Энерготехнологическая установка для термической переработки твердого топлива

Изобретение может быть использовано для производства тепловой и электрической энергии, производства газообразных углеводородсодержащих продуктов из угля. Загружают уголь в газогенератор 1, нижнее основание которого выполнено в виде усеченного конуса, по периметру которого установлены плазмотроны. Под углом к продольной оси каждого плазмотрона расположены патрубки узла подвода кислородсодержащего газа 10, симметрично которым установлены патрубки подачи пара 11. Уголь прогревают и продувают кислородсодержащим газом и паром. Образовавшуюся золу удаляют в печь для переработки золы 8, снабженную плазмотронами 40, а синтез-газ подают последовательно в плазмохимический газогенератор 19, узел сероочистки 20, циклон 21, высокотемпературный ресивер 23. Синтез-газ из ресивера 23 подают в реактор твердофазного восстановления 25, трубопровод отходящего газа из которого через дополнительный циклон 27 очистки газа введен в камеру сгорания 28 установки для получения электроэнергии. Изобретение позволяет получать высококачественный металл из руды и угля в одну стадию, увеличить скорость газификации твердого топлива, обеспечить максимальное использование установленной мощности оборудования и экологически выгодный режим работы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике в комбинированных циклах производства тепловой и электрической энергии, производства газообразных углеводородсодержащих продуктов из угля, в частности для внедоменного производства металла на базе прямого восстановления.

Известна энерготехнологическая установка для термической переработки твердого топлива, содержащая футерованый газификатор для получения синтез-газа с установленными в его нижней части плазмотроном, а в верхней - дозатором подачи низкосортного твердого топлива и патрубком отвода нагретого синтез-газа, согласно изобретению, она дополнительно снабжена последовательно установленными накопителем расплава для получения ферросплавов, стабилизирующим реактором и осадительной колонной для получения волокнистого материала, при этом футерованный газификатор снабжен дополнительными плазмотронами и леткой для выпуска окисленного расплава, соединенной на выходе через футерованную канаву с накопителем расплава, в нижней части которого установлен погружной плазмотрон для продувки расплава, в котором на разных уровнях выполнены летки для выпуска полученного ферросплава и обедненного расплава соответственно, последние подсоединены к снабженному стабилизирующим плазмотроном стабилизирующему реактору, который на выходе подсоединен к фидеру, выполненному с электрообогреваемыми отверстиями для слива обедненного расплава, сообщенными с осадительной колонной, в верхней части которой диаметрально установлены в количестве не менее двух плазмотронов под углом 15-60° к оси струи обедненного расплава, при этом патрубок отбора синтез-газа из газификатора через футерованный трубопровод, с установленным в нем обратным клапаном, сообщен с высокотемпературным ресивером, снабженным трубопроводом подачи синтез-газа потребителю, а дозатор выполнен в виде двух герметичных конусов, установленных подвижно с возможностью образования межконусного пространства, причем летки снабжены шиберными затворами, а высокотемпературный ресивер дополнительно подсоединен к одному или более плазменным газификаторам, летки которых подсоединены через футерованные канавы друг к другу и к накопителю расплава (Украина, патент №22590 А, кл. С10В 49/00, С10J 3/18, заявл. 04.04.95 г., опубл. Бюл. №3, 1998).

Недостаток указанной установки заключается в том, что издержки при эксплуатации плазменного газификатора при такой схеме велики и не могут быть скомпенсированы только за счет стоимости получаемого продукта.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принято устройство для получения губчатого железа, цементного клинкера и электроэнергии, содержащее газогенератор с узлом загрузки твердого топлива, подводом кислородсодержащего газа и отводом восстановительного газа, циклон с узлом вывода золы и несгоревшего топлива, установленный на линии отвода восстановительного газа от газогенератора, подогреватель газа, установку для получения губчатого железа со средствами для ввода измельченного железорудного материала, восстановительного газа и средствами для вывода губчатого железа и отработанного газа, согласно изобретению оно снабжено печью для получения цементного клинкера с узлами загрузки твердого топлива и известняка и выгрузки цементного клинкера, подводом кислородсодержащего газа, отводом отработанного газа, змеевиком и комбинированной установкой для получения электроэнергии, содержащей турбину, компрессор и генератор электроэнергии, при этом узел загрузки печи для получения цементного клинкера соединен с узлом вывода золы и несгоревшего топлива циклона, а змеевик размещен внутри печи и соединен одним концом с турбиной, а другим - с компрессором, причем турбина соединена с подводом кислородсодержащего газа газогенератора и печи для получения цементного клинкера и дополнительно установленным электрофильтром для очистки восстановительного газа от пыли (Патент России №2023016, кл. 5 С21В 13/00, заявл. 08.04.91, опубл. Бюл. №21, 1994).

