Способ и устройство для обработки потоков текучей среды, полученных во время сгорания

Изобретение относится к способу и устройству для обработки потоков текучей среды, получаемых при газификации топлива. Способ включает понижение давления в выведенной из смесительного резервуара суспензии по меньшей мере на одной последующей стадии при испарении по меньшей мере части воды и снижении температуры, охлаждение образующего пара посредством прямого контакта с водой и его конденсацию. При этом суспензию из одной стадии понижения давления подают на последующую стадию понижения давления. Образующийся конденсат следующей стадии понижения давления и/или образующийся конденсат из первой стадии понижения давления подают в смесительный резервуар. Устройство содержит несколько последовательно соединенных промывных башен (7а-7d) понижения давления с соединительными трубопроводами соответствующих отстойников (8a-8d) для суспензии и сливными трубопроводами (10a-10d) конденсата, проходящими от последующей промывной башни в предшествующую промывную башню и/или в смесительный резервуар. Использование изобретения обеспечивает оптимальное использование теплосодержания и количества воды для охлаждения и конденсации. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к способу обработки потоков текучей среды, получаемых при газификации содержащего углерод и золу топлива, охарактеризованному в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к устройству для обработки потоков текучей среды, получаемых при газификации содержащего углерод и золу топлива.

Производство содержащего водород и окись углерода неочищенного газа из углеродосодержащих видов топлива происходит, как правило, посредством газификации кислородосодержащим газом при повышенной температуре. Топливо подвергается реакции с газом в подходящем для этого реакторе, при этом помимо неочищенного газа получают твердый или сжиженный побочный продукт, который, как правило, состоит из летучей золы и сжиженного шлака и негазированного топлива. Наряду с основными компонентами оксида углерода и водорода, неочищенный газ содержит такие другие газы и пары, такие как диоксид углерода, водяной пар, сернистые, азотные и хлорные соединения, которые большей частью должны быть удалены из газа.

Как правило, удаление пыли и очистка неочищенного газа происходит при значительно более низких температурах, чем газификация. Поэтому неочищенный газ сначала охлаждается посредством непрямого теплообмена или за счет смешивания с более холодной средой. Неочищенный газ часто смешивают с водой, которая полностью или частично испаряется, за счет чего содержание воды в газе увеличивается. Если в неочищенный газ подается больше воды, чем испаряется, то неиспарившаяся вода вместе с находящимися в газе твердыми веществами частично выделяется и отдельно выводится из области смешивания в виде суспензии. Суспензия из твердых веществ содержит еще растворенные газы и водорастворимые субстанции, которые возникают при процессе газификации, например НСН, NH₃, или нейтрализации кислот щелочью, например NaCl.

Охлажденный неочищенный газ еще содержит небольшое количество пыли, которая, как правило, для последующего применения должна быть удалена из процесса. Это может происходить за счет процессов промывки и фильтрации. После этого неочищенный газ часто подвергается промывке кислого газа, при которой кислые газы удаляются из системы. Если неочищенный газ необходим для выработки водорода или не содержащего водород газа, как правило, осуществляется превращение моноксида углерода в диоксид углерода с последующим отделением диоксида углерода.

Образованная из неиспарившейся воды и вымытых из неочищенного газа твердых веществ и отделенная в смесительном резервуаре суспензия должна выводиться из смесительного резервуара при достижении определенной концентрации твердых веществ, например 5% весовой доли, для предотвращения седиментации твердых веществ.

Из выведенной суспензии должны быть отделены твердые вещества. Однако суспензия - горячая, например, 200°C и находится под высоким давлением, например 3 МПа. При таких условиях удаление твердых веществ было бы очень затруднительным, поэтому, как правило, сначала в суспензии уменьшают давление и охлаждают, и лишь затем отделяют твердые вещества. Для отделения суспендированных мельчайших частиц вода направляется, главным образом, в осветлительный или отстойный бассейн, при этом для эффективного и недорого отделения предпочтительной является низкая температура, например, 50°C.

