Способ газификации углей и установка для его осуществления

 

Использование: на тепловых электростанциях для облагораживания низкосортных углей и получения экологически чистого синтез-газа. Сущность: осуществляют электротермохимическую подготовку части топлива путем пропускания пылевоздушной смеси через подготовительные камеры 2 и 3, где генерируют поток низкотемпературной плазмы. Продукты сгорания направляют в реакционную камеру 1, куда тангенциально вводят основной поток пылевидного топлива и газифицирующий агент и осуществляют полную газификацию топлива. Установка для осуществления способа содержит вертикально расположенную реакционную камеру. Нижняя часть камеры соединена по крайней мере с двумя подготовительными камерами, расположенными диаметрально. Подготовительные камеры выполнены в виде муфеля 4 со встроенным плазмотроном 5. Муфели 4 соединены с реакционной камерой 1 тангенциально и направлены навстречу друг другу, средства для ввода основного потока угольной пыли и газифицирующего агента расположены диаметрально и тангенциально соединены с реакционной. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к энергетике, а именно к термической переработке углей, и может быть использовано на тепловых электростанциях для облагораживания низкосортных углей и получения экологически чистого синтез-газа.

Известен способ газификации углей процесс Лурги, предусматривающий подачу кускового угля и газифицирующего агента в камеру газификатора. В качестве газифицирующего агента используют пар или кислород. Этот способ относится к автотермическим процессам газификации, т.к. необходимую энергию получают за счет сжигания части топлива. Температура процесса 900-1400К, размеры кусков угля 5-50 мм (1).

Однако известный способ характеризуется невысоким качеством получаемого синтез-газа вследствие высокой доли содержания CO2. К тому же переработка кускового угля, уменьшая поверхность реагирования, снижает производительность процесса.

Известен газификатор для осуществления процесса Лурги, содержащий вертикальную камеру, загрузочное устройство для подачи кускового угля, расположенное сверху камеры, и фурмы для подачи газифицирующего агента, расположенные снизу камеры. Синтез-газ удаляется из камеры сверху, а шлак выпускается снизу (1).

Однако известный газификатор не обеспечивает получение качественного синтез-газа и имеет невысокую производительность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ газификации угля в пылевидном потоке по методу Копперса-Тотцека, предусматривающий ввод в камеру газификатора через форсунки пылевидного угля с паром и кислородом путем дутья. Образующийся газ удаляют сверху газогенератора, а жидкий шлак выпускают снизу. При парокислородной газификации пылевидного топлива достигается высокая степень превращения углерода, отсутствуют нежелательные продукты полукоксования угля и возможна переработка любого вида угля (2).

Однако для известного процесса газификации угля характерно значительное содержание в получаемом газе диоксида углерода, которое составляет примерно 10% Это связано с компенсацией эндотермического эффекта реакции сжиганием части угля. Кроме того, известный процесс связан с необходимостью использования значительного количества кислорода, что существенно повышает стоимость получаемого синтез-газа.

Наиболее близким к предлагаемой установке является газификатор Кепперса-Тотцека (2), представляющий собой горизонтальную камеру с установленными на торцах друг против друга форсунками для подачи реагентов. Образующийся газ удаляют сверху газогенератора, а жидкий шлак выпускают снизу.

Однако для поддержания горения и повышения калорийности газа в известном газификаторе используется кислород, требуются большие габариты камеры сгорания. Кроме того, при кислородном и воздушном дутье трудно организовать оптимальный процесс горения, что приводит к повышенному содержанию двуокиси углерода или к неполной конверсии угля.

Задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в осуществлении предварительной электротермохимической подготовки части топлива для обеспечения протекания эндотермических реакций в процессе газификации и стабилизации горения с последующим внесением продуктов сгорания в камеру газификатора. Электротермохимическая подготовка повышает реакционную способность топлива и позволяет вести управляемый процесс горения, что повышает качество получаемого синтез-газа и увеличивает его выход.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в способе газификации углей, предусматривающем ввод пылевидного топлива с газифицирующим агентом в реакционную камеру посредством дутья, согласно изобретению предварительно осуществляют электротермохимическую подготовку части топлива путем пропускания пылевоздушной смеси через подготовительные камеры, где генерируют поток низкотемпературной плазмы, осуществляют его смешение с пылевидным топливом, нагрев последнего и его возгорание, затем поддерживают процесс горения в предвключенном муфеле, после чего продукты сгорания направляют в реакционную камеру, куда тангенциально вводят основной поток пылевидного топлива и газифицирующий агент, и осуществляют полную газификацию топлива.