Недостатком этого устройства является громоздкость и сложность аппаратурного оформления и повышенные требования к качеству топлива.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования энерготехнологической установки для термической переработки твердого топлива, в которой за счет оптимального конструктивного ее оформления и дополнительного ввода в схему оборудования обеспечить работу установки с широким ассортиментом производимого продукта при малых капитальных и эксплуатационных затратах и максимальной прибыли от перерабатываемого сырья, обеспечивая при этом повышенные требования экологии.

Поставленная задача решается тем, что в энерготехнологической установке для термической переработки твердого топлива, содержащей газогенератор с узлом загрузки твердого топлива, узлами подвода кислородсодержащего газа и отвода синтез-газа, циклон с узлом вывода золы и несгоревшего топлива, установленный на линии отвода синтез-газа от газогенератора, реактор твердофазного восстановления со средствами для ввода восстановительного газа и средствами для вывода восстановленного железа и отходящего газа, установку для получения электроэнергии, согласно изобретению, газогенератор в нижней части выполнен в виде усеченного конуса, малое основание которого сопряжено с каналом-накопителем, в котором с возможностью продольного перемещения установлен толкатель с механизмом привода, а рабочая полость канала-накопителя через шибер герметично связана наклонной течкой с печью для переработки золы, в которой установлены плазмотроны косвенного действия, при этом по периметру усеченного конуса газогенератора, оппозитно друг другу установлены плазмотроны, а патрубки узла подвода кислородсодержащего газа расположены под углом к продольной оси каждого плазмотрона, симметрично которым установлены патрубки подачи пара, а на внутренней поверхности усеченного конуса, выше плоскости установки плазмотронов, расположены распределительные решетки с коллекторами и патрубками, связанными с узлом смешения кислородсодержащего газа и пара, а на участке отвода синтез-газа между газогенератором и циклоном последовательно расположены обратный клапан, плазмохимический газогенератор и узел сероочистки, а циклон очистки через футерованный трубопровод с установленным обратным клапаном соединен с высокотемпературным ресивером, снабженным трубопроводом подачи синтез-газа в реактор твердофазного восстановления, трубопровод отходящего газа из которого через дополнительный циклон очистки газа введен в камеру сгорания установки для получения электроэнергии, при этом участок трубопровода после циклона имеет ответвление, которое через фильтр, теплообменник и компрессор соединено с плазмотронами печи для переработки золы и с плазмотронами, установленными в плазменной плавильной печи, причем трубопровод отходящего газа из плавильной печи связан с печью для переработки золы, трубопровод отходящего газа из которой соединен с нижней конусной частью газогенератора, а патрубки узла подвода кислородсодержащего газа и патрубки подачи пара снабжены форсунками.

При газификации твердого топлива в нижней части газогенератора остается зола, которая осаждается в канале-накопителе, и по мере накопления золы, ее перегружают с помощью толкателя в печь для последующей ее переработки. Данный узел позволяет облегчить задачу удаления золы из газогенератора. Рабочая полость канала-накопителя через шибер герметично связана наклонной течкой с печью для переработки золы, что дает возможность не прекращать подачу дутья в газогенератор, так как изменение подачи кислородсодержащего газа или пара вызывает изменение всех соотношений получаемого состава газа. В нижней части боковых стенок печи для переработки золы установлены плазмотроны, которые являются источниками тепла и генераторами плазмы.