При охлаждении суспензии бесцельно теряется подавляющая часть тепловой и кинетической энергии. Полученная за счет отделения вода с низким содержанием твердых веществ обычно отводится назад в смесительный сосуд для смешивания с неочищенным газом. Является предпочтительным перед подачей в смесительный сосуд снова подогревать отведенную назад воду, и при этом использовать тепло из охлаждения суспензии. Однако подогрев воды в теплообменнике приводит к интенсивному образованию отложений на теплообменных поверхностях, так как суспензия и отведенная вода содержат многочисленные вымытые из неочищенного газа и летучей золы субстанции.

Из ЕР 0648828 В (=DE 69405 841-Т2) известен способ-прототип, при этом синтез-газ или же неочищенный газ подается там в промывочный резервуар для того, чтобы затем осуществлять следующие этапы обработки, в то время как суспензия подается на испарительный барабан. Из US 4074981 или US 5345756 известны способ и установки для газификации углеродосодержащих видов топлива, но в них содержится мало указаний, как можно далее обрабатывать соответственно образующуюся суспензию из смесительного резервуара.

Из DE 4109231 С известен способ утилизации углеродосодержащих, отягощенных галогенами твердых веществ, которые в текучем состоянии подаются в реактор. Полученный газ быстро охлаждается подщелоченной водой, для того чтобы охладить газ и вымыть сажу и щелочи. Способ и устройство для обработки отработанной воды устройства для промывки синтез-газа с помощью вакуумного разряда и для получения пара известны из DE 69831867 Т. В этом способе уменьшение давления и использование отводимого тепла из-за более низких температур практически невозможно, при этом отведенный обратно для быстрого охлаждения конденсат также не подогревается.

Задача изобретения заключается в разработке способа и устройства, с помощью которого можно оптимально использовать находящиеся в системе теплосодержания, равно как и требуемые для охлаждения и конденсации количества воды, при этом последние должны быть рециркулированы.

С помощью способа вышеупомянутого типа эта задача согласно изобретению решена посредством того, что предусмотрено несколько стадий понижения давления, при этом суспензию из одной стадии понижения давления подают на последующую стадию понижения давления, а образующийся конденсат следующей стадии понижения давления отводят обратно в предшествующую стадию понижения давления и/или образующийся конденсат из первой стадии понижения давления подают в смесительный резервуар.

Посредством предлагаемой обработки суспензии из пыли и сажи из газификации и воды, например, из закалочной ванны способ согласно изобретению может быть применен для газификации высушенного угля, угольной пульпы, жидких видов топлива, например остатков от нефтеперерабатывающих заводов и подобного.

За счет прямого контакта с водой может непосредственно охлаждаться и конденсироваться образующийся при понижении давления пар, так что этот конденсат в каждом случае может использоваться далее.

Для этого изобретение в одном варианте предусматривает, что образующийся конденсат из первой стадии понижения давления снова подают в смесительный резервуар для подвода к происходящим из реакционной камеры газам и твердым веществам, при этом также может быть предусмотрено использование нескольких этапов понижения давления, что суспензию из одной стадии понижения давления подают на последующую стадию понижения давления, при этом конденсат следующей стадии понижения давления отводят обратно в предшествующую стадию понижения давления.

Целесообразным образом, на последней стадии понижения давления создают вакуум (0,02 МПа), что может быть достигнуто, например, за счет, что подается холодная свежая вода. При этом в другом варианте изобретения может также быть предусмотрено, что образующиеся в соответствующем шлеме стадии понижения давления газы отсасывают и подают на следующий этап обработки.

В следующем варианте способа согласно изобретению предусмотрено, что суспензию из последней стадии понижения давления подают на отстойный бассейн или подобное для разделения твердого вещества и отработанной воды, при этом образующуюся отработанную воду отводят назад на стадию понижения давления.

Среди прочего, особое преимущество изобретения состоит в том, что частичный поток суспензии отводят назад для образования водяной пленки в переходном узком проходе между реакционной камерой и смесительным резервуаром, при этом за счет этого отвода по меньшей мере части суспензии в реакционную камеру получают оптимальную возможность регулировки циркулирующих массовых потоков.

