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JP2024515017A - Method and apparatus for reducing combustible gas pollutants - Patents.com - Google Patents

Method and apparatus for reducing combustible gas pollutants - Patents.com Download PDF

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JP2024515017A
JP2024515017A JP2023556578A JP2023556578A JP2024515017A JP 2024515017 A JP2024515017 A JP 2024515017A JP 2023556578 A JP2023556578 A JP 2023556578A JP 2023556578 A JP2023556578 A JP 2023556578A JP 2024515017 A JP2024515017 A JP 2024515017A
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JP2023556578A
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ロレンゾ・ペゾーラ
ヴァレリオ・マガロッティ
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Yanmar Holdings Co Ltd
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Abstract

可燃性ガス(G)の汚染物質を低減する方法(100)であって、少なくとも空気(A)及び可燃性ガス(G)を含むリーン混合ガス(GM)を生成すること(S101)と、第1の動作段階(P1)の間に触媒プロセス(CP)によりリーン混合ガス(GM)を完全酸化させて、排ガス(EG)を得ること(S102)と、少なくとも空気(A)及び可燃性ガス(G)を含むリッチ混合ガス(GM)を生成すること(S103)と、第2の動作段階(P2)の間に触媒プロセス(CP)によりリッチ混合ガス(GM)を部分酸化させて、好ましくは熱及び電力の生産のための清浄な可燃性ガス(CG)を得ること(S104)と、を含む方法。A method (100) for reducing pollutants of a combustible gas (G), comprising: generating (S101) a lean mixture (GM) comprising at least air (A) and a combustible gas (G); fully oxidizing the lean mixture (GM) by a catalytic process (CP) during a first operating phase (P1) to obtain an exhaust gas (EG) (S102); generating (S103) a rich mixture (GM) comprising at least air (A) and a combustible gas (G); and partially oxidizing (S104) the rich mixture (GM) by a catalytic process (CP) during a second operating phase (P2) to obtain a clean combustible gas (CG) preferably for the production of heat and power.

Description

本発明は、特に可燃性ガスを含む混合ガスにおける汚染物質を低減するための方法に関する。本発明はまた、上記方法を用いるための対応する装置、及びその装置を含むシステムに関する。 The present invention relates to a method for reducing contaminants in a gas mixture, particularly one containing a combustible gas. The present invention also relates to a corresponding apparatus for using said method, and to a system including said apparatus.

バイオマスガス化技術は、木材や農業廃棄物などの乾燥した固体バイオマスを可燃性ガスに転換する熱化学プロセスをベースとするものである。木ガスや合成ガスとしても知られるこの可燃性ガスは、内燃機関(ICE)の燃料として使用でき、その化学エネルギーは機械、電気、熱エネルギーに変換される。 Biomass gasification technology is based on a thermochemical process that converts dry solid biomass, such as wood or agricultural waste, into combustible gas. This combustible gas, also known as wood gas or syngas, can be used as fuel in internal combustion engines (ICEs) and its chemical energy is converted into mechanical, electrical and thermal energy.

合成ガスは、低位発熱量(LHV)が4~6MJ/Nm3の範囲になり得るので、通常は低発熱量燃料と定義される。さらに、ガス化反応装置の熱化学的条件やバイオマス燃料自体の質に従って、動作中にガス組成が変化する可能性がある。 Syngas is usually defined as a low heating value fuel since its lower heating value (LHV) can range from 4 to 6 MJ/Nm3. Furthermore, the gas composition can change during operation according to the thermochemical conditions of the gasification reactor and the quality of the biomass fuel itself.

バイオマスガス化から生成される合成ガスに関する重要な臨界事項は、タールと呼ばれる重縮合性有機化合物により本質的に汚染されていることである。平均タール濃度は、採用する反応装置技術に従って0.1~50g/Nm3の範囲で変化し得る。タール濃度は、ガス化システムが動作する2つの段階、すなわち始動・停止段階と定常状態段階とに大きく依存する。 An important criticality regarding the synthesis gas produced from biomass gasification is that it is inherently contaminated with polycondensable organic compounds called tars. The average tar concentration can vary from 0.1 to 50 g/Nm3 depending on the reactor technology employed. The tar concentration is highly dependent on the two phases in which the gasification system operates: start-up/shutdown phase and steady-state phase.

始動及び停止段階の間は、木ガスのタール濃度が高いので、ガスはICEの燃焼に適さない。そのためガスは、一般にフレアスタックに代表される二次燃焼設備に転送される。その目的は、ガスを完全に燃焼させて法規制による排出レベルに適合させることである。 During the start-up and shutdown phases, the high tar content of wood gas makes the gas unsuitable for combustion in an ICE. The gas is therefore diverted to a secondary combustion facility, usually a flare stack, with the aim of completely combusting the gas to comply with legal emission levels.

定常状態段階の間は、木ガスのタール濃度が低い(ゼロではない)ので、ガスはICEに転送され、電力及び熱出力を生み出すための燃料として使用される。タール濃度は、耐久性及び信頼性のあるICEの運転にとって重要な臨界事項であるから、汚染物質は通常、特定の濾過設備によって除去される。 During the steady-state phase, the tar concentration of wood gas is low (but not zero), so the gas is transferred to the ICE and used as fuel to generate electrical and thermal power. As the tar concentration is a critical issue for the durable and reliable operation of the ICE, the contaminants are usually removed by specific filtration equipment.

可燃性ガス内の汚染物質を低減するための先行技術による解決策の多くは、高価(特に運転コストに関して)であったり、数個の部品や構成要素からなるシステムを使用するので複雑であったりする。 Many of the prior art solutions for reducing contaminants in combustible gases are expensive (especially in terms of operating costs) or complex using systems consisting of several parts and components.

そこで本発明の目的は、可燃性ガス内の汚染物質を低減する方法及び装置であって、容易に実施できるとともに、熱及び電力の生産や他の目的で使用される清浄な可燃性ガスを効率的に生成できる、方法及び装置を提供することにある。 The object of the present invention is to provide a method and apparatus for reducing contaminants in combustible gases that is easy to implement and that efficiently produces clean combustible gases for use in heat and power production and other purposes.

この目的は、可燃性ガスの汚染物質を低減する方法であって、少なくとも空気及び可燃性ガスを含むリーン混合ガスを生成することと、第1の動作段階の間に触媒プロセスによりリーン混合ガスを完全酸化させて、排ガスを得ることと、を含む方法によって解決される。この方法はまた、少なくとも空気及び可燃性ガスを含むリッチ混合ガスを生成することと、第2の動作段階の間に触媒プロセスによりリッチ混合ガスを部分酸化させて、好ましくは熱及び電力の生産のための清浄な可燃性ガスを得ることと、を含む。 This object is solved by a method for reducing contaminants in a combustible gas, comprising generating a lean mixture comprising at least air and a combustible gas, and fully oxidizing the lean mixture by a catalytic process during a first operating phase to obtain exhaust gas. The method also comprises generating a rich mixture comprising at least air and a combustible gas, and partially oxidizing the rich mixture by a catalytic process during a second operating phase to obtain clean combustible gas, preferably for heat and power production.

これにより、対応する単一の触媒装置を用いる触媒プロセスを、異なる2つの動作段階において汚染物質除去アプローチとして使用できる。特に第1の動作段階では、触媒による酸化で混合ガスは完全に燃焼され、第2の動作段階では、触媒プロセスにより混合ガスは清浄化され、すなわち汚染物質が低減される。2つの動作段階における酸化プロセスに使用される触媒装置は本質的に同じであるが、プロセス条件は異なる。実際に、第1の動作段階では触媒プロセスはリーン混合ガスに対し行われる一方、第2の動作段階では触媒プロセスはリッチ混合ガスに対し行われる。有利なことに、第1段階で混合ガスを完全酸化するとともに第2段階で汚染物質を除去するために同じ触媒装置を使用することで、この方法は、汚染物質による可燃性ガスの清浄化を必要とするシステムの運転費用及び資本支出の双方を削減できる。 This allows the catalytic process with a single corresponding catalytic device to be used as a pollutant removal approach in two different operating phases. In particular, in the first operating phase, the mixture is completely combusted by catalytic oxidation, and in the second operating phase, the mixture is purified, i.e., pollutants are reduced, by the catalytic process. The catalytic devices used for the oxidation process in the two operating phases are essentially the same, but the process conditions are different. Indeed, in the first operating phase, the catalytic process is performed on a lean mixture, while in the second operating phase, the catalytic process is performed on a rich mixture. Advantageously, by using the same catalytic device for completely oxidizing the mixture in the first operating phase and for removing pollutants in the second operating phase, this method reduces both the operating costs and the capital expenditures of systems that require the purification of combustible gases by pollutants.

希薄燃焼又はリーンバーンとは、内燃機関又は汎用燃焼室において、空気過剰(可燃性ガスに対する空気の比率で考えたとき)の状態でのガスの燃焼工程をいう。一方、リッチ燃焼又はリッチバーンとは、内燃機関又は汎用燃焼室において、空気不足(可燃性ガスに対する空気の比率で考えたとき)の状態でのガスの燃焼工程をいう。 Lean combustion or lean burn refers to the gas combustion process in an internal combustion engine or general-purpose combustion chamber with an excess of air (when considered in terms of the ratio of air to combustible gas). On the other hand, rich combustion or rich burn refers to the gas combustion process in an internal combustion engine or general-purpose combustion chamber with a shortage of air (when considered in terms of the ratio of air to combustible gas).