По периметру усеченного конуса газогенератора в одной плоскости, оппозитно друг другу, установлены плазмотроны, а симметрично продольной оси каждого плазмотрона, под углом к ней, установлены патрубки подачи кислородсодержащего газа и пара.

Данное конструктивное исполнение обеспечивает формирование зоны газификации или реакционной зоны. Скорость газификации твердого натурального топлива определяется скоростью его тепловой подготовки к реакции и скоростью химических реакций топлива с дутьем. С помощью плазмотронов и направленного дутья в реакционную зону кислородсодержащего газа и пара создается высокотемпературный очаг горения, обеспечивающий максимальную интенсификацию процесса на начальных стадиях нагрева топлива.

На внутренней поверхности усеченного конуса газогенератора, выше плоскости установки плазмотронов, расположены распределительные решетки с коллекторами и патрубками, связанными с узлами смешения кислородсодержащего газа и пара.

Это дает возможность равномерно распределить в зоне газификации кислородсодержащий газ и пар с заданным соотношением, с соответствующим подбором дутьевого режима, что исключаем локальное повышение температуры в отдельных участках слоя, приводящее к местным шлакованиям.

По условиям технологии прямого восстановления железных руд и производства электроэнергии, а также по соображениям охраны окружающей среды требуются раздельные стадии обработки сырого газа, получаемого в газогенераторе до требуемых кондиций. Поэтому на участке трубопровода отвода газа последовательно расположены плазмохимический газогенератор, узел сероочистки, циклон очистки, ресивер, из которого очищенный синтез-газ направляют в реактор твердофазного восстановления.

Восстановленный в реакторе железорудный материал направляют в плазменную плавильную печь, а отходящий из реактора колошниковый газ после очистки направляют в установку для получения электроэнергии и по отдельному контуру - через фильтр тонкой очистки, теплообменник и компрессор - на плазмотроны плазменной плавильной печи и плазмотроны печи для переработки золы.

Установка плазмохимического газогенератора в магистрали отвода газа из газогенератора вызвана необходимостью удаления смолы в составе газа до подачи его на узел сероочистки. Сероочистка осуществляется одновременно с удалением двуокиси углерода, что вызвано технологией получения синтез-газа. В закрытом объеме газогенератора под воздействием высокотемпературных плазменных струй смола, представляющая собой смесь жидких продуктов термического разложения органической массы топлива, разлагается на активные газовые компоненты.

Коксозольный остаток после выхода из циклона, установленного на участке отвода газа из газогенератора, а также остатки продуктов очистки в дополнительных циклонах, направляются в печь для переработки золы, а отходящий из этой печи газ - в газогенератор.

Таким образом, предложенная конструкция установки обеспечивает максимальное использование установленной мощности оборудования, экологически выгодный режим его работы и повышает удельную производительность за счет интенсификации реакции газообразования.

Установка поясняется чертежом, на котором представлена технологическая схема заявляемой энерготехнологической установки для термической переработки твердого топлива с реактором твердофазного восстановления, печью для переработки золы и плавильной печью, а также установкой для получения электроэнергии.