В следующем варианте предусмотрено подкисление суспензии и/или воды, требующей нагрева до стадии понижения давления или на стадии понижения давления, что, например, может происходить с помощью соляной или уксусной кислоты. СО₂ выделяется при понижении давления суспензии, вследствие уменьшения давления и при нагреве отведенной назад воды вследствие уменьшения растворимости газов. За счет выделения CO₂ суспензия становится щелочной, посредством чего образуются, например, кальциевые и магниевые отложения. Чтобы предотвратить это, согласно изобретению добавляют кислоту для того, чтобы установить величину pH<7, например от 5 до 6, чтобы иметь возможность растворить подобные формирователи отложений.

Из-за дозирования кислоты по меньшей мере на одной стадии понижения давления не требуется сильнокислотная шлаковая ванна, такая как, например, в DE 4109231 С2 с pH 4,4. Предпочтительной является величина pH шлаковой ванны от 5 до 6 для того, чтобы иметь возможность применения недорогих конструкционных материалов.

Очень критичным является нагрев воды, содержащей кальций. Направленная на быстрое охлаждение требующая нагрева вода состоит, преимущественно, из отведенной назад воды, которая образуется за счет фильтрации суспензии. Так как кальций обычно является основным компонентом суспендированной золы, вода насыщена кальцием в форме гидрокарбоната кальция. По мере увеличения температуры воды растворимость CO₂ падает, за счет чего водорастворимый гидрокарбонат кальция Ca(HCO₃)₂ превращается в практически нерастворимый карбонат кальция CaCO₃, который осаждается в виде отложения. Последствия этого феномена можно наблюдать в кипятильниках.

При понижении давления согласно изобретению путем прямого контакта мокрого пара понижения давления с подлежащей нагреву водой часть выделившихся из суспензии с пониженным давлением кислых газов, таких как CO₂ и H₂S, абсорбируется посредством требующей нагрева воды, за счет чего равновесие смещается в направлении гидрокарбоната кальция. При газификации под давлением ниже по меньшей мере 1 МПа и содержанием CO₂ в быстро охлажденном влажном газе 1% или более, можно за счет этого предотвратить осаждение отложений из нагретой воды.

Для того чтобы позднее способствовать отделению этих формирователей отложений, согласно изобретению перед отстойным бассейном или фильтрацией величина pH может быть снова повышена, например за счет дозирования оснований.

Для ускорения агломерации в отстойном бассейне при температуре суспензии примерно 60°C требуются добавки. Чтобы достичь посредством испарения такой низкой температуры, на последнем этапе понижения давления добиваются пониженного давления (вакуума) 0,02 МПа. Охлаждающаяся среда на этой стадии должна быть холоднее, что может быть достигнуто, например, посредством охлаждения отведенного обратно фильтрата путем добавления холодной воды или посредством охлаждения свежей водой.

Пример для ориентировочного расчета стадии понижения давления:

Суспензия

Ввод 3 весовых процентов золы, 100 кг/с, 220°C, 40 бар

Давление пара на стадии 14 бар → температура кипения 195°C

Энтальпия парообразования 1958 кДж/кг

Охлаждение 220-195=25К Q=100*4,2*25=10500 кВт обуславливает испарение 10500/1958=5,4 кг/с H₂O

Плотность пара 7,1 кг/м³ → объем пара 0,76 м³/с

Охлаждение с фильтратом, 100 кг/с

Полученный нагрев посредством конденсации пара на 24К

Сыпучая масса течет наверх

Плотность конденсата 870 кг/м³ → объем конденсата 0,12 м³/с Скорость конденсата в пустой трубе в сыпучей массе 0,04 м/с

Необходимое сечение 3м² → D=2 м

Высота сыпучей массы 1 м

Поверхность сыпучей массы 500 м²/м

Общая поверхность сыпучей массы 3*1*150=1500 м²

Коэффициент теплоотдачи 1 кВт/м²/К

Полученная средняя разница температур 10500/1500/1=7К

Вышеуказанная оценка показывает, что могут быть достижимыми незначительные разницы температур между паром из понижения давления суспензии и подлежащим нагреву фильтратом, несмотря на относительно небольшие размеры стадии понижения давления.