実施形態によれば、可燃性ガスは、ガス化システム又はガス化装置におけるガス化プロセスにより生成される合成ガスであり得る。例えば、合成ガスは木ガスであり得る。第1の動作段階は、ガス化システムの始動段階及び/又は停止段階に対応でき、第2の動作段階は、ガス化システムの定常状態段階であることができる。特に、リーン混合ガスでは可燃性ガスに対する空気の比率が1よりも高く、リッチ混合ガスでは可燃性ガスに対する空気の比率が1よりも低い。これにより、ガス化システムの始動段階及び/又は停止段階の間に触媒プロセスによって完全酸化が行われ、定常状態段階の間に触媒プロセスによって部分酸化による汚染物質除去が行われる。その結果、清浄ガスが生成され、内燃機関への供給に使用できる。 According to an embodiment, the combustible gas may be a synthesis gas produced by a gasification process in a gasification system or gasifier. For example, the synthesis gas may be wood gas. The first operating phase may correspond to a start-up phase and/or a shut-down phase of the gasification system, and the second operating phase may be a steady-state phase of the gasification system. In particular, a lean mixture has an air to combustible gas ratio higher than 1, and a rich mixture has an air to combustible gas ratio lower than 1. This results in a complete oxidation by catalytic processes during the start-up phase and/or shut-down phase of the gasification system, and in a partial oxidation decontamination by catalytic processes during the steady-state phase. As a result, a clean gas is produced and can be used to feed the internal combustion engine.

特に、空気過剰係数λは、化学量論的空気対可燃性ガス比に対する混合ガスの実際の空気対可燃性ガス比の割合として定義できる。空気過剰係数λが1よりも大きいことは空気が多すぎることを意味する。一方、空気過剰係数λが1より小さいことは、全ての可燃性ガスが燃焼するための十分な空気が無いことを意味する。 In particular, the air excess factor λ can be defined as the ratio of the actual air-to-flammable gas ratio of the mixture to the stoichiometric air-to-flammable gas ratio. An air excess factor λ greater than 1 means there is too much air. On the other hand, an air excess factor λ less than 1 means there is not enough air for all the flammable gases to burn.

本方法に従って処理される汚染物質は、可燃性ガス内のタールであり得る。第2の動作段階の間の触媒プロセスによるリッチ混合ガスの高温度は、汚染物質すなわちタールの分解を決定づけることができる。汚染物質すなわちタールの分解に従って、長鎖炭化水素は軽質炭化水素のようなさらに単純な分子に分解される。 The pollutants treated according to the method may be tars in the combustible gas. The high temperature of the rich gas mixture due to the catalytic process during the second operating stage may determine the decomposition of the pollutants, i.e., tars. Following the decomposition of the pollutants, i.e., tars, the long chain hydrocarbons are broken down into simpler molecules such as light hydrocarbons.

本発明の方法は、必ずしもバイオマスガス化に関連しない他の工業プロセスや石油・天然ガスプロセスにも有利に使用できる。この方法は、プロセス動作パラメータに従って、時間的に可変の組成を有する廃ガス流を生成する全てのシステムに使用できる。 The method of the present invention can also be advantageously used in other industrial processes not necessarily related to biomass gasification, as well as in oil and natural gas processes. The method can be used in all systems that produce a waste gas stream with a time-variable composition according to process operating parameters.

本方法は、リーン混合ガス及び/又はリッチ混合ガスの酸化を動作期間にわたって制御するステップを含む。言い換えれば、酸化を反応装置の径方向に変化させることで反応装置の触媒表面に沿った均一な空間的酸化を得る先行技術の解決策と異なり、本方法では酸化が時間と共に変化する。これにより、ガス品質の低い過渡的な動作期間(始動及び停止)に対処できる。この期間では完全酸化はプラス効果があるとみなされるのに対し、他の期間(例えば定常状態段階)では完全酸化はエネルギー損失をもたらすと考えられる。ここで「完全酸化」という表現は、必要な酸素の全てを(それ以上でも以下でもなく)燃焼のために使用できることを意図している。酸素が、(先行技術では通例であるように)空間的に分布しているだけで、空間的に均一でありながら(本方法のように)時間的に分布していない場合、燃焼は、必要な酸素がより少ない量(例えば半分)又はより多い量(例えば倍)であっても起こり得る。 The method includes controlling the oxidation of the lean and/or rich gas mixture over the operation period. In other words, unlike the prior art solutions where the oxidation is varied radially in the reactor to obtain uniform spatial oxidation along the catalyst surface of the reactor, in the present method the oxidation varies over time. This allows for transient operation periods (start-up and shutdown) where the gas quality is low, during which complete oxidation is considered to be beneficial, whereas in other periods (e.g. steady state phase) complete oxidation is considered to result in energy losses. The expression "complete oxidation" here intends that all the required oxygen (no more, no less) is available for combustion. If the oxygen is only distributed spatially (as is customary in the prior art) and not distributed spatially uniformly in time (as in the present method), combustion can occur even with less (e.g. half) or more (e.g. double) the amount of oxygen required.

本方法は、第1段階の間の触媒酸化のような触媒プロセスの制御、又は第2段階の間の汚染物質除去としての制御が、空気流の適応調節によって得られる、二重目的の解決プロセスである。 This method is a dual purpose solution process where control of the catalytic process, such as catalytic oxidation during the first stage, or control of the pollutant removal during the second stage, is obtained by adaptive adjustment of the air flow.

したがって実施形態では、本方法は、第1の動作段階及び/又は第2の動作段階の間の空気流をアクティブ調節するステップであって、第1の動作段階の間の空気流が第2の動作段階の間の空気流とは異なるものであるステップを含む。特に本方法は、第1の動作段階の間の第1の気流モードと第2の動作段階の間の第2の気流モードとを自動的に切り替えるステップを含むことができる。 Thus, in an embodiment, the method includes a step of actively adjusting the airflow during a first operational phase and/or a second operational phase, where the airflow during the first operational phase is different from the airflow during the second operational phase. In particular, the method may include a step of automatically switching between a first airflow mode during the first operational phase and a second airflow mode during the second operational phase.

以下でさらに詳細に説明するように、空気流制御は本質的に、第1及び第2の動作段階の間、温度を所定範囲の値に維持する機能を果たす。第1の動作段階では、可燃性ガスの可燃要素を酸化するとともに汚染物質含有量を低減するために、ガスは、触媒基材上で触媒プロセスを用いて完全に酸化される。この酸化は,希薄燃焼混合物(λ>1)内で行われ,このときに噴射される空気は化学量論的量を上回る。空気噴射制御は、混合ガスを希薄化するとともに最適酸化温度を例えば450~550℃の所定範囲に保つために、最適化される。触媒酸化の最善の結果は、汚染化合物濃度が最小で結果として環境影響の小さい完全酸化ガスである。第1の動作段階で触媒プロセスにより生じるガスはシステムの外に排出され、熱及び電力の生産に使用されることはないが、排ガスの排出規制には適合するものである。第2の動作段階では触媒プロセスの目的は、汚染物質(例えばタール)の割合を下げることである。汚染物質の濃度を低減するために、噴射空気は化学量論比よりも低く(λ<1)設定される。またこの段階では、空気噴射は、混合物の部分酸化を最適化するとともに最適温度を例えば450~550℃の所定範囲に保つために、制御される。触媒転換の最善の結果は、汚染物質濃度が低く残留熱量の高いガスであって、これは例えば内燃機関や他の装置による熱及び電力の生産に適するものである。 As will be explained in more detail below, the air flow control essentially serves to maintain the temperature at a predetermined range of values during the first and second operating phases. In the first operating phase, the gas is fully oxidized using a catalytic process on a catalytic substrate in order to oxidize the combustible elements of the combustible gas and reduce the pollutant content. This oxidation takes place in a lean combustion mixture (λ>1) with more than stoichiometric amounts of injected air. The air injection control is optimized to keep the mixture lean and the optimum oxidation temperature in a predetermined range, for example 450-550°C. The best result of catalytic oxidation is a fully oxidized gas with a minimum concentration of polluting compounds and thus a low environmental impact. The gases resulting from the catalytic process in the first operating phase are discharged outside the system and are not used for the production of heat and power, but still comply with exhaust gas emission regulations. In the second operating phase, the purpose of the catalytic process is to reduce the proportion of pollutants (e.g. tar). In order to reduce the concentration of pollutants, the injected air is set lower than the stoichiometric ratio (λ<1). Also at this stage, the air injection is controlled to optimize the partial oxidation of the mixture and to keep the optimum temperature within a predetermined range, e.g., 450-550°C. The best outcome of catalytic conversion is a gas with low pollutant concentration and high residual heating value, suitable for the production of heat and power, e.g., by an internal combustion engine or other device.