При этом в качестве окислителя используют воздух, а в качестве газифицирующего агента перегретый пар.

Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата стало также возможным благодаря установке для газификации углей, содержащей цилиндрическую реакционную камеру, средства для ввода реагентов и вывода продуктов реакции, которая согласно изобретению снабжена по крайней мере двумя диаметрально расположенными подготовительными камерами, соединенными с нижней частью реакционной камеры, расположенной вертикально, при этом каждая из подготовительных камер выполнена в виде муфеля со встроенным плазмотроном, причем муфели соединены с реакционной камерой тангенциально и направлены навстречу друг другу, а средства для ввода реагентов установлены между подготовительными камерами, расположены диаметрально и тангенциально соединены с реакционной камерой.

Именно заявляемая совокупность конструктивных признаков обеспечивает согласно способу предварительную электротермохимическую подготовку топлива, его горение в предвключенном муфеле и догорание части топлива в реакционной камере для повышения реакционной способности основной части перерабатываемого топлива. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел и могут быть использованы лишь совместно.

Электротермохимическая подготовка части топлива (ЭТХПТ) позволяет за счет преимущества плазменных процессов газификации наличие большого количества активных центров (возбужденные атомы, молекулы, ионы, электроны, фотоны) резко ускорить протекание химических реакций. Частицы угля, попадая в подготовительных камерах в зону высоких температур, испытывают термоудар, который измельчает уголь до мелкодисперсного состояния, что повышает реакционную способность топлива. Продукты горения с высокой температурой (1300oС) из муфеля поступают в объем реактора, повышая температуру, где вступают в реакцию с углеродом угля и по реакции Будуара восстанавливаются до СО, тем самым повышая калорийность горючего газа. Высокая концентрация энергии в реакционной камере позволяет уменьшить габариты газификатора.

В отличие, от известных способов газификации углей предлагаемый способ газификации в спутном потоке является промежуточным между автотермическим и аллотермическим процессами газификации, т.к. частично тепло вносится за счет электрической дуги плазмотрона, предназначенного для ЭТХПТ, горения части угля в предвключенном муфеле и догорания в камере реактора.

Таким образом, предложена двухступенчатая газификация угля в спутном (смешанном) потоке: на первой ступени осуществляется электротермохимическая подготовка части топлива путем пропускания пылевоздушной смеси (ПВС) через струю плазмы и предварительно нагретые плазмотроном муфели (в виде двух факелов). При достижении температуры в реакторе, достаточной для газификации угля, в реактор подают перегретый пар и угольную пыль (вторая ступень). При этом происходит полная газификация реагентов при дефиците окислителя. Высокая эффективность газификации достигается за счет тангенциальной подачи в цилиндрический реактор ПВС и угольной пыли, эжектируемого перегретого пара, за счет чего реагенты удерживаются в зоне реакции на время, достаточное для полной газификации.

Анализ патентной и научно-технической литературы показал, что из уровня техники не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходную или эквивалентную заявляемой. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

На фиг. 1 схематично изображена предлагаемая установка для газификации; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 узел I на фиг.2 на фиг.4 (узелII - на фиг.2).

Установка для газификации топлива содержит вертикально расположенную цилиндрическую реакционную камеру 1, футерованную изнутри огнеупорным материалом карборундом. Установка снабжена по крайней мере двумя подготовительными камерами 2 и 3 для электротермохимической подготовки топлива (ЭТХПТ), соединенными с нижней частью реакционной камеры 1 и расположенными диаметрально. Каждая подготовительная камера выполнена в виде муфеля 4 со встроенным плазмотроном 5, причем муфели соединены с реакционной камерой 1 тангенциально и направлены навстречу друг другу для создания закрученного пылевоздушного потока. Муфели 4 подготовительных камер 2 и 3 соединены с пылепроводами 6 подачи пылевоздушной смеси (ПВС). Подача воздуха, необходимого для поддержания горения в камере ЭТХПТ, осуществляется посредством дутьевого вентилятора и регулируется шибером.

