Способ комплексной переработки углей и установка для его осуществления
Владельцы патента RU 2413749:
Открытое акционерное общество "Украинский институт по проектированию нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий" (ОАО "УКРНЕФТЕХИМПРОЕКТ") (UA)
Настоящее изобретение относится к переработке углей и направлено на производство синтетических жидких топлив и горючих газов. Описан способ комплексной переработки углей для получения жидких топлив и горючих газов, включающий приготовление масляно-угольной суспензии из пылевидного угля и тяжелого масла; полукоксование суспензии в реакторе под давлением 2-5 МПа и интервале температур 500-680°С с использованием в качестве теплоносителя перегретого до 800-900°С водяного пара; сепарацию полукокса от парогазовой смеси; охлаждение и разделение парогазовой смеси на бензиновую и газойлевую фракции и тяжелое масло; парокислородную газификацию полученного полукокса и тяжелого масла с получением синтез-газа; охлаждение и очистку синтез-газа. Также описана Установка для получения жидких топлив и горючих газов из углей по п.1, состоящая из аппарата приготовления суспензии, соединенного с реактором полукоксования, к которому подключен пароперегреватель, причем реактор полукоксования соединен с сепаратором, один выход которого соединен с последовательно установленными контактным теплообменником, масляным скруббером и ректификационной колонной, а второй - с газификатором, соединенным с котлом-утилизатором, соединенным с водяным скруббером с отстойником, который соединен с абсорбером сернистых соединений, а затем с десорбером, причем первичное охлаждение парогазовой смеси производится тяжелым маслом в контактном теплообменнике, другая часть масла направляется в аппарат приготовления суспензии, а балансовое количество - в газификатор. Технический результат - совместное получение синтетических топлив и среднекалорийных газов из углей без контакта промежуточных продуктов с атмосферным воздухом, обеспечивающее снижение производственных затрат и минимальный выброс вредных веществ в окружающую среду. 2 н.п.ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к топливно-энергетическому комплексу, конкретнее - к производству синтетических жидких топлив (СЖТ) и горючих газов из каменных и бурых углей.
Основными способами переработки каменных и бурых углей являются термическая деструкция, гидрогенизация, термическое ожижение, газификация окислителями. Все эти способы являются энергозатратными и по сравнению с переработкой нефти широкого распространения не получили. По прогнозам снижение цены на нефть в 2009 г. не будет долговременным. И в настоящее время во многих странах исследуются способы переработки твердых топлив в СЖТ и горючие газы. Уже работающие заводы по производству СЖТ и высококалорийных газов доказывают экономическую целесообразность этих производств. Но затраты на производство СЖТ и газов из углей остаются высоким. Кроме того, происходит значительный выброс вредных веществ в окружающую среду.
Известны различные способы полукоксования и газификации углей [1, 2]. Близким к изобретению является процесс полукоксования с внутренним обогревом слоя угля газовыми теплоносителями, которыми являются продукты сгорания газа с большим избытком воздуха. Эти газы, имеющие температуру 600-750°С, пронизывают слой угля и нагревают его до температуры 460-620°С, при которой происходит полукоксование. Нагревающие газы смешиваются с газообразными продуктами коксования и отводятся из реактора. Таким способом получают низкокалорийный газ (Qн=5800-8800 кДж/м3), содержащий смолы, фенолы и другие жидкие углеводороды. Из него обычно выделяются смолы, а газ используется для собственных нужд без очистки. Следовательно, процесс полукоксования с газовым теплоносителем малоэффективен и экологически грязный и в настоящее время почти не применяется [1].
Известны способы полукоксования (термического пиролиза) пылевидного угля при нагреве его газовым и твердым теплоносителями в проточных реакторах [2]. Жидкие продукты (смолу пиролиза) разгоняют на фракции и затем подвергают гидрогенизационной переработке для получения моторных топлив. Но вследствие больших производственных затрат эти способы не нашли промышленного применения.
