Способ получения синтез-газа из низкокалорийных бурых углей с повышенной зольностью и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области теплообменных процессов и предназначено для получения синтез-газа, горючих генераторных и топочных газов из низкокалорийных бурых углей, а также из горючих высокоуглеродистых сланцев. Исходное сырье подвергают дезинтеграции, сушке и газогенерации в поле циклонического вихря с наложением на вихревой поток высокотемпературного поля, где часть генерируемого синтез-газа подают совместно с высокотемпературным паром в реакционную камеру для активации разложения сырья и увеличения газообразования. Устройство содержит реакционную камеру 4 с приводным шнековым дозатором сырья 2, завихритель подаваемого перегретого пара 24. Полость камеры имеет патрубок подачи синтез-газа на его очистку 23, а также оснащена магистралью подачи части синтез-газа снова в реакционную зону. Технический результат – повышение энергоэффективности газификации низкокалорийных бурых углей, увеличение производительности, повышение качества синтез-газа, обеспечение надежности работы установки. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области теплообменных процессов и предназначено для получения высокоэнергетического синтез-газа, горючих генераторных и топочных газов из низкокалорийных бурых углей.

Бурые угли - наиболее широко распространенный вид низкосортных углей в Странах Европейского Союза, Монголии, Китайской Народной Республики и в др. странах мира. В частности, залежи бурого угля хорошо освоены в Канско-Ачинском и других буроугольных бассейнах и месторождениях России, расположенных от европейской части до Сахалина. Бурые угли могут иметь невысокую зольность - до 20%, или повышенную зольность - свыше 40%, но все бурые угли, как правило, являются повышено-влажными - с влажностью до 40-50%. Бурые угли любых марок легко поддаются газификации с выходом горючих генераторных газов, поэтому их применение в топочных целях является экономически выгодным в сравнении с иными углеродными энергоносителями, а по своей энергоемкости, составляющей в среднем 5000 ккал/м³, синтез газ для удаленных территорий вполне конкурентен с природным газом.

Из уровня техники известны различные способы газификации углеродосодержащего топлива. В частности, известен способ термической обработки органических углеродистых материалов [RU 1085509, 07.04.1984], который включает смешивание исходного материала с жидкостью, транспортирование полученной смеси снизу вверх через слой жидкости с регулируемый уровнем, подачу влажного материала в зону реакции, его обработку при повышенном давлении и температуре с получением газов и твердого продукта, отвод полученных газов и твердого продукта, при этом влажный материал перед подачей в зону реакции предварительно нагревают путем пропускания через него противотоком газов, полученных в зоне реакции.

Недостатком данного способа является применение повышенного давления, повышенной температуры и необходимость нагрева материала перед подачей в зону реакции, что удорожает процесс газификации и не исключает его пожароопасность.

Известен способ переработки угля в синтез-газ [РФ №2190661, 10.10.2002], предусматривающий дробление угля, получение дисперсной топливной массы с использованием механохимической активации, газификацию топлива в трубчатом реакторе.

Этот способ предполагает независимый нагрев до 1000°С теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство реактора, отрицательно сказывающийся на энергетическом балансе процесса в целом, приводит к усложнению аппаратурного оформления технологического процесса и снижению эффективности его использования. Существенно высокая температура (200-800°С) проведения реакции между органической частью угля и водяным паром, тем не менее, не позволит обеспечить эффективное проведение этого процесса в случае использования низко реакционных углей. Получаемая дисперсная топливная система состоит из сравнительно тяжелых коллоидных частиц и подвержена расслоению, что в совокупности с отсутствием технологических приемов и режимных условий по ее очистке от примесей перед поступлением в реактор на газификацию приведет к образованию накипи в трубах, снижению скорости протекания реакций газификации, уменьшению полезного объема труб и, следовательно, объема топливной системы, перерабатываемой в единицу времени, обусловит снижение эффективности и надежности способа, увеличение затрат на обслуживание и профилактику оборудования.

Известна установка для получения синтез-газа из водоугольного топлива [RU 2217477, 27.11.2003], при использовании которой реализуется способ переработки угля в синтез-газ, включающий получение водоугольной суспензии, сжигание ее части для поддержания процесса газификации.

Известное техническое решение предполагает использование в камере газификации завихрителей потока, снижающих скорость протекания реакций газификации, а следовательно, эффективность реализуемого установкой способа. Кроме того, увеличение числа сборочных единиц и соответственно площади поверхности для нежелательных отложений ухудшает показатели надежности функционирования. Предполагается необходимость проведения дополнительных мероприятий по интенсификации теплообмена между продуктами сжигания водоугольной суспензии и газифицируемой ее частью путем установки дополнительных тепловых трубок в наружной стенке камеры газификации.

Известны [И.С. Мезин, Транспортные газогенераторы] конструкции газогенераторов, применяемых в современной промышленности.

Сущность протекающих в данных конструкциях процессов сводиться к следующему:

Исходный материал (например, бурый уголь) загружается в реакционную камеру и подвергается термическому воздействию при недостатке кислорода.

При нагревании исходный материал подсушивается и при температуре 400°С начинается процесс газификации топлива, который заканчивается полным разложением всех органических составляющих при температуре около 900°С.

Выделившиеся газы частично сгорают при недостатке кислорода с выделением тепла.

Далее газообразные продукты реакции проходят через слой раскаленного коксового остатка. В этой части газогенератора происходит реакция восстановления, которая идет с поглощением тепла.

Для повышения калорийности в реакционную зону восстановления дополнительно добавляют водяной пар, способствующий образованию большого количества водородсодержащих компонентов с высокой энергонасыщенностью, и более полному извлечению углерода из исходного сырья. Полученные раскаленные до 1000°С газы, смешанные с пылью, направляются на очистку, охлаждение и далее потребителю.