一例では、本方法はさらに、空気流を最小値と最大値との間でアクティブ調節することを含み、このときの最小値はゼロ空気挿入に相当する。特に、本方法はさらに、第1の動作段階及び/又は第2の動作段階の間に、空気挿入無しの還元気流モードと空気挿入有りの酸化気流モードとを切り替えるステップを含むことができる。空気挿入無しの(すなわち還元)気流モードから空気挿入有りの(すなわち酸化)気流モードへ切り替える適応性は、ガス化において重要なことと考えられる。実際に、ガスパラメータ(すなわち温度、低位発熱量など)は動作時間の間に変化する。このことは、先行技術の他の方法と比較して、本方法に付加価値を与えている。 In one example, the method further comprises actively adjusting the airflow between a minimum and a maximum value, where the minimum value corresponds to zero air insertion. In particular, the method may further comprise switching between a reducing airflow mode without air insertion and an oxidizing airflow mode with air insertion during the first and/or second operation phases. The flexibility to switch from a reducing airflow mode without air insertion (i.e. reducing) to an oxidizing airflow mode with air insertion (i.e. oxidizing) is considered to be important in gasification. Indeed, gas parameters (i.e. temperature, low heating value, etc.) change during the operation time. This gives the method added value compared to other methods of the prior art.

実施形態によれば、本方法は、第1の動作段階の間の空気流を調整して、空気と可燃性ガスとの比を1よりも高く、好ましくは3から5の間、最も好ましくは4に等しく維持するステップを含む。 According to an embodiment, the method includes adjusting the airflow during the first operational phase to maintain an air to combustible gas ratio greater than 1, preferably between 3 and 5, and most preferably equal to 4.

実施形態によれば、本方法は、第2の動作段階の間の空気流を調整して、空気と可燃性ガスとの比を1よりも低く、好ましくは0から0.5の間、最も好ましくは0.3に等しく維持するステップを含む。 According to an embodiment, the method includes adjusting the airflow during the second operating phase to maintain an air to combustible gas ratio lower than 1, preferably between 0 and 0.5, and most preferably equal to 0.3.

触媒プロセスの間の温度変化を制御するために、実施形態では、本方法は、混合ガスが触媒プロセスにより酸化された後に、混合ガスの温度値を測定するステップを含む。特に、触媒プロセスの間の温度値を、予め定めた範囲、すなわち最低温度値Tminと最高温度値Tmaxとの間に維持する必要がある。最低温度値Tminは、汚染物質が減少し始める温度であり、例えば、長鎖炭化水素が軽質炭化水素のようなさらに単純な分子に分解し始める温度である。Tminよりも低い温度では、汚染物質濃度は低下せず、触媒プロセスがガスの清浄化に何の効果も発揮しないことは明らかである。この温度値は、汚染物質の種類や触媒プロセスに使用される触媒材料に依存し得る。 To control the temperature change during the catalytic process, in an embodiment, the method includes a step of measuring the temperature value of the mixed gas after it has been oxidized by the catalytic process. In particular, the temperature value during the catalytic process needs to be maintained within a predetermined range, namely between a minimum temperature value Tmin and a maximum temperature value Tmax. The minimum temperature value Tmin is the temperature at which the pollutants start to decrease, for example the temperature at which long-chain hydrocarbons start to break down into simpler molecules such as lighter hydrocarbons. At temperatures below Tmin, the pollutant concentration does not decrease and it is clear that the catalytic process has no effect on the purification of the gas. This temperature value may depend on the type of pollutant and the catalyst material used in the catalytic process.

最高温度値Tmaxは、触媒プロセスで用いられる触媒基材の溶融温度である。Tmaxよりも高い温度では、触媒プロセスに使用される触媒装置はもはや使用不可であり、酸化プロセスが起こらないことは明らかである。溶融温度に達する前に、装置はいわゆる材料ストレス温度Tstressに到達できる。材料ストレス温度Tstressは、触媒材料が、触媒プロセスに使用される触媒装置の性能を落とすように損耗し始める温度である。したがって、触媒プロセスの間の温度値は、Tmin<Tstress<Tmaxとして、TminとTmaxとの範囲内、好ましくはTminとTstressとの範囲内に維持される必要がある。実施形態によれば、触媒プロセスの間の温度値は400℃と550℃との範囲内に維持する必要があり、ここでTminは約400℃、Tmaxは約550℃、Tstressは約500℃である。 The maximum temperature value Tmax is the melting temperature of the catalytic substrate used in the catalytic process. At temperatures higher than Tmax, the catalytic device used in the catalytic process is no longer usable and it is clear that no oxidation process takes place. Before reaching the melting temperature, the device can reach a so-called material stress temperature Tstress. The material stress temperature Tstress is the temperature at which the catalytic material starts to wear out in such a way that the performance of the catalytic device used in the catalytic process is reduced. Therefore, the temperature values during the catalytic process must be maintained within the range Tmin and Tmax, preferably within the range Tmin and Tstress, where Tmin<Tstress<Tmax. According to an embodiment, the temperature values during the catalytic process must be maintained within the range 400°C and 550°C, where Tmin is about 400°C, Tmax is about 550°C and Tstress is about 500°C.

温度値が最高温度値(Tmax)よりも高い場合、本方法は、空気流を管理するステップを含む。前述したように、最高温度値(Tmax)は触媒プロセスで用いられる触媒基材の溶融温度である。温度値が最低温度値(Tmin)よりも低い場合、本方法は、加熱プロセスを稼働させるとともに制御ヒステリシスを所定温度範囲(Trange)に設定するステップを含む。前述したように、最低温度値(Tmin)は汚染物質が減少し始める温度である。実施形態によれば、Tminは約400℃、Tmaxは約550℃、Trangeは400℃と450℃との間である。 If the temperature value is greater than a maximum temperature value (Tmax), the method includes managing the airflow. As previously described, the maximum temperature value (Tmax) is the melting temperature of the catalytic substrate used in the catalytic process. If the temperature value is less than a minimum temperature value (Tmin), the method includes running the heating process and setting the control hysteresis to a predetermined temperature range (Trange). As previously described, the minimum temperature value (Tmin) is the temperature at which the contaminants begin to decrease. According to an embodiment, Tmin is about 400°C, Tmax is about 550°C, and Trange is between 400°C and 450°C.

本発明の一態様では、可燃性ガスの汚染物質を低減するための装置が提供される。この装置は、有利には、前述した実施形態の1つによる方法で用いられる。 In one aspect of the present invention, there is provided an apparatus for reducing contaminants in a combustible gas, the apparatus being advantageously used in a method according to one of the previously described embodiments.

この装置は、少なくとも空気及び可燃性ガスを含む混合ガスを受ける入口領域と、汚染物質の減少したガスを放出する出口領域と、入口領域の下流かつ出口領域の上流に位置し、触媒プロセスにより混合ガスを部分的又は完全に酸化させる触媒領域と、を有するハウジングを備え、ハウジングはガス化システムに取り外し可能に挿入可能である。特に、第1の動作段階において、触媒領域は混合ガスを完全酸化させるように構成され、第2の動作段階において、触媒領域は混合ガスを部分酸化させるように構成される。また、第1の動作段階では、混合ガスはリーン混合ガスであり、可燃性ガスに対する空気の比率は1よりも高く、第2の動作段階では、混合ガスはリッチ混合ガスであり、可燃性ガスに対する空気の比率は1よりも低い。 The apparatus includes a housing having an inlet region for receiving a gas mixture including at least air and a combustible gas, an outlet region for discharging a contaminant-reduced gas, and a catalyst region downstream of the inlet region and upstream of the outlet region for partially or fully oxidizing the gas mixture by a catalytic process, the housing being removably insertable into the gasification system. In particular, in a first operating phase, the catalyst region is configured to fully oxidize the gas mixture, and in a second operating phase, the catalyst region is configured to partially oxidize the gas mixture. Also, in the first operating phase, the gas mixture is a lean gas mixture, and the ratio of air to combustible gas is greater than 1, and in the second operating phase, the gas mixture is a rich gas mixture, and the ratio of air to combustible gas is less than 1.

有利には、装置は触媒装置、特に触媒コンバータである。複雑な反応装置で触媒手法を実行する先行技術のシステムと比較して、本発明の方法は、使用が簡単でよりコンパクトな装置を用いる。実際に、本装置は市販の(自動車用)触媒装置と同等であり、ガス化システムに対し容易な取り付け及び/又は取り外しが可能なハウジングを備えている。その結果、本装置はコンパクトであり、安価(OPEX及びCAPEXの双方で)であり、順応性があり、メンテナンスが容易である。 Advantageously, the device is a catalytic device, in particular a catalytic converter. Compared to prior art systems that perform catalytic procedures in complex reactors, the method of the present invention uses a device that is simple to use and more compact. In fact, the device is comparable to a commercial (automotive) catalytic device, with a housing that allows easy installation and/or removal from the gasification system. As a result, the device is compact, inexpensive (both OPEX and CAPEX), adaptable and easy to maintain.

実施形態において、触媒領域は触媒基材を備え、触媒基材は好ましくは多段組立体である。触媒基材の材料は一般に、白金族金属(ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金)、ニッケル、及びレニウムである。触媒領域の構造については、触媒材料と汚染物質との接触が最大になるあらゆる構造を使用できるが、熱膨張や機械的耐久性のような他の設計要素も考慮しなければならない。 In an embodiment, the catalytic region comprises a catalytic substrate, which is preferably a multi-stage assembly. The catalytic substrate materials are typically platinum group metals (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum), nickel, and rhenium. The catalytic region may be constructed in any configuration that maximizes contact between the catalytic material and the contaminants, but other design factors such as thermal expansion and mechanical durability must also be considered.