Известны способы одно- и двухступенчатой газификации твердых топлив окислителями (О2, Н2О), в которых сначала производится пиролиз углей с получением кокса или полукокса (в зависимости от условий), а затем парокислородная газификация твердого остатка. Во всех этих процессах получают газ со средней теплотой сгорания (12000-17000 кДж/м3). СЖТ таким способами не получают [1, 3].
Аналогами изобретения являются процессы "Synthan" Американского горного бюро и "Bi-gas" фирмы "Битоминоус коул Рисерч" [4, 5].
Целевым продуктом этих процессов является смесь газов полукоксования угля и парокислородной конверсии полукокса. Реактор (газификатор) состоит из двух секций с кипящим слоем. Мелкозернистый уголь подают в верхнюю зону газификатора, куда снизу поступает конвертированный газ, служащий теплоносителем. Образовавшийся полукокс пересыпается в нижнюю секцию, где газифицируется парокислородной смесью. Эти процессы имеют существенные недостатки. В зоне полукоксования образуется газ, содержащий смолы, фенолы, тяжелые углеводороды. Поэтому необходима глубокая очистка газа, но содержание побочных продуктов незначительно, и они часто не используются, ухудшая экологическую обстановку.
Для реакторов с кипящим слоем характерно полное перемешивание всех ингредиентов, и выводимый снизу газификатора коксозольный остаток содержит значительное количество кокса. Поэтому коэффициент использования углерода не превышает 90%, а энергетический КПД - около 70%. Назначением процессов "Bi-gas" и "Synthan" является получение только горючих газов, а теплоносителем для процесса полукоксования являются газы газификации полукокса. Поэтому ни один из них нельзя считать прототипом представленного изобретения, основным назначением которого является получение синтетических жидких топлив и горючих газов. Более близкие аналоги неизвестны.
Целью изобретения является совместное получение синтетических жидких топлив (бензиновых и газойлевых фракций) и среднекалорийных газов из углей без контакта промежуточных продуктов с атмосферным воздухом. Это приводит к снижению производственных затрат на получение вторичных топлив и минимальному выбросу вредных веществ в окружающую среду. Указанная цель достигается путем двухступенчатой переработки углей. На первой стадии осуществляется полукоксование угля с получением СЖТ и полукокса, а на второй стадии - парокислородная газификация полученного полукокса.
Заявленный способ осуществляется следующим образом. На первой стадии проводят полукоксование угля с использованием в качестве теплоносителя перегретого водяного пара. Газообразные продукты пиролиза вместе с паром отводятся на охлаждение и разделение. Отсепарированный полукокс вместе с золой поступает на вторую стадию переработки путем парокислородной газификации. При этом образуется синтез-газ (H2, CO, СО2, H2S) и зольный остаток, который выводится из нижней части реактора. В результате целевыми продуктами комбинированного способа переработки углей являются: газ полукоксования, бензиновая фракция, газойлевая фракция и синтез-газ. Путем изменения параметров процессов может варьироваться выход этих продуктов. Совместное получение этих продуктов и более полное использование их физической теплоты (энтальпии) приводит к существенному снижению удельных капитальных вложений и себестоимости продукции.
Способ комплексной переработки углей включает следующие процессы: приготовление сырья для полукоксования - масляно-угольной суспензии из пылевидного угля и тяжелого масла; полукоксование (термический пиролиз) суспензии в реакторе под давлением 2-5 МПа и интервале температур 500-680°С с использованием в качестве теплоносителя перегретого до 800-900°С водяного пара; сепарация полукокса от парогазовой смеси; охлаждение и разделение парогазовой смеси на бензиновую и газойлевую фракции и тяжелое масло; парокислородная газификация полученного полукокса и тяжелого масла с получением синтез-газа; охлаждение и очистка синтез-газа.
По заявленному способу могут быть переработаны «жирные» каменные и все бурые угли с любым содержанием золы и влаги. Но с большей эффективностью перерабатываются обогащенные угли с зольностью не более 10 и влажностью не более 5%.