Питание плазмотронов 5 осуществляется постоянным током от тиристорного преобразователя. Основной поток угольной пыли подается в реакционную камеру 1 тангенциально посредством двух пылепитателей звездочного типа, при этом в точки подачи пыли, расположенные диаметрально, встроены пароструйные эжекторы для подвода перегретого пара.

Образующийся в процессе газификации газ отводится сверху из реакционной камеры 1 и подается в циклон 7, а жидкий шлак направляется в шлакосборник 8, расположенный под реакционной камерой 1.

В зависимости от мощности и габаритов предлагаемая установка для газификации углей может содержать большее, чем 2, количество подготовительных камер, например 4 или 6, при этом камеры могут быть расположены ярусами по высоте реакционной камеры в шахматном порядке.

Предлагаемый способ газификации углей осуществляют следующим образом.

Часть пылевидного топлива с окислителем, в качестве которого используют кислород или воздух, подают в подготовительные камеры для электротермохимической подготовки топлива, где предварительно генерируют поток низкотемпературной плазмы. Пылевоздушная смесь, пройдя через струю плазмы и предварительно нагретые плазмотронами муфели в виде двух факелов, тангенциально поступает в объем реакционной камеры. При достижении температуры, достаточной для газификации угля, в реакционную камеру тангенциально подают основной поток угольной пыли и газифицирующий агент, в качестве которого используют перегретый пар. Поступающие из подготовительных камер в реакционную камеру продукты горения, имеющие высокую температуру (1300 К), вступают в реакцию с углеродом угля и по реакции Будуара восстанавливаются до СО, тем самым повышая калорийность горючего газа. Тангенциальная подача в реакционную камеру продуктов сгорания из подготовительных камер, угольной пыли и эжектируемого перегретого пара обеспечивает удерживание реагентов в зоне реакции на время, достаточное для полной газификации.

Образующийся в процессе газификации газ подается в циклон, где очищается от пыли, а затем может сжигаться в топке или охлаждаться для отопления и образования пара, компремиродаться и по трубопроводам поставляется к потребителям. Жидкий шлак направляют в шлакосборник, расположенный под реакционной камерой.

Предлагаемый способ газификации углей поясняется следующим примером конкретного выполнения.

Для реализации способа была использована установка для газификации углей, содержащая две камеры для ЭТХПТ со встроенными плазмотронами мощностью 66 кВт.

На плазмотроны 5 подают сжатый воздух, охлаждающую воду и включают их в работу. После прогрева подготовительных камер 2 и 3 в них подают пылевоздушную смесь, установив расход 130 кг угля и 400 м3 воздуха в час. Пылевоздушная смесь, пройдя через струю плазмы и предварительно нагретые плазмотронами муфели 4 в виде двух факелов, тангенциально поступает в объем реакционной камеры 1, куда тангенциально подают основной поток угольной пыли - расход 200 кг в час и перегретый пар расход 300 кг в час, температура - 380oС. Продукты горения, поступающие из подготовительных камер 2 и 3 в реакционную камеру 1, обеспечивают резкое ускорение химических реакций, повышая реакционную способность топлива. Тангенциальная подача реагентов позволяет увеличить время их пребывания в реакционной зоне. Среднемассовая температура процесса 1300 К. Полученный в результате газификации газ подают в циклон 7, а жидкий шлак отводят в шлакосборник 8. Состав полученного синтез-газа ( результаты анализа на хроматографе АХГ 002-01 ): содержание кислорода 0 об. содержание углекислого газа Co2 4,8 об. содержание водорода H2 18,2 об. содержание оксида углерода СО 19,1 об. содержание метана СH4 2,1 об.

Использование предлагаемого способа газификации углей и установки для его осуществления позволит значительно снизить энергозатраты за счет сжигания части угля в плазме. Электротермохимическая подготовка топлива (ЭТХПТ) повышает реакционную способность топлива и позволяет вести управляемый процесс горения. Высокая концентрация энергии в реакционной камере за счет ЭТХПТ позволяет уменьшить габариты основного оборудования. Кроме того, обеспечивается повышение качества и выхода получаемого синтез-газа.

