Способ переработки твердого топлива и плазменная установка для его осуществления

 

Использование: в энергетике на тепловых электростанциях, в котельных для теплофикации населенных пунктов и в металлургии для получения тепла и высокопотенциального восстановительного газа, а также в химической промышленности для получения тепла ситез-газа (СО + Н)₂ - основы органического синтеза. Сущность изобретения: синтез-газ получают плазменной газификацией углей с восстановлением окислов минеральной массы топлива, а охлаждение нагретого синтез-газа производят водоохлаждаемыми поверхностями ступенчато в последовательных зонах с селективной конденсацией ценных составляющих миниральной части угля и их улавливанием, причем каждая зона имеет температуру последовательно снижающуюся по ходу газа. В плазменной установке плазменный реактор 1 пристыкован к топочному пространству газогенератора 2, внутренний объем которого разделен вертикальными водоохлаждаемыми перегородками 11 с газоходами 12, причем месторасположение газоходов последовательно чередуется снизу и сверху по ходу газа и в нижней части каждой зоны 13 селективной конденсации, образованных перегородками 11, размещен сборник 14 конденсата, а на выходе топочного пространства установлен рукавный фильтр 15. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к термической переработке твердого топлива углей, сланца, торфа и др. и может быть использовано в энергетике на тепловых электростанциях, в котельных для теплофикации населенных пунктов и в металлургии для получения тепла и высокопотенциального восстановительного газа, а также в химической промышленности для получения тепла и синтез-газа (СО + Н₂) основы органического синтеза.

Известен электродуговой плазменный реактор для газификации углей, представляющий собой цилиндрическую камеру, на верхней крышке которой размещены электродуговые плазмотроны. Подаваемый в камеру измельченный уголь нагревается плазменными струями, истекающими из плазмотрона. В качестве газифицирующего агента и плазмообразующего газа используется водяной пар. При нагреве частиц угля в потоке водяной плазмы топливо газифицируется и образуется высококалорийный синтез-газ, состоящий в основном из водорода и оксида углерода. Сера, содержащаяся в угле, переходит в бескислородные соединения, в частности, в виде сероводорода, очистка от которых освоена в промышленном масштабе. Минеральная часть топлива удаляется в шлакосборник. Таким образом, в плазменном реакторе можно получить экологически чистый синтез-газ из низкосортного угля [1] Вместе с тем, в рассматриваемом плазменном реакторе существуют трудности с проникновением частиц перерабатываемого материала в плазменную струю, вытекающую из плазмотрона, что объясняется вязкостью высокотемпературного потока. К тому же, известная установка обладает небольшим тепловым КПД, поскольку она скомпонована из четырех аппаратов (реактора и 3 плазмотронов), произведение КПД которых дает суммарный КПД установки.

Известен также способ получения восстановительных газов из низкосортных углей и аппарат для его осуществления [2] В этом способе с целью исключения примесей окислителей в конечном продукте также используется аллотермический процесс с применением плазменного нагрева. Для обеспечения оптимального отношения водорода к оксиду углерода (Н₂:СО) в получаемом восстановительном газе в качестве окислителя применялся водяной пар. Весь перерабатываемый мелкодисперсный уголь вместе с окислителем подают в плазменный реактор с совмещенной зоной выделения и поглощения тепла.

Однако известный способ требует повышенных энергозатрат, обусловленных высоким температурным уровнем процесса (2400-3000 К), что снижает экономические показатели процесса. Кроме того, способ обеспечивает недостаточную газификацию угля (91-93% ), что связано с малым временем пребывания частиц угля в высокотемпературной реакционной зоне, исчисляемым десятыми долями секунды и недостаточным для полной газификации твердого топлива.