Каскад стадий понижения давления может просто поддаваться управлению с точки зрения автоматического регулирования, так как поток суспензии определяется регулятором уровня, давление же пара в резервуара каскада; напротив, регулируется самостоятельно, в зависимости от количеств и температур суспензии и, подлежащей нагреву среды, например фильтрата.

Изобретение также предусматривает обработку неочищенного газа, отобранного из смесительного резервуара и обогащенного водяным паром, который для образования очищенного газа подается, например, на скруббер Вентури и/или на каплеотделитель и/или по желанию на многоступенчатый скруббер и/или на конвертерные установки для содержащегося оксида углерода и/или на абсорбционные установки для кислорода.

За счет изменения подачи дополнительной свежей воды можно вымывать, например, растворимые вещества, такие как HCL, HF или подобные.

Могут присутствовать следующие условия согласно изобретению:

- давление по меньшей мере 1 МПа, содержание CO₂ в быстро охлажденном влажном газе по меньшей мере 1 объемный процент;

- часть выделившихся при понижении давления газов, или же CO₂, абсорбируется нагретой водой;

- отделение твердого вещества из суспензии, часть полученной воды с низким содержанием твердого вещества сначала нагревается с помощью использования ощутимого тепла суспензии или же тепла конденсации из понижения давления пара, а затем используется в качестве воды для быстрого охлаждения;

- по меньшей мере двухступенчатое понижение давления.

Для решения определенной выше задачи изобретение предусматривает также соответствующую установку или устройство, которое отличается тем, что предусмотрено несколько последовательно соединенных промывных башен или сопоставимых устройств понижения давления с соединительными трубопроводами соответствующих отстойников для суспензии и сливными трубопроводами конденсата, проходящими от последующей промывной башни в предшествующую промывную башню и/или в смесительный резервуар.

Другие варианты осуществления изобретения следуют из следующих зависимых пунктов формулы изобретения.

Далее изобретение более подробно объясняется с помощью чертежа. Чертеж на единственной фигуре показывает принципиальное изображение установки согласно изобретению для осуществления способа согласно изобретению.

Изображенная на фигуре частично упрощенно установка имеет газификационный реактор 1, который имеет реакционную камеру 1а, в которую подается углеродосодержащее топливо 2а и кислородосодержащий газ 2b. Подобный газ может также содержать диоксид углерода и водяной пар.

В обозначенной ссылочным обозначением 1а реакционной камере происходит газификация угля. Полученный таким образом неочищенный газ течет в подключенный после реакционной камеры 1а смесительный резервуар 1b, в котором он смешивается с циркулирующей суспензией, технологическим конденсатом и/или дополнительной водой, относящиеся к этому подводящие трубопроводы обозначены ссылочными обозначениями 4а-4b и 21е, и охлаждается.

Неочищенный газ сначала направляется через узкий проход, в котором свободно падающая водяная пленка, обозначенная ссылочным обозначением 1 с, представляет собой переход от реакционной камеры 1а в смесительный резервуар 1b. Собирающийся в отстойнике смесительного резервуара шлак выводится вниз у 1d в направлении действия силы тяжести.

В зоне смешения часть воды испаряется, за счет чего вытекающий охлажденный неочищенный газ 5 имеет высокую долю водяного пара. Так как в смесительный резервуар подано больше воды, чем это требуется для испарения, в смесительный резервуар попадает часть негазифицированного топлива и летучая зола в виде суспензии, которая отделяется по трубопроводу 6. При этом часть этой суспензии, как вкратце уже указано выше, может рециркулировать для образования свободно падающей водяной пленки 1с, при необходимости посредством добавления свежей воды (стрелка 4а).

Для дальнейшей обработки эта суспензия по трубопроводу 6 подается на дополнительные агрегаты для охлаждения и понижения давления, чтобы иметь возможность экономичным образом отделить твердые вещества из суспензии в состоянии без давления. Для этого на фигуре изображены промывные башни 7a-7d, в которых часть воды испаряется, поднимается наверх и за счет орошения конденсируется. Эти оросительные элементы промывной башни обозначены ссылочными обозначениями 7a-7d. В каждом случае еще смешанная с водой часть суспензии из отстойника промывной башни подается на следующую промывную башню, при этом подогреваемая посредством обработки оросительная вода по меньшей мере частично может быть использована в смесительном резервуаре 1b. Это обозначено стрелками 10а или же 10е.