Пылевидный уголь с размерами частиц до 0,1 мм смешивают с тяжелым маслом собственного производства и полученную суспензию (пульпу) специальным насосом высокого давления подают в реактор полукоксования, куда также подают перегретый водяной пар с температурой 800-900°С. Давление в реакторе 2-5 МПа. Сырье смешивается с паром и в зависимости от отношения пар: сырье и температуры пара температура смеси будет на уровне 620-680°С. При этой температуре в пылегазовом потоке происходит термический пиролиз угля и тяжелого масла. В результате пиролиза масла увеличивается выход более легких продуктов (в основном бензиновой и газойлевой фракций). Суммарная реакция пиролиза эндотермическая, с небольшим тепловым эффектом, и происходит снижение температуры реагирующей смеси до 500-570°С. При полукоксовании «жирных» каменных углей с выходом летучих веществ 35-40% и бурых углей с выходом летучих веществ 45-55% на органическую массу угля и при отношении уголь:тяжелое масло 1:1 получается ориентировочно следующий выход продуктов (кг на 1 т органической массы угля):
| каменные угли | бурые угли | |
| Газ полукоксования (C1-C4, CO, CO2) | 70-100 | 60-100 |
| Бензиновая фракция (<220°С) | 30-60 | 30-50 |
| Газойлевая фракция (220-350°С) | 60-80 | 50-70 |
| Тяжелое масло (>350°С) | 60-90 | 70-100 |
| Полукокс | 600-700 | 600-650 |
| Пиролитическая вода | 30-50 | 50-80 |
После отделения полукокса парогазовая смесь охлаждается до температуры 350-400°С в смесительном холодильнике и масляном скруббере и подается в ректификационную колонну, где разделяется на газопаровую фракцию (C1-C4, Н2О), газойль и тяжелое масло. Верхний продукт колонны охлаждается до 30-40°С, частично конденсируется и затем разделяется на газ, водяной конденсат и бензин. Необходимое количество тяжелого масла подают на приготовление суспензии, остальное - на газификацию.
Полученные путем полукоксования полукокс и тяжелое масло газифицируются для получения синтез-газа (искусственного газа) - экологически чистого топлива или сырья для органического синтеза. Используется парокислородная газификация в потоке. Для газификации 1 тонны угля требуется приблизительно 360 кг кислорода и 400 кг водяного пара. Давление в газификаторе немного ниже, чем в реакторе полукоксования и составляет 1,9-4,8 МПа, максимальная температура в реакционной зоне 1350-1400°С, а на выходе - около 1200-1300°С, и продуктами реакции являются только Н2, СО, СO2, Н2S с незначительной примесью других газов. Синтез-газ охлаждается в котле-утилизаторе с выработкой пара и в водяном скруббере, а затем очищается от сернистых соединений известными способами. Таким образом, продуктами комплексной переработки угля являются синтетические жидкие топлива - бензиновая и газойлевая фракции и горючие газы. Для указанных выше углей выход продуктов приблизительно составит (кг на 1 тонну органической массы угля):
| каменные угли | бурые угли | |
| Синтез-газ | 1650 | 1530 |
| Углеводородный газ | 100 | 90 |
| Бензиновая фракция | 60 | 40 |
| Газойлевая фракция | 70 | 60 |
Заявленный способ переработки углей осуществляется на технологической установке, обладающей существенной новизной. Принципиальная схема технологической установки приведена на чертеже. Установка содержит аппарат для получения масляно-угольной суспензии (пульпы) 1, насос для суспензии 2, реактор полукоксования 3, циклонные сепараторы 4 и 10, пароперегреватель 5, смесительный холодильник 6, масляный скруббер 7, ректификационную колонну 8, трехфазный разделитель 9, газификатор 11, котел-утилизатор 12, водяной скруббер 13, отстойник 14, абсорбер 15, десорбер 16.
Пылевидный уголь с размерами частиц до 0,1 мм подают в аппарат приготовления масляно-угольной суспензии 1. Суспензию с отношением уголь:масло, равным (1,2-0,8):1, получают при атмосферном давлении и температуре 150-300°С при интенсивном механическом или кавитационном перемешивании. При этом происходит частичное растворение угля в масле.