Аппарат для газификации угля представляет вертикальный водоохлаждаемый цилиндр, футерованный графитом. Через верхнюю крышку введены два стержневых графитовых электрода. Снаружи камера реактора охвачена электромагнитной катушкой соленоидом, питаемым постоянным током от независимого источника. В камере реактора между стенкой и стержневыми графитовыми электродами горит трехфазная дуга переменного тока в постоянном магнитном поле. Измельченный уголь и водяной пар, подаваемые в камеру реактора через крышку, подхватываются плазменными струями расширяющихся дуговых столбов и, интенсивно нагреваясь, отбрасываются на стенку камеры. При движении частиц угля в объеме камеры реактора происходит газификация топлива. Шлак стекает в шлако-сборник, а образующийся синтез-газ удаляется на дальнейшую обработку. Известный аппарат обеспечивает степень газификации угля 91,1-93,5% степень перевода серы в газовую фазу 90,8-96,7% Получаемый газ состоит из СО и Н₂ на 95,6-95,8% Невысокая степень газификации угля обусловлена небольшим временем пребывания частиц угля в реакционной зоне. Как уже отмечалось, на крышке реактора установлены два стержневых электрода и трехфазная дуга переменного тока горит с этих электродов на стенку реактора, который является третьим электродом. При этом длина дуги равна примерно 1/3 диаметра камеры реактора, а поскольку разряд втягивает частицы угля из-за несущей способности дуги в плазменных реакторах совмещенного типа, то такая длина дуги является недостаточной для полного превращения органической массы угля. Как известно, для газификации угля в плазме водяного пара время реакции составляет 0,1-1 с. Поэтому на практике с целью увеличения времени пребывания частиц угля в зоне газификации применяют различные двухступенчатые аппараты: с дополнительной ванной расплава, с дополнительным трубчатым реактором и т.д. Однако увеличение количества ступеней существенно усложняет аппаратурное оформление процессов и эксплуатацию оборудования.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ плазменной газификации углей и агрегат для его осуществления [3] Способ включает измельчение угля и ввод угольной пыли с газифицирующими агентами (кислородом и водяным паром) в камеру реактора и генерирование потока низкотемпературной плазмы в реакционной камере. Попадая в высокотемпературный поток парокислородной смеси, угольная пыль интенсивно газифицируется с образованием газов СО + Н₂ + +Н₂S, которые выходят в камеру газогенератора со средней температурой 1100-1200^оС. Нагретые продукты газификации поступают в камеру газогенератора, где осуществляется охлаждение полученного синтез-газа и его отделение от шлака. Затем синтез-газ подвергают сероочистке, после чего газообразное топливо компримируют и по трубопроводам подают к потребителю.

Однако при низкотемпературной газификации при температуре процесса 1200^оС минеральная масса угля не претерпевает каких-либо превращений и образует шлаки, состоящие из исходных окислов угля, не представляющих особой ценности. Поэтому золошлаковые отходы удаляются в основном в золотоотвалы и только небольшая их часть (менее 5%) используется в cтроительcтве. При этом под золоотвалы безвозвратно отчуждаются обширные земельные участки. Из-за летучести золы эти золоотвалы постоянно пылят и загрязняют окружающую среду. Таким образом, указанный способ приводит к безвозвратным потерям ценных компонентов, которые в большом количестве содержатся в минеральной части угля. Все это существенно ухудшает эколого-экономические показатели рассматриваемого процесса.

Данный способ плазменной газификации углей осуществляют в плазменном газогенераторе. Он имеет вид топочной камеры, на стенках которой установлены, подобно топочным горелкам, плазменные реакторы с плазмотронами. В последних с помощью электрического газового разряда производится разогрев смеси водяного пара и кислорода. Плазменный реактор имеет три плазмотрона, из которых горячие струи газа выходят в полость его корпуса, образуя общий раскаленный факел. В плазменные реакторы по трубопроводу поступает угольная пыль, которая газифицируется, а затем выводится в камеру газификатора. Камера газификатора и последующие газоходы, аналогично котельной установке, используются для охлаждения газа до температуры 100^оС, а также для улавливания шлака и золы.

Однако в описываемом устройстве при единичной мощности плазменного газогенератора 1000-1200 т/ч или примерно 10 млн.т. в год по углю для питания его плазмотронов необходима электрическая мощность 100-150 МВт. При использовании плазменных реакторов мощностью около 3000 кВт каждый на стенках камеры такого газогенератора необходимо устанавливать примерно 40 плазменных реакторов с 3 плазмотронами каждый, т.е. 120 плазмотронов.Дальнейшее повышение мощности плазмотрона (более 3000 кВт) указанной конструкции невозможно из-за резкого снижения его ресурса (менее 100 ч), что неприемлемо для большой энергетики с основным оборудованием, ресурс которого достигает 7000-10000 ч. К тому же для обеспечения ресурса мощных плазмотронов 100 ч необходима защита электродов дорогостоящим и дефицитным аргоном и создание на пылеугольной ТЭС аргонопровода, что нереально. Известно также, что каждый плазмотрон должен быть оснащен индивидуальным источником питания. При использовании на газогенераторе 120 плазмотронов это предполагает установку 120 разделительных трансформаторов, 120 управляемых вентилей, 120 балластных сопротивлений, 120 осцилляторов, 120 пультов управления и КИД и т.д. Все это усложняет плазмоэнергетическое оборудование и снижает надежность его эксплуатации, тем более в специфических условиях пылеугольных электростанций.