本装置はさらに、入口領域に配置される空気入口と、空気入口から離れて入口領域に配置されるガス入口とを備え、空気入口がファン要素に結合される。 The apparatus further comprises an air inlet disposed in the inlet region and a gas inlet disposed in the inlet region spaced apart from the air inlet, the air inlet being coupled to the fan element.

さらに本装置は、出口領域から放出されたガスを外部に排出する第1の動作段階と、出口領域から放出されたガスを好ましくは熱及び電力の生産のために用いる第2の動作段階との間で切り替えるための制御装置を備えることができる。第1及び第2の動作段階はそれぞれ、混合ガスが完全酸化又は部分酸化される前述した第1及び第2の動作段階に対応する。 The apparatus may further comprise a control device for switching between a first operating phase in which the gas discharged from the outlet region is exhausted to the outside and a second operating phase in which the gas discharged from the outlet region is preferably used for the production of heat and electricity. The first and second operating phases correspond to the above-mentioned first and second operating phases, respectively, in which the mixed gas is fully or partially oxidized.

実施形態によれば、制御装置は、触媒プロセスの間に空気流を制御するように及び/又は温度値を制御するように、構成できる。 According to an embodiment, the control device can be configured to control air flow and/or temperature values during the catalytic process.

混合ガスにおける空気と可燃性ガスとの混合を最大化するために、装置はさらに、入口領域に配置される旋回誘導要素を備えることができる。特に、旋回誘導要素は、入口領域と触媒領域との間に位置する空間に配置できる。 To maximize the mixing of air and combustible gas in the gas mixture, the device may further comprise a swirl-inducing element disposed in the inlet region. In particular, the swirl-inducing element may be disposed in a space located between the inlet region and the catalyst region.

混合ガスの温度値を測定するために、本装置は、少なくとも1つの温度変換器を備える。温度変換器は、制御装置に接続でき、触媒領域の上流及び/又は下流に配置できる。 To measure the temperature value of the mixed gas, the device comprises at least one temperature transducer. The temperature transducer can be connected to the control device and can be located upstream and/or downstream of the catalytic region.

混合ガスの圧力値を測定するために、本装置は、少なくとも1つの圧力変換器を備える。圧力変換器は、制御装置に接続でき、触媒領域の上流及び/又は下流に配置できる。 To measure the pressure value of the mixed gas, the device includes at least one pressure transducer. The pressure transducer can be connected to the control device and can be located upstream and/or downstream of the catalyst region.

混合ガスの組成を測定するために、本装置は、少なくとも1つのガス組成センサを備える。このセンサは、制御装置に接続でき、触媒領域の上流及び/又は下流に配置できる。 To measure the composition of the gas mixture, the device includes at least one gas composition sensor that can be connected to the control device and can be located upstream and/or downstream of the catalyst region.

可燃性ガスに対する空気の比率を測定するために、本装置は、制御装置に接続されるラムダセンサを備える。ラムダセンサは、有利には触媒領域の下流に配置される。 To measure the ratio of air to combustible gas, the device comprises a lambda sensor connected to the control device. The lambda sensor is advantageously positioned downstream of the catalyst area.

温度を変化させるために、装置は、制御装置に接続される加熱素子を備える。特に、加熱素子は、例えば触媒プロセスで用いられる触媒基材に接触して、触媒領域に配置される。 To vary the temperature, the device comprises a heating element connected to the control device. In particular, the heating element is arranged in the catalyst area, for example in contact with a catalytic substrate used in a catalytic process.

実施形態によれば、装置の構成部品は、配管についてはステンレス鋼AISI409(限定せず)から、触媒プロセスで用いられる触媒基材については1.4767(CrAI6)(限定せず)から、作製できる。 According to embodiments, the components of the device can be made from stainless steel AISI 409 (not limited to) for the piping and 1.4767 (CrAI6) (not limited to) for the catalytic substrate used in the catalytic process.

本発明の別の態様では、システム、特にガス化システムが提供される。このシステムは、前述した実施形態のいずれか1つによる装置を備える。 In another aspect of the present invention, there is provided a system, in particular a gasification system, comprising an apparatus according to any one of the previously described embodiments.

本発明の方法及び装置は、異なる動作段階における二重の目的を有する汚染物質除去の手法又はシステムである。 The method and apparatus of the present invention is a contaminant removal technique or system that has a dual purpose at different stages of operation.

第1の動作段階、例えばガス化システムの始動及び/又は停止段階の間、主目的は、触媒装置の使用により酸化が生ずるときの温度を下げることで自由火炎の存在を回避することにある。この動作段階では、木ガスのLHV振動の間に安定反応を生じることができる制御システムによって、燃焼の高度な制御が確立される。この制御は、空気噴射流をλ>1(リーン燃焼条件)の範囲へアクティブ調節することによって得られる。これにより、発熱(高温)領域の容積が減少し、燃焼は室内環境に適した密閉容積内に維持される。 During the first operation phase, e.g. the start-up and/or shutdown phase of the gasification system, the main objective is to avoid the presence of a free flame by lowering the temperature at which oxidation occurs through the use of a catalytic device. In this operation phase, a high degree of control of the combustion is established by a control system capable of producing stable reactions during the LHV oscillations of the wood gas. This control is obtained by actively adjusting the air injection flow to the range λ>1 (lean burning condition). This reduces the volume of the heat generating (high temperature) zone and keeps the combustion in a closed volume suitable for the indoor environment.

第2の動作段階、例えばガス化システムにける定常状態段階の間、主目的は、汚染物質(例えばタール)をより軽質な可燃性ガスに転換することにある。この動作段階では、空気噴射をλ<1(リッチ燃焼条件)の範囲に調節できるアクティブ制御システムによって、汚染物質転換の高度な制御が確立される。これにより、システム、例えばガス化システムの、全体の信頼性が向上し、メンテナンスの必要性が低減される。 During the second operational phase, e.g. the steady state phase in a gasification system, the main objective is to convert pollutants (e.g. tar) to lighter combustible gases. In this operational phase, a high degree of control of the pollutant conversion is established by an active control system that can adjust the air injection in the range λ<1 (rich combustion conditions). This increases the overall reliability of the system, e.g. the gasification system, and reduces the maintenance needs.

第1の動作段階(すなわち始動及び/又は停止段階)の間の酸化プロセスの制御は、外部ヒーターによる最適転換温度の制御と空気噴射流の直接制御との、組み合わせによって確立される。第2の動作段階(すなわち熱電供給のための定常状態段階)が始まると、汚染物質を減らすために、同じ装置がその目標を部分燃焼に変更する。第1の動作段階の目標は、ガスの完全燃焼により可燃性混合物に関する発熱量を放出することであるのに対し、第2の動作段階における目標は、ガスの発熱量をできるだけ一定に保つと同時に、汚染物質(タール)を除去してガスを例えばICEに適したものにすることである。 During the first operating phase (i.e. start-up and/or shutdown phase), the control of the oxidation process is established by a combination of control of the optimum conversion temperature by an external heater and direct control of the air injection flow. When the second operating phase (i.e. steady-state phase for heat and power supply) begins, the same device changes its target to partial combustion in order to reduce pollutants. Whereas the target in the first operating phase is to release the heating value of the combustible mixture by complete combustion of the gas, the target in the second operating phase is to keep the heating value of the gas as constant as possible while at the same time removing the pollutants (tar) to make the gas suitable for e.g. ICE.

図において、本発明の主題は概略的に示されており、同一の又は類似作用の要素には通常は同じ参照符号が付されている。 In the figures, the subject matter of the invention is shown diagrammatically, and elements of identical or similar function are usually provided with the same reference numbers.

実施形態による方法のフローチャートである。1 is a flowchart of a method according to an embodiment. 実施形態による方法の2つの動作段階の機能を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the functionality of two operational stages of a method according to an embodiment. 実施形態による装置の模式図であって、斜視図で示す。FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus according to an embodiment, shown in a perspective view. 実施形態による装置の模式図であって、側面図で示す。FIG. 2 is a schematic diagram of an apparatus according to an embodiment, shown in side view. 実施形態による装置の模式図であって、断面図で示す。1 is a schematic diagram of an apparatus according to an embodiment, shown in cross-section. 実施形態による装置の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an apparatus according to an embodiment. 旋回誘導要素の模式図であって、斜視図で示す。FIG. 2 is a schematic diagram of a swirl-inducing element, shown in a perspective view. 旋回誘導要素の模式図であって、正面図で示す。FIG. 2 is a schematic diagram of a turning-inducing element, shown in a front view. 旋回誘導要素の模式図であって、背面図で示す。FIG. 2 is a schematic diagram of a turning-inducing element, shown in rear view. 実施形態による方法の2つの段階における時間の関数としての温度及びλの変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in temperature and λ as a function of time in two stages of a method according to an embodiment. 本装置の制御要素のブロック図である。FIG. 2 is a block diagram of the control elements of the device. 対応する制御プロセスのフローチャートである。4 is a flow chart of the corresponding control process.