Как следует из схемы, вторая промывная башня получает охлаждающую воду из следующей промывной башни (трубопровод 10b), в то время как вторая промывная башня получает свою охлаждающую воду из третьей промывочной башни, что отражено с помощью трубопровода 10с, так что на фигуре получается четырехкратное соединение по каскадной схеме, при этом, наконец, последняя промывная башня получает сравнительно холодную воду из отработанной воды осветлительного бассейна 12, которая по трубопроводу 13 была подана в резервуар 16а для воды, при этом в сливном трубопроводе, с одной стороны, и в трубопроводе 11 подвода суспензии к осветлительному бассейну 12 в каждом случае могут быть предусмотрены охладители в виде теплообменников 16b или же 16с.

За счет понижения давления вместе с паром также высвобождается часть растворенных в суспензии газов. Для предотвращения насыщения газов в расширительной камере более мелкие количества газа выводятся через головку башен, которые обозначены с помощью ссылочных обозначений 9а до 9d.

Для удержания требующего удаления количества газа на незначительном уровне, является рациональным почти полностью конденсировать водяной пар. Для этого над промывочной башней 7а предусмотрена орошаемая более холодной водой область 9f, а над промывочной башней 7b предусмотрен охладитель 9g. Полученная из этой второй стадии охлаждения нагретая оросительная вода или конденсат 9i могут использоваться, либо для смешивания с неочищенным газом, либо для других целей. Каплеотделитель 9h уменьшает количество захваченной жидкой воды. Концентрированная суспензия 44 из последнего этапа понижения давления, в конце концов, направляется в отстойный и осветлительный бассейн 12. Из осветлительного бассейна вода 13 с малым содержанием твердого вещества направляется обратно в промывные башни 7a-7d. Опционально, при этом может применяться устройство для охлаждения 16b, как уже указано выше. При необходимости охладительная вода может также подаваться извне и использоваться либо раздельно 4f, либо в смеси с осветленной водой 4d.

Предпочтительно, фракция с большим содержанием твердого вещества из отстойного бассейна фильтруется с помощью ленточного фильтр-пресса 14. Отделенное твердое вещество 15 выводится из установки, вода с низким содержанием твердого вещества, напротив, подается обратно в отстойный бассейн. Не изображены дополнительные баки для сгущенной суспензии 12а и для фильтрата 14а с низким содержанием твердого вещества, которые позволяют осуществить периодическое отключение фильтра 14. Опционально, для этого может применяться бак 16а. Для ограничения насыщения солей в воде часть воды с низким содержанием твердого вещества выводится из процесса в виде отработанной воды 17.

Для отделения твердого вещества из суспензии предпочтительными являются низкие температуры, например <60°C. Чтобы достичь такой температуры, на последней стадии, наряду с холодной оросительной водой 4f, также требуется отсасывающее устройство. Это может быть либо механический вакуумный насос, либо струйное устройство.

Полученный из газификации угля неочищенный газ 5 сначала смешивается в скруббере Вентури 19 с технологическим конденсатом или промывочной водой. Затем в каплеотделителе или циклоне 20 он освобождается от сопутствующих мельчайших частиц и водорастворимых загрязнений. Промывочная вода из промывной башни может возвращаться обратно в процесс охлаждения неочищенного газа (стрелка 21е) или накапливаться и храниться в баке 21f. Также и здесь может подаваться дополнительная вода.

Затем, неочищенный газ последовательно попадает в два устройства 22а, 22b для конверсии СО. Предпочтительно, за первым конвертером может быть подключен теплообменник 23. Для отделения диоксида углерода, а также других кислых газов, газ затем направляют через абсорбционную колонну 25. Получают очищенный синтез-газ, горючий газ или водород 25а и сопутствующие кислые газы 25b. За вторым конвертером находится устройство 24 для охлаждения и отделения конденсата. Полученный конденсат 24а может возвращаться обратно в промывную башню 21 или частично понижать давление и отпариваться для вытеснения растворенных газов. Недорогую альтернативу для отвода газа конденсатов предлагают скрубберы за счет того, что конденсат 24b используется для орошения 9f.