Очень важно отметить также, что в прототипе устройства получается зола и шлаки в виде малоценных окислов. К ому же, они представляют собой смесь, которую возможно использовать лишь в виде стройматериала.

Задача, решаемая изобретением, заключается в осуществлении процесса газификации угля с получением синтез-газа и восстановлением окислов минеральной массы с последующим разделением получаемых ценных компонентов золы. Это обеспечит повышение эффективности процесса, улучшит экономические показатели и упростит аппаратурное оформление способа.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в способе переработки твердого топлива процессе "ДУГА-ТЭС", включающем операции измельчение угля и ввод угольной пыли с газифицирующим агентом в камеру реактора, генерирование потока низкотемпературной плазмы в реакционной камере и нагрев углегазовой смеси в дуговой плазме с газификацией твердого топлива, вывод нагретых продуктов газификации в камеру газогенератора с охлаждением синтез-газа водоохлаждаемыми поверхностями и отделение полученного синтез-газа от шлака, предложено следующее. Операцию охлаждения синтез-газа водоохлаждаемыми поверхностями производить ступенчато в последовательных зонах с селективной конденсацией ценных составляющих минеральной массы угля и их улавливанием, причем каждая зона имеет температуру, последовательно снижающуюся по ходу газа.

Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата стало также возможным благодаря плазменной установке для переработки твердого топлива агрегату "ДУГА-ТЭС", содержащем, плазменный реактор, газогенератор, блок сероочистки и компрессор. В той установке плазменный реактор пристыкован к топочному пространству газогенератора, внутренний объем которого разделен вертикальными водоохлаждаемыми перегородками с газоходами, причем месторасположение газоходов последовательно чередуется снизу и сверху по ходу газов и в нижней части каждой зоны селективной конденсации, образованных перегородками, размещен сборник конденсата, а на выходе топочного пространства установлен рукавный фильтр.

Именно заявляемая совокупность конструкторских признаков обеспечивает согласно способу получение синтез-газа и восстановление окислов минеральной массы с последующим разделением получаемых ценных компонентов золы. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел, и могут быть использованы лишь совместно.

Для извлечения ценных составляющих минеральной массы угля необходимо с получением синтез-газа одновременно восстановить окислы, содержащиеся в шлаке и золе. Для этого температуру процесса газификации угля следует увеличить по сравнению с прототипом с 1200 до 2000^оС. Повышение температуры процесса увеличивает физическое тепло, запасенное в получаемом синтез-газе, а следовательно, еще в большей степени аргументирует необходимость ее утилизации в топочном пространстве.

Как уже отмечалось, для столь многотоннажного производства, каким является переработка твердого топлива, применение плазменных реакторов раздельного типа, состоящих из реактора и отдельно плазмотронов максимальной мощности 3 МВт, неприемлемо. Для таких процессов более перспективными являются плазменные реакторы совмещенного типа с наращиваемыми электродами аналогично руднотермическим печам, единичная мощность которых может достигать 70-100 МВт.

Сравнение изобретения с известными из уровня техники техническими решениями позволило установить следующее.