Установка включает газогенератор 1, который представляет собой кирпичную шахту в железном корпусе, в верхней части которого расположено загрузочное устройство 2. Нижняя часть газогенератора 1 выполнена в виде усеченного конуса, малое основание которого сопряжено с узлом разгрузки золы. Узел разгрузки золы включает канал-накопитель 3, в котором с возможностью продольного перемещения установлен толкатель 4 с механизмом привода 5. Рабочая полость канала-накопителя 3 через шибер 6 герметично связана наклонной течкой 7 с внутренней полостью печи 8 для переработки золы. В нижней конусной части газогенератора 1 равномерно по периметру корпуса, оппозитно друг другу расположены плазмотроны 9. Патрубки 10 и 11 подвода кислородсодержащего газа и пара снабжены форсунками 12, расположенными под углом к оси каждого плазмотрона симметрично друг другу. Выше плоскости расположения плазмотронов 9, на внутренней поверхности конуса расположены распределительные решетки 13. Трубопроводы подачи кислородсодержащего газа и пара через обратные клапаны 15 и 16, узел 17 смешения и патрубок 14 гидравлически связаны с внутренней полостью газогенератора через распределительные решетки 13. Трубопровод отходящего из газогенератора 1 газа через обратный клапан 18, плазмохимический газогенератор 19, узел 20 сероочистки, циклон 21 очистки газа и обратный клапан 22 связан с ресивером 23. Высокотемпературный ресивер 23 состоит из герметичного корпуса, футерованого огнеупорным кирпичом. Из ресивера 23 синтез-газ через обратный клапан 24 подается к потребителю, или в нижнюю часть реактора 25 твердофазного восстановления. Трубопровод 26 транспортирования отходящего колошникового газа из реактора 25 через дополнительный циклон 27 очистки газа введен в камеру сгорания 28 установки 29 для получения электроэнергии. Участок трубопровода, расположенный после дополнительного циклона 27, имеет ответвление, которое через фильтр 30, теплообменник 31 и компрессор 32 соединено с плазмотронами 33, установленными в плазменной плавильной печи 34, а также с плазмотронами печи 8 для переработки золы. Отходящий газ из плавильной печи 34 трубопроводом связан с печью 8 для переработки золы, а трубопровод отходящего газа из печи 8 соединен с нижней частью газогенератора 1.

Газогенератор 1 имеет футерованный замкнутый газовый контур, включающий патрубок 35 отбора газа из верхней части газогенератора, связанный через обратный клапан 36 с дополнительным циклоном 37, трубопровод очищенного газа из которого через газодувку 38 соединен с нижней частью газогенератора через патрубок 39. Тракт возврата твердых остатков из футерованных циклонов 21, 27 и 37 соединен с печью 8 для переработки золы, в которой установлены плазмотроны 40 и летка 41 для слива металла и шлака, а также загрузочное устройство 42 для подачи в печь твердого углерода.

Установка работает следующим образом.

В газогенераторе 1 используются угольные брикеты, которые поступают в его верхнюю часть через загрузочное устройство 2. Топливо в виде брикетов позволяет применять более высокую интенсивность дутья без опасения уноса топлива газами. После загрузки топлива в газогенератор включают плазмотроны 9 и подают в зону плазменной струи через патрубки 10 и 11 и форсунки 12 кислородсодержащий газ и пар. В результате этого формируется зона газификации или реакционная зона. После прогрева материала и достижения температуры 600-700°С в реакционной зоне отключают плазмотроны 9 и продолжают продувку материала кислородсодержащим газом и водяным паром. Дополнительное дутье подводится через узлы 17 смешения кислородсодержащего газа и пара через патрубки 14 под решетки 13 и распределяется через щели по периметру усеченного конуса газогенератора. Кислородсодержащий газ и пар, поднимаясь кверху, взаимодействуют с раскаленным углеродом, в результате чего образуется газообразное топливо. Расход тепла на образование синтез-газа обеспечивается физическим теплом циркулирующей высоконагретой парогазовой смеси, вводимой в реакционную зону.

В результате термического разложения топлива в газогенераторе образующаяся зола опускается под действием собственной массы к основанию газогенератора и подается в канал-накопитель 3 при закрытом шибере 6. Периодически удаляют золу, при этом открывают шибер 6, включают механизм привода 5 и толкателем 4 золу перепускают через наклонную течку 7 в печь 8 для переработки золы.