図1を参照すると、可燃性ガスGの汚染物質を低減するための方法100が、概略的なフローチャートで示される。方法100は、方法100が実行される動作段階に基づく異なるステップを提供する。動作段階によるとは、ガス化システムなどの、可燃性ガスGを処理するために使用されるシステムの、動作のモードを意図するものである。 With reference to FIG. 1, a method 100 for reducing contaminants of a combustible gas G is shown in a schematic flow chart. The method 100 provides different steps based on the operational phase in which the method 100 is performed. By operational phase, we mean the mode of operation of a system used to treat the combustible gas G, such as a gasification system.

ステップS101で、リーン混合ガスGMが生成される。この混合ガスGMは少なくとも空気Aと可燃性ガスGとの組み合わせを含む。リーン混合ガスGMは、空気流に作用することによって、すなわち混合ガスGMにおける空気量を増加させることによって生成される。ステップS102で、第1の動作段階P1の間、リーン混合ガスGMは触媒プロセスCPにより完全に酸化される。具体的には、混合ガスGMは触媒基材上で酸化され、発生したガスは排ガスEGとして外部に排出される。これらのステップの間、空気流は、混合ガスGMを希薄化するとともに最適酸化温度を保つために最適化される。方法100がガス化システムで可燃性ガスGを処理するために使用される場合、第1の動作段階P1は始動及び/又は停止段階に相当する。 In step S101, a lean mixture gas GM is generated. This mixture gas GM comprises at least a combination of air A and a combustible gas G. The lean mixture gas GM is generated by acting on the air flow, i.e. by increasing the amount of air in the mixture gas GM. In step S102, during a first operating phase P1, the lean mixture gas GM is completely oxidized by a catalytic process CP. In particular, the mixture gas GM is oxidized on a catalytic substrate and the generated gases are discharged to the outside as exhaust gas EG. During these steps, the air flow is optimized to dilute the mixture gas GM and to maintain an optimal oxidation temperature. If the method 100 is used to treat a combustible gas G in a gasification system, the first operating phase P1 corresponds to a start-up and/or shutdown phase.

ステップS103で、リッチ混合ガスGMが生成される。この混合ガスGMは少なくとも空気Aと可燃性ガスGとの組み合わせを含む。リッチ混合ガスGMは、空気流に作用することによって、すなわち混合ガスGMにおける空気量を減少させることによって生成される。ステップS104で、第2の動作段階P2の間、リッチ混合ガスGMは触媒プロセスCPにより部分的に酸化される。具体的には、混合ガスGMは触媒基材上で酸化され、発生したガスは汚染物質の低減した清浄ガスCGである。これらのステップの間、空気流は、混合ガスGMの部分酸化を最適化するとともに最適酸化温度を保つように制御される。このことは、汚染物質の濃度が最小限に低減され、可燃性ガスGが高い残留発熱量を維持できることを意味する。方法100がガス化システムで可燃性ガスGを処理するために使用される場合、第2の動作段階P2は定常状態段階に相当する。 In step S103, a rich mixture gas GM is generated. This mixture gas GM comprises at least a combination of air A and a combustible gas G. The rich mixture gas GM is generated by acting on the air flow, i.e. by reducing the amount of air in the mixture gas GM. In step S104, during a second operating phase P2, the rich mixture gas GM is partially oxidized by a catalytic process CP. In particular, the mixture gas GM is oxidized on a catalytic substrate and the generated gas is a clean gas CG with reduced pollutants. During these steps, the air flow is controlled to optimize the partial oxidation of the mixture gas GM and to maintain an optimal oxidation temperature. This means that the concentration of pollutants is reduced to a minimum and the combustible gas G can maintain a high residual heating value. If the method 100 is used to process a combustible gas G in a gasification system, the second operating phase P2 corresponds to a steady-state phase.

図2は、2つの動作段階P1及びP2における方法100の適用を示す。 Figure 2 shows the application of method 100 in two operational phases P1 and P2.

第1の動作段階P1では、可燃性ガスGを空気Aと結合して、リーン混合ガスGM、すなわち空気対可燃性ガス比が1よりも高い混合ガスGMを形成する。この混合ガスGMは触媒プロセスCPにより完全酸化され、得られたガスEGは大気中に排出される。排ガスEGは発熱量を有さず、例えば熱生産には使用できない。例えば、可燃性ガスGが約5MJ/Nm3の低位発熱量(LHV)を有する木ガスである場合、排ガスEGはほぼゼロの発熱量、すなわちLHV=0MJ/Nm3を有し得る。 In a first operating phase P1, the combustible gas G is combined with air A to form a lean mixture GM, i.e. a mixture GM with an air to combustible gas ratio higher than 1. This mixture GM is fully oxidized by a catalytic process CP and the resulting gas EG is exhausted to the atmosphere. The exhaust gas EG has no calorific value and cannot be used, for example, for heat production. For example, if the combustible gas G is wood gas with a lower heating value (LHV) of about 5 MJ/Nm3, the exhaust gas EG may have an almost zero calorific value, i.e. LHV = 0 MJ/Nm3.

第2の動作段階P2では、可燃性ガスGを空気Aと結合して、リッチ混合ガスGM、すなわち空気対可燃性ガス比が1よりも小さい混合ガスGMを形成する。この混合ガスGMは、触媒プロセスCPにより部分酸化され、得られた清浄ガスCGは、汚染物質濃度の低減したガスである。清浄ガスCGはなおも発熱量を有し、例えば熱生産に使用でき、内燃機関(ICE)で用いることができる。例えば、可燃性ガスGが約5MJ/Nm3のLHVを有する木ガスである場合、清浄ガスCGは僅かに減少した発熱量、すなわちLHV=4MJ/Nm3を有し得る。 In the second operating phase P2, the combustible gas G is combined with air A to form a rich mixture GM, i.e. a mixture GM with an air to combustible gas ratio less than 1. This mixture GM is partially oxidized by a catalytic process CP, and the resulting clean gas CG is a gas with reduced pollutant concentration. The clean gas CG still has a calorific value and can be used, for example, for heat production, in an internal combustion engine (ICE). For example, if the combustible gas G is wood gas with an LHV of about 5 MJ/Nm3, the clean gas CG may have a slightly reduced calorific value, i.e. LHV=4 MJ/Nm3.

図3A~図3Cは、実施形態による装置10の詳細を示す。装置10は、前述したように、可燃性ガスGの汚染物質を低減する方法100において使用されるように構成される。装置10は基本的に、混合ガスGMを受ける入口領域12と、ガスを放出する出口領域14と、入口領域12と出口領域14との間に位置する触媒領域16とを有するハウジング30を備える。装置10、特にハウジング30は、ガス化システムの反応装置領域の下流に取り付けられ、また下流から取り外されるように構成される。触媒プロセスは、ガス化システムに追加の反応装置を構築する必要なく、このコンパクトな装置10の内部で実行できる。ガス化システムへの装置10の取り付けは、入口領域12をガス化システムの可燃性ガスG供給ライン及び空気A供給ラインに接続するだけで、かつ出口領域14をガス化システムのガス出口ラインに接続することで生じる。 3A-3C show details of the device 10 according to an embodiment. The device 10 is configured for use in the method 100 for reducing contaminants of a combustible gas G, as previously described. The device 10 basically comprises a housing 30 having an inlet area 12 for receiving the mixed gas GM, an outlet area 14 for discharging the gas, and a catalytic area 16 located between the inlet area 12 and the outlet area 14. The device 10, and in particular the housing 30, are configured to be mounted downstream of the reactor area of a gasification system and to be removed downstream from the reactor area. The catalytic process can be carried out inside this compact device 10 without the need to build an additional reactor in the gasification system. The mounting of the device 10 in a gasification system occurs by simply connecting the inlet area 12 to the combustible gas G supply line and the air A supply line of the gasification system, and connecting the outlet area 14 to the gas outlet line of the gasification system.

入口領域12では、可燃性ガスGが空気Aと予混合される。入口領域12の構造及び長さは、混合物の均質性を最大化するとともに、例えば燃焼部(図示せず)からのバックパフやバックファイア現象を回避するために設計される。 In the inlet region 12, combustible gas G is premixed with air A. The structure and length of the inlet region 12 are designed to maximize the homogeneity of the mixture and to avoid, for example, backpuff and backfire phenomena from the combustion section (not shown).

触媒装置の触媒基材は、触媒領域16に配置される。触媒領域16の直径及び長さは、触媒装置への混合ガスGMの滞留時間に従い完全な転換を保証するために最適化される。弱い化学反応の場合、触媒基材の温度は、最適表面温度を所定範囲の値に保つ加熱素子27によって制御できる(特に図6A及び図6Bを参照)。 The catalytic substrate of the catalytic device is arranged in a catalytic area 16. The diameter and length of the catalytic area 16 are optimized to ensure complete conversion according to the residence time of the mixed gas GM in the catalytic device. In case of weak chemical reactions, the temperature of the catalytic substrate can be controlled by a heating element 27 that keeps the optimal surface temperature within a predetermined range of values (see especially Figures 6A and 6B).