Произведены термодинамические расчеты с использованием универсальной программы "Астра-3" и экспериментальные исследования в трехфазном плазменном реакторе мощностью около 60 кВт процесса плазменной газификации углей различных месторождений в диапазоне температур 1800-3500 К с полным переводом органической массы угля в синтез-газ (СО + Н₂) и восстановлением минеральной части угля. При этом экспериментально показано, что при среднемассовой температуре, превышающей 2500 К, в дуговой камере происходит частичная возгонка кремния, алюминия, поэтому содержание SiO₂ и Al₂O₃ в шлаке уменьшается, а концентрация железа возрастает. По данным рентгенофазового анализа в шлаках наряду с аморфным материалом и кристаллическими шлакообразующими компонентами (муллитом, корундом, кварцем, оксидами железа) содержится восстановленный материал в виде металлической фазы ферросилиция (Fe₅Si₃, FeSi, FeSi₂), карбитов кремния и железа ( β SiC, Fe₂C). При среднемассовых температурах в дуговой камере, превышающих 2600-2800 К, в возгонах наряду с аморфной фазой был обнаружен элементарный кремний и т.д. Однако в рассматриваемой работе ценные составляющие минеральной части углей не разделялись между собой, а всей массой стекали в общий шлакосборник.

В отличие от известного процесса и аппарата в предложенном техническом решении осуществляют разделение компонентов минеральной массы твердого топлива в зависимости от температуры их конденсации по отдельным зонам и сборникам. Это обеспечивает существенное снижение затрат на выделение указанных компонентов в первой наиболее трудоемкой фазе их разделения. При этом повышается эффективность процесса, улучшаются эколого-экономические показатели и упрощается аппаратурное оформление способа по сравнению с разделением компонентов, смешанных в одном шлакосборнике.

Таким образом, из уровня техники не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложения критериям "Новизна" и "Изобретательский уровень".

На чертеже изображена схема плазменной установки для переработки твердого топлива агрегата "ДУГА-ТЭС".

Установка содержит плазменный реактор 1, газогенератор 2, блок 3 сероочистки и компрессор 4. Плазменный реактор 1 совмещенного типа с наращиваемым электродом 5. Реактор 1 может быть выполнен на постоянном либо переменном токе и иметь электроды 5 в количестве от 1 до 3. Снаружи реактора 1 размещена электромагнитная катушка 6, питаемая постоянным током, последовательно с электрической дугой 7 либо от независимого источника. Имеются патрубки 8 и 9 для подачи измельченных и газообразных реагентов, а также газоход 10 для вывода продуктов реакции.

Новыми элементами установки является то, что плазменный реактор 1 пристыкован к топочному пространству газогенератора 2. Внутренний объем газогенератора 2 разделен вертикальными перегородками 11 с газоходами 12. Месторасположение газоходов 12 последовательно чередуется снизу и сверху по ходу газа. В нижней части каждой зоны 13 селективной конденсации, образованных перегородками 11, размещен сборник 14 конденсата. На выходе топочного пространства 2 установлен рукавный фильтр 15.

Предлагаемый способ переработки твердого топлива осуществляют следующим образом.

Уголь измельчают до фракции меньше 200 мкм и угольную пыль с газифицирующим агентом, например водяным паром, подают в камеру плазменного реактора 1. Затем генерируют поток низкотемпературной плазмы в реакционной камере. Для этого подают напряжение на cтержневой электрод 5 и корпуc плазменного реакора 1 и методом "взрыва проволоки" зажигают электрическую дугу 7. Включают электромагнитную катушку 6. Под действием силы Лоренца дуговые столбы начинают вращаться в межэлектродном промежутке. При вращении дуги 7 из-за разного диаметра электродов и разного аэродинамического сопротивления, у стержневого электрода 5 и стенки плазменного реактора 1 дуговые столбы расширяются по направлению к стенке. При расширении дуги 7 в нем возникают высокоскоростные плазменные струи от места сужения в сторону расширения. Эти струи подхватывают углегазовую смесь и, интенсивно нагревая ее, отбрасывают на стенку реактора 1. В процессе движения реагентов в объеме реактора происходит газификация твердого топлива и восстановление окислов минеральной части угля при температуре выше 2300 К. Нагретые продукты газификации выводятся в камеру газогенератора 2 для охлаждения синтез-газа и отделения полученного синтез-газа от шлака. Охлаждение синтез-газа производят водоохлаждаемыми поверхностями (перегородками 11) ступенчато в последовательных зонах 13. Каждая зона 13 имеет температуру, последовательно снижающуюcя по ходу газа. При охлаждении синтез-газа происходит селективная конденсация ценных составляющих минеральной массы угля. Сконденсировавшиеся частицы под действием силы гравитации осаждаются в индивидуальные сборники 14, где и улавливаются. Периодически сборники 14 очищаются и полученный продукт отправляется на дальнейшую доработку. Для улавливания мельчайших частиц золы, выносимых из топочного пространства котла, на выходе котлоагрегата размещены рукавные фильтры 15. Они обеспечивают улавливание микроэлементов сконденсировавшихся на поверхности мельчайших частиц. Обеспыленный синтез-газ поступает в блок сероочистки, Далее очищенный синтез-газ закачивается компрессором 4 в баллоны 16 либо по трубопроводу подается потребителю.

