sprovodi u drugu fazu postupka (P2), gde se u drugoj fazi postupka kiseonik (M31) i, ako je poželjno, procesna para (M50), uduvavaju u užaren sloj formiran od piroliznog koksa (M21),

gde se pirolizni gas (M22) uduvava prostorno razdvojeno od tačke ulaska kiseonika u gasnu fazu iznad užarenog sloja, gde se višeatomski molekuli sadržani u piroliznom gasu krekuju i razgrađuju, pri čemu je temperatura u drugoj fazi postupka 850°C ili viša, i pri čemu pirolizni koks i pirolizni gas ostaju u drugoj fazi postupka najmanje 2 sekunde,

gde se sintezni gas (M24) iz druge faze postupka (P2) sprovodi u treću fazu postupka (P3), a višak gasa (M25) iz treće faze postupka (P3) sprovodi se kao reciklujući gas u prvu fazu postupka (P1).

2. Postupak prema zahtevu 1, naznačen time, što se vodonik (M32) dovodi, poželjno u treću fazu postupka (P3).

3. Postupak prema zahtevu 1 ili 2, naznačen time, što se ugljendioksid (M33) dovodi poželjno u prvu fazu postupka (P1) ili drugu fazu postupka (P2).

4. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što postoji pad pritiska duž ciklusa.

5. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se toplotna energija za reakcije pirolize u prvoj fazi postupka (P1) obezbeđuje delimično ili potpuno vraćanjem dela (M24b) vrelog sinteznog gasa iz druge faze postupka (P2) u prvu fazu postupka (P1), i/ili delimičnom oksidacijom ugljeničnog polaznog materijala (M11) i dobijenog piroliznog koksa (M21).

6. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se prva faza postupka (P1) izvodi na temperaturi između 300 i 800 °C, poželjno između 450 i 700 °C, i naročito poželjno između 500

4

i 600 °C.

7. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se za reakciju gasifikacije u drugoj fazi postupka (P2) primenjuju kiseonik (M31) i/ili para (M50) i/ili ugljendioksid (M33) kao agens za gasifikaciju.

8. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se, u drugoj fazi postupka (P2), toplotna energija potrebna za reakciju gasifikacije dovodi delimično ili potpuno od spolja, na primer zagrevnim uređajem i/ili izmenjivačem toplote; i/ili se proizvodi oksidacijom dela piroliznog koksa (M21) oksidacionim agensom, naročito kiseonikom (M31).

9. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se druga faza postupka (P2) izvodi na temperaturi između 600 i 1600 °C, poželjno između 700 i 1400 °C, a naročito poželjno između 850 i 1000 °C.

10. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se prva faza postupka (P1) i/ili druga faza postupka (P2) izvodi na pritisku između 1 i 60 bar, poželjno između 5 i 25 bar, a naročito poželjno između 10 i 15 bar.

11. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se prva faza postupka (P1) i druga faza postupka (P2) izvode u istom reaktoru pod pritiskom (A24).

12. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što se električna i/ili mehanička energija (E2) proizvodi (C11, C31) oksidacijom ugljovodonika i/ili metanola (M61) iz treće faze postupka (P3) do oksidacionog gasa (M27) koji se suštinski sastoji od ugljendioksida i vode.

13. Postupak prema zahtevu 12, naznačen time, što se čist kiseonik (M31) primenjuju kao oksidacioni agens.

14. Postupak prema zahtevu 12 ili 13, naznačen time, što se voda iz oksidacionih gasova (M27) kondenzuje i/ili izdvaja.

15. Postupak prema bilo kom od zahteva 12 do 14, naznačen time, što se najmanje deo oksidacionih gasova (M27) ponovo vraća u prvu fazu postupka (P1) i/ili drugu fazu postupka (P2) i/ili treću fazu postupka (P3) ovog postupka za iskorišćavanje.