Нагретый в газогенераторе 1 до температуры 1000-1500°С газ газотранспортным трубопроводом через обратный клапан 18, плазмохимический газогенератор 19, узел сероочистки 20 и циклон 21 очистки газа через клапан 22 подается в высокотемпературный ресивер 23. Газ, проходя через плазмохимический газогенератор 19 и взаимодействуя с плазменными факелами в безокислительной среде, практически полностью освобождается от смолы за счет термического разложения циркулирующих углеводородов. Работа узла сероочистки 20 основана на использовании твердых реагентов, преимущественно окислов металлов (известняк, доломит, боксит) для обеспечения очистки при высоких температурах 600-1000°С. Синтез-газ из ресивера 23 через обратный клапан подают в нижнюю часть реактора 25 твердофазного восстановления, заполненного кусковыми железорудными материалами, например промышленными окатышами. Материал после восстановления перегружают в плазменную плавильную печь 34. Отходящий колошниковый газ из реактора 25 твердофазного восстановления через дополнительный циклон 27 очистки подают в камеру сгорания 28 установки 29 для получения электроэнергии. На участке трубопровода после дополнительного циклона 27 через газовую магистраль перепускают часть газа через фильтр 30, теплообменник 31 и компрессор 32 на плазмотроны 33 плазменной плавильной печи и плазмотроны 40, установленные в печи 8 для переработки золы. Отходящий газ из плазменной плавильной печи 34 направляют в печь 8 для переработки золы, а отходящий газ из печи 8 отводят в нижнюю часть газогенератора 1. С целью поддержания температуры в реакционной зоне, отбирают высококалорийный газ из верхней части газогенератора и через замкнутый газовый контур, включающий циклон 37, газодувку 38, вдувают его в нижнюю конусную часть газогенератора через патрубок 39.

Коксозольные остатки в циклонах 21, 27 и 37 после очистки газа направляют в печь 8 для переработки золы. При заполнении печи 8 золой включают плазмотроны 40, генерирующие восстановительную плазменную струю со среднемассовой температурой 3000-3500°С, и восстанавливают имеющиеся в ней окислы металлов, например окислы железа и кремния. Сначала восстанавливают железо. Через летку 41 сливают часть железа. Затем в расплав добавляют уголь и восстанавливают кремний, который выпускают через летку 41.

Данное изобретение позволяет практически без отходов получать высококачественный металл из руды и угля в одну стадию, увеличить скорость газификации твердого натурального топлива, обеспечить максимальное использование установленной мощности оборудования и экологически выгодный режим его работы.

1. Энерготехнологическая установка для термической переработки твердого топлива, содержащая газогенератор с узлом загрузки твердого топлива, узлами подвода кислородсодержащего газа и отвода сингез-газа, циклон с узлом вывода золы и несгоревшего топлива, установленный на линии отвода синтез-газа от газогенератора, реактор твердофазного восстановления со средствами для ввода восстановительного газа и средствами для вывода восстановленного железа и отходящего газа, установку для получения электроэнергии, отличающаяся тем, что газогенератор в нижней части выполнен в виде усеченного конуса, малое основание которого сопряжено с каналом-накопителем, в котором с возможностью продольного перемещения установлен толкатель с механизмом привода, а рабочая полость канала-накопителя через шибер герметично связана наклонной течкой с печью для переработки золы, в которой установлены плазмотроны косвенного действия, при этом по периметру усеченного конуса газогенератора оппозитно друг другу установлены плазмотроны, а патрубки узла подвода кислородсодержащего газа расположены под углом к продольной оси каждого плазмотрона, симметрично которым установлены патрубки подачи пара, а на внутренней поверхности усеченного конуса, выше плоскости установки плазмотронов, расположены распределительные решетки с коллекторами и патрубками, связанными с узлом смешения кислородсодержащего газа и пара, а на участке отвода синтез-газа между газогенератором и циклоном последовательно расположены обратный клапан, плазмохимический газогенератор и узел сероочистки, а циклон очистки через футерованный трубопровод с установленным обратным клапаном соединен с высокотемпературным ресивером, снабженным трубопроводом подачи синтез-газа в реактор твердофазного восстановления, трубопровод отходящего газа из которого через дополнительный циклон очистки газа введен в камеру сгорания установки для получения электроэнергии, при этом участок трубопровода после циклона имеет ответвление, которое через фильтр, теплообменник и компрессор соединено с плазмотронами печи для переработки золы и с плазмотронами, установленными в плазменной плавильной печи, причем трубопровод отходящего газа из плавильной печи связан с печью для переработки золы, трубопровод отходящего газа из которой соединен с нижней конусной частью газогенератора.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что патрубки узла подвода кислородсодержащего газа и патрубки подачи пара снабжены форсунками.