При проектировании плазменной установки для переработки твердого топлива агрегата "ДУГА-ТЭС", зная производительность установки и теплотехнические характеристики газифицируемого угля, можно обычными инженерными методами рассчитать основные параметры процесса и аппарата: мощность плазменного реактора, ток и напряжение дуги, расход угля и газифицирующего агента, площадь тепловоспринимающих поверхностей и геометрию топочного пространства газификатора, параметры газоходов и сборников конденсата и т.д.

П р и м е р. В плазмоэнергетическом агрегате перерабатывали уголь Холбольджинского месторождения (Республика Бурятия). Состав угля, С 55,9; Н 3,94; О 17,68; N 0,87; S 0,31; SiO₂ 11,08; Al₂O₃ 4,71' Fe₂O₃ 2,21; CaO 2,11; MgO 0,55; K₂O 0,43; Na₂O 0,21. Уголь измельчали до крупности меньше 200 мкм. В камеру плазменного реактора вводили угольную пыль с газифицирующим агентом водяным паром. Расход угля 1000 кг/ч, расход водяного пара 510 кг/ч. В реакционной камере генерировали поток низкотемпературной плазмы. Мощность плазменного реактора 1200 кВт. Углегазовую смесь нагревали в дуговой плазме. Среднемассовая температура процесса 2500 К. При нагреве твердого топлива в среде водяного пара происходила газификация угля и восстановление окислов минеральной массы угля. Нагретые продукты газификации выводили в камеру газификатора для охлаждения синтез-газа и отделения полученного синтез-газа от шлака. Охлаждение синтез-газа проводили водоохлаждаемыми поверхностями ступенчато в последовательных зонах. Каждая зона имела температуру, последовательно снижающуюся по ходу газа с 2500 до 373 К. В этих зонах происходила селективная конденсация составляющих минеральной массы угля и их улавливание. При этом получено, кг/ч: Si 1,3; Al 0,8; Mg 1,41; Ca 3,88; K 0,9; Fe 2,0; SiO 11,43; SiC 6,4; C 3,8 и FeSi 4,39. Газовая фаза состоит, об. Н₂ 51,8 и СО 47,2% КПД плазменного реактора составляет 85% Удельные энергозатраты равны 1,53 кВтч/кг угля.

Технико-экономическая эффективность предложенного технического решения состоит в комплексной переработке твердого топлива, когда из органической массы угля получают синтез-газ, а из минеральной части топлива извлекают ценные компоненты. Это повышает эффективность процесса, улучшает эколого-экономические показатели и упрощает аппаратурное оформление способа.

Формула изобретения

1. Способ переработки твердого топлива путем измельчения угля и ввода угольной пыли с гизифицирующим агентом в реакционную камеру, генерирования в ней низкотемпературной плазмы, нагрева углегазовой смеси в дуговой плазме с газификацией твердого топлива, вывода нагретых продуктов газификации в камеру газогенератора с охлаждением синтез-газа на водоохлаждаемых поверхностях и отделения полученного синтез-газа от шлака, отличающийся тем, что охлаждение синтез-газа производят ступенчато в последовательных зонах с селективной конденсацией составляющих минеральной массы угля и их улавливанием, причем в каждой зоне поддерживают температуру, последовательно снижающуюся по ходу газа.

2. Плазменная установка для переработки твердого топлива, содержащая плазменный реактор, газогенератор, блок сероочистки и компрессор, отличающаяся тем, что плазменный реактор подключен к топке газоненаратора, полость которого разделена вертикальными водоохлаждаемыми перегородками с чередующимися верхними и нижними газоходами на зоны селективной конденсации, имеющие внизу сборники конденсата, а на выходе топки газогенератора установлен рукавный фильтр.

РИСУНКИ

Рисунок 1

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 23.12.2000

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2003

Извещение опубликовано: 10.04.2003        

---