16. Postupak prema bilo kom od zahteva 1 do 15, naznačen time, što se proizvodi električna i/ili mehanička energija (E1) hlađenjem sinteznog gas (M24) u izmenjivaču toplote (A44, A46), pri čemu nastaju para (M50, M50, M51, M52) i/ili drugi vreo gas, iz kojeg se pomoću mašine na toplotnu energiju (A62), poželjno parna turbina, proizvodi električna i/ili mehanička energija (E1).

17. Uređaj (Z) za proizvodnju energije (E1, E2, E4) i/ili ugljovodonika i i metanola (M60, M61) iskorišćavanjem ugljeničnih materijala (M10, M11) bez emisije ugljendioksida u atmosferu, sa postrojenjem za iskorišćavanje (A) koje obuhvata jedinicu za iskorišćavanje (AB)

sa prvom podjedinicom (AC, P1) za izvođenje pirolize ugljeničnih materijala (M11) radi formiranja piroliznog koksa (M21) i piroliznog gasa (M22);

drugom podjedinicom (AD, P2) za izvođenje gasifikacije piroliznog koksa (M21) u užarenom sloju na temperaturi od 850 °C ili višoj radi formiranja sinteznog gasa (M24) i ostataka (M91, M92, M93, M94); i trećom podjedinicom (AE, P3) za izvođenje konverzije sinteznog gasa (M24) u fazi Fischer-Tropsch sinteze ili fazi sinteze metanola u tečnoj fazi, u ugljovodonike i/ili metanol (M60, M61);

naznačen time, što su sve tri podjedinice (AC, AD, AE) jedinice za iskorišćavanje (AB) gas-nepropusno zatvorene i obrazuju zatvoreni ciklus;

što transportni vod piroliznog gasa (M22) spaja prvu podjedinicu (AC, P1) na pritisak-nepropusan način sa drugom podjedinicom (AD, P2), pri čemu mesto ulaska piroliznog gasa u drugu podjedinicu u gasnoj fazi leži iznad užarenog sloja formiranog od piroliznog koksa (M21);

što su u drugoj podjedinici obezbeđena sredstva za uduvavanje kiseonika(M31) i, ako je poželjno, procesne pare (M50) u užareni sloj formiran od piroliznog koksa, pri čemu je mesto ulaska piroliznog gasa prostorno razdvojeno od tačke ulaska kiseonika;

što transportni vod za sintezni gas (M24) spaja drugu podjedinicu (AD, P2) na pritisak-nepropusan način sa trećom podjedinicom (AE, P3); i

što transportni vod za reciklujući gas (M25) spaja treću podjedinicu (AE, P3) na pritisak-nepropusan način sa prvom podjedinicom (AC, P1).

18. Uređaj prema zahtevu 17, naznačen time, što je najmanje jedan kompresor (A41, A42, A43) postavljen duž najmanje jednog od pomenutih transportnih vodova jedinice za iskorišćavanje (AB).

19. Uređaj prema zahtevu 17 ili 18, naznačen time, što svaka od podjedinica (AC, AD, AE) jedinice za iskorišćavanje (AB) obuhvata jedan ili više reaktora pod pritiskom (A14, A22, A24).

4

20. Uređaj prema bilo kom od zahteva 17 do 19, naznačen time, što prva podjedinica (AC) i druga podjedinica (AD) jedinice za iskorišćavanje (AB) obuhvataju zajednički reaktor pod pritiskom (A24).

21. Uređaj prema bilo kom od zahteva 17 do 20, naznačen energetskim postrojenjem (C) koje je postavljeno za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije (E2) i/ili toplotne energije primenom ugljovodonika i/ili metanola iz postrojenja za iskorišćavanje (A), kao goriva (M61).

22. Uređaj prema zahtevu 21, naznačen time, što je energetsko postrojenje (C) predviđeno sa pogonskim uređajem (C11) za proizvodnju (C31) električne i/ili mehaničke energija (E2) iz goriva (M61), pri čemu pomenuti pogonski uređaj (C11) obuhvata energiju potrebnu za pogon iz oksidacije goriva (M61) do oksidacionog gasa (M27) koji se suštinski sastoji od ugljendioksida i vode, i obuhvata uređaj za komprimovanje (C13) i/ili kondenzovanje (C12) oksidacionog gasa (M27).