Аппарат приготовления суспензии 1 через насос 2 соединен с реактором полукоксования 3, давление в котором находится в пределах 2-5 МПа. Реактор соединен также с пароперегревателем 5, в котором перегревается водяной пар под давлением 3-6 МПа до температуры 800-900°С. Пар распыляет масляно-угольную суспензию, и дисперсная смесь движется вниз и происходит пиролиз смеси. Низ реактора соединен с циклонным сепаратором 4, который по парогазовой фазе соединен со смесительным холодильником 6, в который подается охлажденное тяжелое масло. Выход холодильника соединен с масляным скруббером 7, в который поступает парожидкостная смесь с температурой 300-400°С. Скруббер соединен с ректификационной колонной 8, верх которой соединен с трехфазным разделителем 9, из которого отводится газ полукоксования, а жидкость расслаивается на бензин и водяной конденсат. Газойлевая фракция отводится с середины, а тяжелое масло - с низа колонны 8.
Трубопроводы тяжелого масла и пылевидного кокса из сепараторов 4 и 10 объединены в один трубопровод, который связан с котлом-утилизатором 12. Общий трубопровод соединен с газификатором 11. В газификатор подают кислород и происходит парокислородная газификация сырьевой смеси. Газификатор по газовой фазе соединен с котлом утилизатором, в котором синтез-газ охлаждается до 300-400°С. Котел-утилизатор соединен с водяным скруббером 13 с отстойником 14. Скруббер соединен с абсорбером сернистых соединений 15, который по абсорбенту соединен с десорбером 16. Из абсорбера отводится очищенный от сернистых соединений синтез-газ, а из десорбера - газ, содержащий H2S с примесью COS, CO2 и других газов, который направляется на установку получения серы или серной кислоты.
Отстойник 14 соединен с газификатором 11, и часть воды из него используется для тушения шлака, а остальная часть воды направляется на очистные сооружения.
СПИСОК ССЫЛОК
1. Химические вещества из угля / под. ред. Ю.Фальбе. - М.: Химия, 1980. - 516 с.
2. Чуханов З.Ф. Некоторые проблемы топлива и энергетики. М.: Изд. АНСССР, 1961. - 478 с.
3. Справочник азотчика. 2-е изд. - М.: Химия, 1986. - 512 с.
4. Corder W.C., Batschelder H.R. 5-th Synthetic pipeline Gas Simposium, Chicago, 1973.
5. Grace R.J. et al. Design of Bi-gas Pilot plant. 5-th Synthetic pipeline Gas Simposium, Chicago, 1973.
1. Способ комплексной переработки углей для получения жидких топлив и горючих газов, включающий приготовление масляно-угольной суспензии из пылевидного угля и тяжелого масла; полукоксование суспензии в реакторе под давлением 2-5 МПа и интервале температур 500-680°С с использованием в качестве теплоносителя перегретого до 800-900°С водяного пара; сепарацию полукокса от парогазовой смеси; охлаждение и разделение парогазовой смеси на бензиновую и газойлевую фракции и тяжелое масло; парокислородную газификацию полученного полукокса и тяжелого масла с получением синтез-газа; охлаждение и очистку синтез-газа.
2. Установка для получения жидких топлив и горючих газов из углей по п.1, состоящая из аппарата приготовления суспензии, соединенного с реактором полукоксования, к которому подключен пароперегреватель, причем реактор полукоксования соединен с сепаратором, один выход которого соединен с последовательно установленными контактным теплообменником, масляным скруббером и ректификационной колонной, а второй - с газификатором, соединенным с котлом-утилизатором, соединенным с водяным скруббером с отстойником, который соединен с абсорбером сернистых соединений, а затем с десорбером, причем первичное охлаждение парогазовой смеси производится тяжелым маслом в контактном теплообменнике, другая часть масла направляется в аппарат приготовления суспензии, а балансовое количество - в газификатор.