Разумеется, изобретение не ограничено вышеуказанным примером осуществления, а может варьироваться во многих отношениях, не отходя от основной идеи.

1. Способ обработки потоков текучей среды, получаемых при газификации содержащего углерод и золу топлива, при этом при газификации топливо в реакторе с кислородосодержащим газом преобразуется в неочищенный газ, образующийся при газификации неочищенный газ в последующем смесительном резервуаре смешивают с водой и охлаждают, испаряющуюся часть воды с неочищенным газом отводят из смесительного резервуара, а остающуюся смесь твердого вещества с водой, представляющую собой суспензию по меньшей мере частично выводят, при этом в выведенной из смесительного резервуара суспензии по меньшей мере на одной последующей стадии понижается давление при испарении по меньшей мере части воды и снижении температуры, а образующийся пар посредством прямого контакта с водой охлаждается и по меньшей мере частично конденсируется, отличающийся тем, что предусмотрено несколько стадий понижения давления, при этом суспензию из одной стадии понижения давления подают на последующую стадию понижения давления, а образующийся конденсат следующей стадии понижения давления отводят обратно в предшествующую стадию понижения давления и/или образующийся конденсат из первой стадии понижения давления подают в смесительный резервуар.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для создания вакуума на последней стадии понижения давления подают холодную свежую воду.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что образующиеся в соответствующем шлеме стадии понижения давления газы отсасывают и подают на следующий этап обработки.

4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что суспензию из последней стадии понижения давления подают на отстойный бассейн для разделения твердого вещества и отработанной воды, при этом образующуюся отработанную воду отводят назад на стадию понижения давления.

5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что частичный поток суспензии отводят назад для образования водяной пленки в переходном узком проходе между реакционной камерой и смесительным резервуаром.

6. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что суспензию и/или требующую нагрева воду до стадии понижения давления или на стадии понижения давления подкисляют, например, соляной или уксусной кислотой.

7. Способ по п.4, отличающийся тем, что перед вводом в отстойный бассейн и/или перед фильтрацией посредством дозирования оснований устанавливают значение рН, например, между 7-9.

8. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что для образования очищенного газа неочищенный газ из смесительного резервуара подают на скруббер Вентури, и/или каплеотделитель, и/или промывную башню, и/или конвертирующие устройства для содержащегося моноксида углерода, и/или на абсорбционное устройство для кислорода.

9. Устройство для обработки потоков текучей среды, получаемых при газификации содержащего углерод и золу топлива, содержащее газификационный реактор (1) с реакционной камерой (1а) и смесительным резервуаром (1b) для смешивания образующегося при газификации неочищенного газа с водой, при этом от нижней области смесительного резервуара (1b) к первому, выполненному в виде промывной башни (7а), расширительному резервуару проходит трубопровод (6), а промывная башня снабжена отстойником (8а) для суспензии и сливным трубопроводом (10а), проходящим к оснащенному распылительными головками смесительному резервуару (1b) для образующегося конденсата, отличающееся тем, что предусмотрено несколько последовательно соединенных промывных башен (7a-7d) или сопоставимых устройств понижения давления с соединительными трубопроводами соответствующих отстойников (8a-8d) для суспензии и сливными трубопроводами (10a-10d) конденсата, проходящими от последующей промывной башни в предшествующую промывную башню и/или в смесительный резервуар.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что в переходном узком проходе между реакционной камерой и смесительным резервуаром предусмотрены встроенные элементы для образования водяной пленки (1с).

11. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что предусмотрен ведущий из головной части смесительного резервуара трубопровод (5) неочищенного газа для загрузки скруббера Вентури (19), и/или каплеотделителя (20), и/или промывной башни (21) с трубопроводами подвода и сливными трубопроводами для технологического конденсата, и/или промывной воды, и/или свежей воды.

12. Устройство по п.9 или 10, отличающееся тем, что за последней промывной башней (7d) для подвода суспензии предусмотрен отстойный или осветительный бассейн (12) с отбором (17) отработанной воды и отбором (15) твердого вещества.