23. Uređaj prema zahtevu 22, naznačen time, što se pogonski uređaj (C11) energetskog postrojenja (C) pogoni čistim kiseonikom (M31) kao oksidacionim agensom.

24. Uređaj prema zahtevu 22 ili 23, naznačen time, što pogonski uređaj (C11) energetskog postrojenja (C) obuhvata izmenjivač toplote (C12) za hlađenje struje oksidacionog gasa (M27), pre i/ili posle uređaja (C13) za komprimovanje i/ili kondenzovanje oksidacionog gasa (M27).

25. Uređaj prema bilo kom od zahteva 22 do 24, naznačen time, što pogonski uređaj (C11) energetskog postrojenja (C) obuhvata uređaj za kondenzovanje i/ili izdvajanje vode (M41) iz oksidacionog gasa (M27).

26. Uređaj prema bilo kom od zahteva 22 do 25, naznačen time, što je u pogonskom uređaju (C11) energetskog postrojenje (C) predviđen spremnik (BB) za sakupljanje oksidacionog gasa (M27), odnosno zaostalog gasa (M26), posle komprimovanja i/ili kondenzovanja oksidacionog gasa (M27).

27. Uređaj prema bilo kom od zahteva 22 do 26, naznačen time, što je pogonski uređaj (C11) energetskog postrojenja (C) pogonska mašina za sagorevanje, sa najmanje jednom komorom za sagorevanje (C21) za sagorevanje tečnog ili gasovitog goriva (M61) sa kiseonikom (M31), sa sredstvima (C21, C30) za konvertovanje nastalog pritiska gasa ili zapremine gasa u mehanički rad, sa uređajem za napajanje (C27) za uvođenje kiseonika (M31) u komoru za sagorevanje (C21), i sa ventilacionim uređajem (C24) za uklanjanje oksidacionih gasova (M27) iz komore za sagorevanje (C21).

28. Uređaj prema zahtevu 27, naznačen time, što je pogonski uređaj (C11) energetskog postrojenja (C) predviđen sa uređajem za napajanje (C28) za uvođenje vode (M40) i/ili pare (M50) u komoru za sagorevanje (C21), i/ili u struju oksidacionog gasa (M27) posle izlaska iz komore za sagorevanje (C21).

29. Uređaj prema bilo kom od zahteva 17 do 28, naznačen time, što postrojenje za iskorišćavanje (A) obuhvata energetsku jedinicu (AF) za proizvodnju električne i/ili mehaničke energije (E1), sa najmanje jednim pogonskim uređajem (A61) za proizvodnju (A64) električne i/ili mehaničke energije (E1) iz pare (M50, M50, M51, M52) i/ili drugih vrelih gasova koji su proizvedeni ili pregrejani u jedinici za iskorišćavanje (AB).

30. Uređaj prema zahtevu 29, naznačen time, što energetska jedinica (AF) postrojenja za iskorišćavanje (A) obuhvata pogonski uređaj (A61) za proizvodnju (A64) električne i/ili mehaničke energije (E1) iz pare (M50, M50, M51, M52) ili drugih vrelih gasova koji su proizvedeni ili pregrejani u jedinici za iskorišćavanje (AB); i što je u ciklusu jedinice za iskorišćavanje (AB) predviđen najmanje jedan izmenjivač toplote (A44, A45, A32) za zagrevanje pare (M51, M52) i/ili drugih gasova i/ili za proizvodnju pare (M50, M50).

31. Uređaj prema bilo kom od zahteva 17 do 30, naznačen postrojenjem (D) za proizvodnju vodonika (M32), i sredstvom za dovođenje vodonika u jedinicu za iskorišćavanje (AB).

4