出口領域14では、酸化されたガスが装置10から放出され、実施システムの動作段階に応じて排気装置やエンジン、例えばICEに転送される。特に、装置10が第1の動作段階P1又は第2の動作段階P2の間に用いられることに基づき、放出されるガスは、外部に排出されるべき排ガスEGか、或いは熱又は電力の生産のために潜在的に使用される清浄ガスCGである。 In the outlet region 14, the oxidized gas is discharged from the device 10 and transferred to an exhaust system or an engine, e.g., an ICE, depending on the operating phase of the implemented system. In particular, based on whether the device 10 is used during the first operating phase P1 or the second operating phase P2, the discharged gas is either an exhaust gas EG to be discharged to the outside or a clean gas CG, which can potentially be used for the production of heat or electricity.

図3Bは、装置10の側面図であり、図3Cは、線A-Aに沿った図3Bの装置10の縦断面を表す。 Figure 3B is a side view of device 10, and Figure 3C shows a longitudinal cross-section of device 10 of Figure 3B along line A-A.

可燃性ガスGはガス入口13から注入され、空気Aはファン要素15(ここでは図示せず)を介して空気入口11から注入される。ファン要素15は、サブ化学量論的範囲(λ<1)及びオーバー化学量論的範囲(λ>1)の両方で、広範囲の空気対可燃性ガス比(λ)をカバーできる流量を保証するのに役立つ。装置10は、触媒領域16の上流及び下流の双方に配置されるセンサポート17を備える。センサポート17は、温度変換器、圧力変換器、ラムダセンサ及び/又はガス組成分析器などの測定機器を設置するように構成される。 The combustible gas G is injected through the gas inlet 13 and the air A is injected through the air inlet 11 via the fan element 15 (not shown here). The fan element 15 helps to ensure a flow rate that can cover a wide range of air to combustible gas ratios (λ) in both the sub-stoichiometric range (λ<1) and the over-stoichiometric range (λ>1). The apparatus 10 includes sensor ports 17 located both upstream and downstream of the catalyst area 16. The sensor ports 17 are configured to accommodate measuring instruments such as temperature transducers, pressure transducers, lambda sensors and/or gas composition analyzers.

装置10はさらに、触媒領域16の触媒基材の外面に設置される加熱素子27、例えば電気抵抗を備える。加熱素子27は、弱発熱条件の間の最低活性化温度を保証するためのものである。加熱素子27は、サーモスタットのようなローカルコントローラ、又はプログラマブルロジックコントローラ(PLC)のような一般的なシステムコントローラにより制御できる。 The apparatus 10 further includes a heating element 27, e.g., an electrical resistor, disposed on the outer surface of the catalyst substrate of the catalyst area 16. The heating element 27 is for ensuring a minimum activation temperature during mild heating conditions. The heating element 27 can be controlled by a local controller, such as a thermostat, or a general system controller, such as a programmable logic controller (PLC).

図3Cから明らかなように、触媒基材は多段組立体であることができ、これは特に、空隙20によって分離される2段のステージ18、19を有する。多段設計は、可変の可燃性ガス及び空気流量に対して、適切な燃焼度合い及び滞留時間を確保するために採用される。より低いコストでより高い転換効率を確保するために、触媒装置へのガスの滞留時間を長くすることを目標として、2段以上のステージを採用できる。段数及び触媒材料の種類は、必要となるシステム効率の度合いとの関連で選択できる。 As is evident from FIG. 3C, the catalyst substrate can be a multi-stage assembly, specifically having two stages 18, 19 separated by a gap 20. The multi-stage design is employed to ensure appropriate combustion and residence times for variable combustible gas and air flow rates. To ensure higher conversion efficiency at lower cost, more than two stages can be employed with the goal of increasing the residence time of the gas in the catalyst device. The number of stages and type of catalyst material can be selected in relation to the degree of system efficiency required.

有利には、装置10はまた、入口領域12と触媒領域16との間、及び触媒領域16と出口領域14との間に位置する結合部21を備える。結合部21は、複数のねじのような接続手段によって互いに接続される2つの環状面によって実現され、それら環状面の間にシール要素が配置される。結合部21は基本的に、触媒領域16を入口領域12及び/又は出口領域14から取り外すのに役立つ。これは、例えば触媒プロセスに使用される触媒装置を再生又は交換する必要がある場合など、装置10の保守作業にとって極めて有用である。 Advantageously, the device 10 also comprises a connection 21 located between the inlet area 12 and the catalyst area 16 and between the catalyst area 16 and the outlet area 14. The connection 21 is realized by two annular surfaces connected to each other by a connecting means such as a number of screws, between which a sealing element is arranged. The connection 21 essentially serves to remove the catalyst area 16 from the inlet area 12 and/or the outlet area 14. This is extremely useful for maintenance operations of the device 10, for example when a catalytic device used in a catalytic process needs to be regenerated or replaced.

図4Aは、装置10が旋回誘導要素22を追加的に備えることができることを示す。この要素は、好ましくは触媒領域16の入口側で入口領域12に配置される。これにより、空気と可燃性ガスとの混合を最大化して、触媒領域16に入る混合ガスGMの均質燃焼を確保できる。 Figure 4A shows that the device 10 can additionally comprise a swirl-inducing element 22, which is preferably arranged in the inlet region 12 on the inlet side of the catalyst region 16. This allows for maximum mixing of the air and the combustible gas to ensure homogeneous combustion of the mixed gas GM entering the catalyst region 16.

図4B~図4Dに示すように、旋回誘導要素22は、環構造29と、中央の螺旋構造24とから構成される。環構造29には、環構造29の縁に分布する複数の貫通穴23が設けられている。旋回誘導要素22は後面(図4D)に、螺旋構造24を収容する突出リム25を備える。貫通穴23は、入口領域12と触媒領域16との間の結合部21にて旋回誘導要素22を装置10に固定するのに役立つ。このとき突出リム25は入口領域12に配置される。 As shown in Figures 4B-4D, the swirl-inducing element 22 is composed of a ring structure 29 and a central helical structure 24. The ring structure 29 is provided with a number of through holes 23 distributed on the edge of the ring structure 29. The swirl-inducing element 22 has a protruding rim 25 on its rear face (Figure 4D) that accommodates the helical structure 24. The through holes 23 serve to fix the swirl-inducing element 22 to the device 10 at the joint 21 between the inlet area 12 and the catalyst area 16. The protruding rim 25 is then located in the inlet area 12.

図5は、第1及び第2の動作段階の間の、2つのパラメータすなわち温度と空気対可燃性ガス比との変化を示す。前述したように、これらの2つのパラメータは、空気流に従って制御される。 Figure 5 shows the variation of two parameters, namely temperature and air to combustible gas ratio, during the first and second operating phases. As mentioned before, these two parameters are controlled according to the air flow.

第1の動作段階P1、例えば始動及び/又は停止段階では、空気流制御は新鮮な空気を追加することに基づいている。図5に示すように、最小空気流量は、空気対可燃性ガス比λminを4に等しく維持するように調整される。制御温度が500℃の値を超える場合、制御装置26は、装置10への空気流量を増加させるように構成され、それにより可燃性ガスの希薄化を高め、次いで酸化温度を低下させる。 In the first operation phase P1, e.g. the start-up and/or shutdown phase, the airflow control is based on adding fresh air. As shown in FIG. 5, the minimum airflow is adjusted to maintain the air to combustible gas ratio λmin equal to 4. If the control temperature exceeds a value of 500° C., the control device 26 is configured to increase the airflow to the device 10, thereby increasing the rarefaction of the combustible gas and then decreasing the oxidation temperature.

第2の動作段階P2、例えば定常状態段階では、制御は部分燃焼することに基づいている。混合ガスGMの部分酸化を確立するために、空気流量は化学量論的値(λ=0.3)よりも減少される。500℃の条件は汚染物質の転換に十分である。制御温度が500℃の値を超える場合、制御装置26は、装置10への空気流量を減少させるように構成され、それにより発熱反応のための酸素を減少させ、次いで温度を低下させる。 In the second operating phase P2, e.g. the steady state phase, the control is based on partial combustion. To establish partial oxidation of the mixed gas GM, the air flow rate is reduced below the stoichiometric value (λ=0.3). A condition of 500° C. is sufficient for the conversion of pollutants. If the control temperature exceeds a value of 500° C., the control device 26 is configured to reduce the air flow rate to the device 10, thereby reducing the oxygen for the exothermic reaction and subsequently reducing the temperature.

この混成型で二重目的の制御手法(例えば制御装置26としての比例積分微分PIDコントローラで両要素を制御できる)を採用することにより、温度変化を目標値よりも低く或いは目標値よりも高く制御することが可能となる。実際にこの制御手法の目的は、以下の理由のために、最適温度(例では500℃)を保つことである。すなわち、
-触媒プロセスCPで使用される触媒装置の触媒基材の最適作業状態を保証すること。触媒基材の表面は高温の影響を強く受ける。高温は早期の損耗を引き起こし、結果として転換効率及びシステム寿命の両方を低下させる可能性がある。
-あらゆる動作段階(始動、停止、定常状態、部分負荷など)の間、最小の汚染物質濃度を確保すること。異なる運転条件には異なる汚染物質種が存在する可能性があり、それに従って温度を調整できるようにすることで、触媒システムの最高効率を各条件に合わせる。
-λ制御を、安全範囲から外れた空気/可燃性ガス比から遠ざけることにより、燃焼の安全性を確保すること。
By employing this hybrid, dual-purpose control strategy (e.g., a proportional-integral-derivative PID controller as the control device 26 can control both elements), it is possible to control the temperature change below or above the target value. In fact, the objective of this control strategy is to maintain an optimum temperature (500° C. in the example) for the following reasons:
- To ensure optimal working conditions of the catalytic substrate of the catalytic device used in the catalytic process CP. The surface of the catalytic substrate is strongly affected by high temperatures, which can cause premature wear and tear, resulting in a decrease in both conversion efficiency and system life.
- Ensuring minimum pollutant concentrations during all operational phases (start-up, shutdown, steady state, part load, etc.). Different pollutant species may be present at different operating conditions, allowing the temperature to be adjusted accordingly to match the highest efficiency of the catalytic system to each condition.
- Ensuring combustion safety by keeping lambda control away from air/combustible gas ratios outside the safe range.