Формула изобретения

1. Способ газификации углей, включающий ввод пылевидного топлива посредством дутья и газифицирующего агента в реакционную камеру, отличающийся тем, что перед вводом топлива в реакционную камеру часть топлива с окислителем подают в подготовительные камеры, выполненные в виде муфеля, в которых предварительно генерируют поток низкотемпературной плазмы, осуществляют смешение потока низкотемпературной плазмы с пылевидным топливом, нагрев и возгорание топлива, и поддерживают процесс горения в предвключенных подготовительных камерах, выполненных в виде муфеля, затем продукты сгорания направляют в реакционную камеру, в которую тангенциально вводят основной поток пылевидного топлива и газифицирующий агент для осуществления полной газификации топлива.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве окислителя используют воздух.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве газифицирующего агента используют перегретый пар.

4. Установка для газификации углей, содержащая цилиндрическую реакционную камеру, средства для ввода реагентов и вывода продуктов реакции, отличающаяся тем, что она дополнительно снабжена по крайней мере двумя диаметрально расположенными подготовительными камерами, соединенными с нижней частью реакционной камеры, расположенной вертикально, при этом каждая из подготовительных камер выполнена в виде муфеля со встроенным плазмотроном, причем муфели соединены с реакционной камерой тангенциально и направлены навстречу друг другу, а средства для ввода реагентов установлены между подготовительными камерами, расположены диаметрально и тангенциально соединены с реакционной камерой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

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: 15.04.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 10-2003

Извещение опубликовано: 10.04.2003        




 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технологии микроэлектроники, а именно к устройствам для нанесения покрытий в вакууме

Изобретение относится к плазменной технике, использующейся в плазмохимии и металлургии, более конкретно к трансформаторным плазмотронам низкотемпературной плазмы

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам для термической переработки углей, и может быть использовано на электростанциях, в котельных для получения из низкосортного энергетического угля высококачественного синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода

Изобретение относится к технике электрических разрядов в газе, а именно к конструкции высокочастотных плазмотронов, и может быть использовано в плазмохимии, в процессах тепловой и ионной обработки диэлектрических и металлических материалов и изделий (упрочнение поверхности металлов, плавление, сварка, резка и др.), в диагностике плазмы

Изобретение относится к технологии машиностроения и может быть использовано при плавлении металлов электрической дугой в электрических печах, электроконтактной обработке, плазменной резке, плазменно-механической обработке и других подобных процессах

Изобретение относится к получению водорода и электроэнергии из твердого низкосортного топлива и может быть использовано в энерготехнологических установках тепловых электростанций

Изобретение относится к термической переработке каменного угля, в частности к плазмотермическому способу переработки угля в синтез-газ

Изобретение относится к технике разложения твердого топлива и может быть использовано для получения ацетилена и сопутствующих газообразных продуктов из угля или органического сырья

Изобретение относится к области газификации твердых горючих ископаемых и представляет собой способ получения газообразного экологически чистого энергоносителя - водорода - путем электролиза продуктивного раствора, прошедшего через уголь, и жидких продуктов окисления угля для энергетических и химических целей

Изобретение относится к газификации твердых горючих ископаемых и других углеродсодержащих материалов с использованием электрических средств для производства водорода, углеводородных газов и синтез-газа

Изобретение относится к способу получения ацетилена и синтез-газа или газа-восстановителя из угля по технологии электрической дуги или плазмы и позволяет повысить экономичность способа за счет более полного и эффективного использования сырья

Изобретение относится к облас- - ти термической переработки углей и способствует повышению выхода восстановительного газа и упрощению процесса

Изобретение относится к термической переработке углеродсодержащего топлива с получением синтез-газа, преимущественно для производства аммиака

Изобретение относится к энергетике, в частности, к комбинированной парогазовой установке с плазмотермической газификацией угля, предназначенной для выработки электрической и тепловой энергии, производства сжиженных и газообразных углеводородсодержащих продуктов из угля
Наверх