図6A及び図6Bは、装置10の制御要素、及び温度を所定範囲の値に維持するための対応する制御プロセス200の図である。制御要素は、加熱素子27、ファン要素15及び温度変換器28を備えることができ、これらは全て制御装置26に接続される。ファン要素15は、空気入口11に配置されて、装置10内の空気流を管理する。加熱素子27は、例えば触媒プロセスCPで使用される触媒装置の基材にて、装置10の触媒領域16に配置される。温度変換器28は出口領域14に配置され、混合ガスGMが触媒プロセスCPを経た後に温度が測定される。或いは温度変換器28は、触媒領域16において触媒表面に直接配置できる。 6A and 6B are diagrams of the control elements of the device 10 and the corresponding control process 200 for maintaining the temperature within a predetermined range of values. The control elements may include a heating element 27, a fan element 15, and a temperature transducer 28, all connected to a controller 26. The fan element 15 is located at the air inlet 11 to manage the air flow in the device 10. The heating element 27 is located at the catalyst area 16 of the device 10, for example at the substrate of a catalytic device used in the catalytic process CP. The temperature transducer 28 is located at the outlet area 14, and the temperature is measured after the mixed gas GM has passed through the catalytic process CP. Alternatively, the temperature transducer 28 may be located directly on the catalyst surface at the catalyst area 16.

加熱素子27は、弱LHVの可燃性ガスGでは自力燃焼を保証できない場合に起動される。制御ヒステリシスは、400~450℃の範囲に設定できる。空気噴射流量は、可変周波数ドライバ(VFD)により、バルブで制御されるバイパス又は機械的システムを通して制御できる。 The heating element 27 is activated when the weak LHV combustible gas G cannot guarantee self-ignition. The control hysteresis can be set in the range of 400-450°C. The air injection flow rate can be controlled by a variable frequency driver (VFD), through a valve-controlled bypass or a mechanical system.

図6Bを参照すると、ステップS201において、混合ガスGMの温度値が触媒プロセスCPの後に、例えば図6Aの温度変換器28によって測定される。これにより、触媒プロセスCPの間の温度変化が連続的に監視される。 Referring to FIG. 6B, in step S201, the temperature value of the mixed gas GM is measured after the catalytic process CP, for example by the temperature transducer 28 of FIG. 6A. This allows the temperature change during the catalytic process CP to be continuously monitored.

温度値が最高温度値(Tmax)よりも高い場合(S202)、本方法は、空気流を管理するステップS203を含む。既に述べたように、Tmaxは触媒プロセスCPで用いられる触媒基材の溶融温度であって、例えば550℃である。次いで処理はステップS201に戻り、混合ガスGMの温度を連続的に測定する。ステップS204で、温度値は最低温度値(Tmin)よりも低いと判断される。この場合、本方法は、加熱プロセスを稼働させるとともに制御ヒステリシスを所定温度範囲に設定するステップS205を含む。既に述べたように、Tminは汚染物質が減少し始める温度であって、例えば400℃である。 If the temperature value is higher than a maximum temperature value (Tmax) (S202), the method includes a step S203 of managing the air flow. As already mentioned, Tmax is the melting temperature of the catalytic substrate used in the catalytic process CP, e.g. 550°C. The process then returns to step S201, where the temperature of the mixed gas GM is continuously measured. In step S204, it is determined that the temperature value is lower than a minimum temperature value (Tmin). In this case, the method includes a step S205 of operating the heating process and setting the control hysteresis to a predetermined temperature range. As already mentioned, Tmin is the temperature at which the pollutants start to decrease, e.g. 400°C.

次いで処理はステップS201に戻り、混合ガスGMの温度を連続的に測定する。温度がTmaxより低くTminより高い場合、温度はその最適値に達しており、ステップS206で本方法が維持される。 The process then returns to step S201, where the temperature of the mixed gas GM is continuously measured. If the temperature is below Tmax and above Tmin, the temperature has reached its optimum value and the method is maintained in step S206.

符合の説明Explanation of symbols

10 装置
11 空気入口
12 入口領域
13 ガス入口
14 出口領域
15 ファン要素
16 触媒領域
17 センサポート
18 ステージ1
19 ステージ2
20 空隙
21 結合部
22 旋回誘導要素
23 貫通穴
24 螺旋構造
25 突出リム
26 制御装置
27 加熱素子
28 温度変換器
29 環構造
30 ハウジング
100 汚染物質を低減する方法
200 制御プロセス
10 Apparatus 11 Air inlet 12 Inlet area 13 Gas inlet 14 Outlet area 15 Fan element 16 Catalyst area 17 Sensor port 18 Stage 1
19 Stage 2
20 gap 21 joint 22 swirl-inducing element 23 through hole 24 helical structure 25 protruding rim 26 control device 27 heating element 28 temperature transducer 29 ring structure 30 housing 100 method for reducing contaminants 200 controlled process

Claims (14)

可燃性ガス(G)の汚染物質を低減する方法(100)であって、
少なくとも空気(A)及び前記可燃性ガス(G)を含むリーン混合ガス(GM)を生成すること(S101)と、
第1の動作段階(P1)の間に触媒プロセス(CP)により前記リーン混合ガス(GM)を完全酸化させて、排ガス(EG)を得ること(S102)と、
少なくとも空気(A)及び前記可燃性ガス(G)を含むリッチ混合ガス(GM)を生成すること(S103)と、
第2の動作段階(P2)の間に触媒プロセス(CP)により前記リッチ混合ガス(GM)を部分酸化させて、好ましくは熱及び電力の生産のための清浄な可燃性ガス(CG)を得ること(S104)と、
を含む方法(100)。
A method (100) for reducing pollutants of a combustible gas (G), comprising:
Producing a lean mixed gas (GM) containing at least air (A) and the combustible gas (G) (S101);
during a first operating phase (P1), completely oxidizing the lean mixture (GM) by a catalytic process (CP) to obtain an exhaust gas (EG) (S102);
Producing a rich mixed gas (GM) containing at least air (A) and the combustible gas (G) (S103);
Partially oxidizing said rich mixed gas (GM) by a catalytic process (CP) during a second operating phase (P2) to obtain (S104) a clean combustible gas (CG) preferably for the production of heat and power;
The method (100) comprising:
請求項1に記載の方法(100)において、
a.前記可燃性ガス(G)は、ガス化システムにおけるガス化プロセスにより生成される合成ガスであって、前記第1の動作段階(P1)は該ガス化システムの始動段階及び/又は停止段階に対応し、前記第2の動作段階(P2)は該ガス化システムの定常状態段階であり、かつ
b.前記リーン混合ガス(GM)では空気対可燃性ガス比は1よりも高く、かつ
c.前記リッチ混合ガス(GM)では空気対可燃性ガス比は1よりも低い、
方法。
2. The method (100) of claim 1,
a) the combustible gas (G) is synthesis gas produced by a gasification process in a gasification system, the first operation phase (P1) corresponds to a start-up and/or shut-down phase of the gasification system, and the second operation phase (P2) is a steady-state phase of the gasification system, and b) in the lean gas mixture (GM) the air to combustible gas ratio is higher than 1, and c) in the rich gas mixture (GM) the air to combustible gas ratio is lower than 1.
Method.
請求項1又は2に記載の方法(100)であって、さらに、前記リーン混合ガス(GM)及び/又は前記リッチ混合ガス(GM)の酸化を動作期間にわたって制御することを含む、方法。 The method (100) of claim 1 or 2, further comprising controlling oxidation of the lean gas mixture (GM) and/or the rich gas mixture (GM) over an operating period. 請求項1から3のいずれか1項に記載の方法(100)であって、さらに、
a.前記第1の動作段階(P1)及び/又は前記第2の動作段階(P2)の間の空気流をアクティブ調節することであって、前記第1の動作段階(P1)の間の該空気流が前記第2の動作段階(P2)の間の該空気流とは異なるものであること、及び/又は
b.前記第1の動作段階(P1)の間の第1の気流モードと前記第2の動作段階(P2)の間の第2の気流モードとを自動的に切り替えること、
を含む方法。
The method (100) of any one of claims 1 to 3, further comprising:
a) actively adjusting the airflow during the first operation phase (P1) and/or the second operation phase (P2), the airflow during the first operation phase (P1) being different from the airflow during the second operation phase (P2), and/or b) automatically switching between a first airflow mode during the first operation phase (P1) and a second airflow mode during the second operation phase (P2);
The method includes:
請求項1から4のいずれか1項に記載の方法(100)であって、さらに、空気流を最小値と最大値との間でアクティブ調節することを含み、該最小値がゼロ空気挿入に相当する、方法。 The method (100) of any one of claims 1 to 4, further comprising actively adjusting the air flow between a minimum and a maximum value, the minimum value corresponding to zero air insertion. 請求項1から5のいずれか1項に記載の方法(100)であって、さらに、前記第1の動作段階(P1)及び/又は前記第2の動作段階(P2)の間に、空気挿入無しの還元気流モードと空気挿入有りの酸化気流モードとを切り替えることを含む、方法。 The method (100) according to any one of claims 1 to 5, further comprising switching between a reducing airflow mode without air injection and an oxidizing airflow mode with air injection during the first operating phase (P1) and/or the second operating phase (P2). 請求項1から6のいずれか1項に記載の方法(100)であって、さらに、
a.前記第1の動作段階(P1)の間の空気流を調整して、空気対可燃性ガス比を1よりも高く、好ましくは4に等しく維持すること、及び/又は
b.前記第2の動作段階(P2)の間の空気流を調整して、空気対可燃性ガス比を1よりも低く、好ましくは0.3に等しく維持すること、
を含む方法。
The method (100) of any one of claims 1 to 6, further comprising:
a) adjusting the airflow during said first operation phase (P1) to maintain an air to combustible gas ratio higher than 1, preferably equal to 4, and/or b) adjusting the airflow during said second operation phase (P2) to maintain an air to combustible gas ratio lower than 1, preferably equal to 0.3;
The method includes:
請求項1から7のいずれか1項に記載の方法(100)であって、さらに、
a.前記触媒プロセス(CP)の後の混合ガス(GM)の温度値を測定して、前記触媒プロセス(CP)の間の温度変化を制御すること、及び/又は
b.前記触媒プロセス(CP)の間の温度値を最低温度値(Tmin)と最高温度値(Tmax)との間、好ましくは400℃と550℃との間に維持することであって、該最低温度値(Tmin)が汚染物質の減少し始める温度であり、該最高温度値(Tmax)が前記触媒プロセス(CP)で用いられる触媒基材の溶融温度であること、及び/又は
c.前記触媒プロセス(CP)の後の混合ガス(GM)の温度値を測定して、前記触媒プロセス(CP)の間の温度変化を監視すること(S201)であって、該温度値が最高温度値(Tmax)よりも高い場合(S202)に、前記方法は空気流を管理するステップ(S203)を含み、該最高温度値(Tmax)が前記触媒プロセス(CP)で用いられる触媒基材の溶融温度であって好ましくは550℃であり、該温度値が最低温度値(Tmin)よりも低い場合(S204)に、前記方法は加熱プロセスを稼働させるとともに制御ヒステリシスを所定温度範囲に設定するステップ(S205)を含み、該最低温度値(Tmin)が汚染物質の減少し始める温度であって好ましくは400℃であり、該所定温度範囲が好ましくは400℃と450℃との間であること、
を含む方法。
The method (100) of any one of claims 1 to 7, further comprising:
a) measuring the temperature value of the mixed gas (GM) after said catalytic process (CP) to control the temperature change during said catalytic process (CP), and/or b) maintaining the temperature value during said catalytic process (CP) between a minimum temperature value (Tmin) and a maximum temperature value (Tmax), preferably between 400°C and 550°C, said minimum temperature value (Tmin) being the temperature at which the pollutants start to decrease and said maximum temperature value (Tmax) being the melting temperature of the catalytic substrate used in said catalytic process (CP), and/or c. monitoring (S201) the temperature change during the catalytic process (CP) by measuring the temperature value of the mixed gas (GM) after the catalytic process (CP); if the temperature value is higher than a maximum temperature value (Tmax) (S202), the method comprises a step of managing the air flow (S203); if the maximum temperature value (Tmax) is the melting temperature of the catalytic substrate used in the catalytic process (CP), preferably 550°C, and if the temperature value is lower than a minimum temperature value (Tmin) (S204), the method comprises a step of running a heating process and setting a control hysteresis to a predetermined temperature range (S205), the minimum temperature value (Tmin) is the temperature at which the pollutants start to decrease, preferably 400°C, and the predetermined temperature range is preferably between 400°C and 450°C;
The method includes:
請求項1から8のいずれか1項に記載の方法(100)を用いて可燃性ガス(G)の汚染物質を低減する装置(10)であって、
少なくとも空気(A)及び前記可燃性ガス(G)を含む混合ガス(GM)を受ける入口領域(12)と、
汚染物質の減少したガス(EG;CG)を放出する出口領域(14)と、
前記入口領域(12)の下流かつ前記出口領域(14)の上流に位置し、触媒プロセス(CP)により混合ガス(GM)を部分的又は完全に酸化させる触媒領域(16)と、
を有するハウジング(30)を備え、該ハウジング(30)がガス化システムに取り外し可能に挿入可能である、
装置(10)。
A device (10) for reducing pollutants of a combustible gas (G) using the method (100) according to any one of claims 1 to 8, comprising:
an inlet area (12) for receiving a mixed gas (GM) containing at least air (A) and the flammable gas (G);
an outlet area (14) for discharging a pollutant-reduced gas (EG; CG);
a catalytic zone (16) located downstream of said inlet zone (12) and upstream of said outlet zone (14) for partially or completely oxidizing the mixed gas (GM) by a catalytic process (CP);
a housing (30) having a gasification system (10), the housing (30) being removably insertable into the gasification system;
Apparatus (10).
請求項9に記載の装置(10)であって、触媒装置、特に触媒コンバータである、装置(10)。 The device (10) according to claim 9, which is a catalytic device, in particular a catalytic converter. 請求項9又は10に記載の装置(10)において、
a.前記触媒領域(16)は触媒基材を備え、該触媒基材が好ましくは多段組立体であり、及び/又は
b.前記装置(10)はさらに、前記入口領域(12)に配置される空気入口(11)と、該空気入口(11)から離れて前記入口領域(12)に配置される可燃性ガス入口(13)とを備え、該空気入口(11)がファン要素(15)に結合される、
装置。
The device (10) according to claim 9 or 10,
a) the catalytic region (16) comprises a catalytic substrate, the catalytic substrate being preferably a multi-stage assembly, and/or b) the apparatus (10) further comprises an air inlet (11) disposed in the inlet region (12) and a combustible gas inlet (13) disposed in the inlet region (12) spaced apart from the air inlet (11), the air inlet (11) being coupled to a fan element (15);
Device.
請求項9から11のいずれか1項に記載の装置(10)であって、さらに、
a.前記出口領域(14)から放出されたガス(EG)を外部に排出する第1の動作段階(P1)と、前記出口領域(14)から放出されたガス(CG)を好ましくは熱及び電力の生産のために用いる第2の動作段階(P2)との間で切り替えるための制御装置(26)、及び/又は
b.前記触媒プロセス(CP)の間に空気流を制御するため及び/又は温度値を制御するための制御装置(26)、及び/又は
c.前記入口領域(12)に配置され、前記混合ガス(GM)における空気(A)と可燃性ガス(G)との混合を最大化する旋回誘導要素(22)、
を備える装置。
The device (10) according to any one of claims 9 to 11, further comprising:
a) a control device (26) for switching between a first operating phase (P1) in which the gas (EG) discharged from the outlet region (14) is discharged to the outside and a second operating phase (P2) in which the gas (CG) discharged from the outlet region (14) is used, preferably for the production of heat and electricity; and/or b) a control device (26) for controlling the air flow and/or for controlling the temperature values during the catalytic process (CP); and/or c) a swirl-inducing element (22) arranged in the inlet region (12) for maximizing the mixing of the air (A) and the combustible gas (G) in the mixed gas (GM);
An apparatus comprising:
請求項12に記載の装置(10)であって、さらに、
a.前記制御装置(26)に接続され、前記触媒領域(16)の上流及び/又は下流に配置される少なくとも1つの温度変換器(28)、及び/又は
b.前記制御装置(26)に接続され、前記触媒領域(16)の上流及び/又は下流に配置される少なくとも1つの圧力変換器、及び/又は
c.前記制御装置(26)に接続され、前記触媒領域(16)の上流及び/又は下流に配置される少なくとも1つのガス組成センサ、及び/又は
d.前記制御装置(26)に接続され、前記触媒領域(16)の上流に配置されるラムダセンサ、及び/又は
e.前記制御装置(26)に接続され、前記触媒領域(16)に配置される加熱素子(27)、
を備える装置。
The device (10) according to claim 12, further comprising:
a) at least one temperature transducer (28) connected to said control device (26) and arranged upstream and/or downstream of said catalyst area (16), and/or b) at least one pressure transducer connected to said control device (26) and arranged upstream and/or downstream of said catalyst area (16), and/or c) at least one gas composition sensor connected to said control device (26) and arranged upstream and/or downstream of said catalyst area (16), and/or d) a lambda sensor connected to said control device (26) and arranged upstream of said catalyst area (16), and/or e) a heating element (27) connected to said control device (26) and arranged at said catalyst area (16),
An apparatus comprising:
請求項9から13のいずれか1項に記載の装置(10)を備えるシステム、特にガス化システム。 A system, in particular a gasification system, comprising a device (10) according to any one of claims 9 to 13.
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