Неорганические остатки реакции остаются в установке в виде раскаленного шлака.

Данный способ и установка его реализации для получения синтез газа обладает следующими недостатками:

Большой сложностью организации непрерывного процесса подачи исходного сырья и последующего удаления шлакового остатка.

При существующем уровне техники и данном способе получения синтез газа практически невозможно строго контролировать температуру процесса и при превышении температуры 1250°С начинается процесс расплавления и спекания шлаков, крайне трудно удаляемых из установки.

С другой стороны, поднятие температуры процесса выше 1600°С для гарантированного расплавления шлаков и вывода их из установки в виде расплава многократно увеличивает образование окислов азота с понятными экологическими и техническими проблемами (в присутствии паров воды, окислы азота образуют пары азотной кислоты).

Кроме того, в широко применяемых конструкциях газогенераторов исходное топливо загружается в виде относительно крупных кусков, что приводит к низкой производительности установки, по причине малой площади на которой происходят реакции окисления - восстановления.

В результате, установки, работающие на традиционных принципах получения синтез газа, обладают крайне большими габаритами, низкой производительностью и большой сложностью эксплуатации, что делает их малопригодными для использования в составе промышленных тепло генераторов большой мощности.

Известна вихревая мельница [RU №2048920], в которой исходный продукт, загружается в вертикальную, цилиндрическую помольную камеру, через осевой загрузочный патрубок, выходной конец которого расположен на некотором удалении от дна камеры по ее оси. Газ, осуществляющий размол материала, подводится через сопла специальной конструкции расположенные на боковой поверхности камеры тангенциально.

Выход размолотого материала осуществляется через боковые патрубки, расположенные также на боковой поверхности камеры размола. Выход отработанного газа осуществляется через патрубок, расположенный в верхней части боковой поверхности камеры, соединенной с размольной камерой осевым отверстием, через которое проходит осевой загрузочный патрубок.

Существенным недостатком указанной конструкции струйной-вихревой мельницы является уже то, что она требует для своей работы большого расхода сжатого газа. Что снижает производительность и рентабельность процесса получения синтез-газа.

Наиболее близким по технической сущности является, по мнению заявителей, способ [RU №2190661, 10.10.2002] и устройство вихревой мельницы [RU №2048920], реализующие газификацию углеводородного сырья, включая низкокалорийные бурые угли.

Технической задачей изобретения является повышение энергоэффективности процесса газификации низкокалорийных бурых углей и увеличение производительности, а также снижение массогабаритных характеристик установок, повышение качества получаемого синтез-газа и обеспечение надежности работы установки в заданном технологическом процессе.

Для решения технической задачи разработанный способ получения синтез газа включает одновременное выполнение операций сушки, помола, и газогенерации в циклоническом вихревом восходящем потоке в среде перегретого водяного пара.

Сущность предложенного способа и устройства для генерации синтез газа, заключается в том, что сушку, помол и газогенерацию осуществляют в одном устройстве, представляющем из себя вихревую помольную камеру непрерывного действия, в которой рабочим телом является перегретый до 1000°С водяной пар, смешанный с продуктами газогенерации.

Тепло, необходимое для запуска и поддержания реакции газогенерации, получается не от частичного сгорания сгенерированных газов в реакционной камере, а доставляется перегретым водяным паром, получаемым из независимого источника, не являющегося частью реакционной камеры.

Способ получения синтез-газа из низкокалорийных бурых углей с повышенной зольностью, включающий дезинтеграцию исходного сырья, воздействие на помол высокотемпературным полем, при этом дезинтеграцию, сушку и газогенерацию из исходного сырья ведут при одновременном выполнении этих операций воздействием на исходное сырье циклоническим вихревым высокотемпературным потоком, формируемым перегретым паром и восходящей газо-аэрозольной средой, при этом часть газо-аэрозольной массы используют для формирования восходящего циклонического вихря и получения синтез-газа.

Устройство для получения синтез-газа из низкокалорийных бурых углей, содержит камеру для обработки исходного сырья, соединенную с источником высокотемпературного пара, при этом, камера выполнена в виде коаксиально размещенных полостей, образующих реакционную камеру, по оси этой камеры установлен пшековый питатель, под которым на днище камеры выполнен рассекатель потоков, в днище камеры смонтированы лопатки завихри геля подаваемого пара и паро-газо-аэрозольной смеси, в средней части камера имеет сужение к низу в виде усеченного конуса, соединенного верхним основанием с цилиндром, в полости которого размещен полый цилиндр, охватывающий с зазором пшековый питатель, при этом верхняя часть цилиндра реакционной камеры имеет патрубок отвода синтез-газа и магистраль соединяющую полость камеры с патрубком ввода высокотемпературного пара.

Устройство для реализации способа получения синтез газа из низкокалорийных бурых углей с повышенной зольностью состоит из угольного бункера, шнекового дозатора с приводным двигателем, реакционной камеры, покрытой теплоизоляцией, пылеуловителя, также покрытого теплоизоляцией, приемный бункер которого оснащен рубашкой охлаждения, теплообменником-рекуператором, вихревым пароконденсатором, оснащенным рубашкой охлаждения, трех регулировочных вентилей, расходного водяного бака, одного главного насоса высокого давления, трех циркуляционных насосов, трех теплообменников, парового генератора, пароперегревателя и оснащено блоком управляющей автоматики.

Устройство для реализации способа показано на прилагаемых чертежах,

где:

- на Фиг. 1 - функциональная схема устройства и его подключения;

- на Фиг. 2 - функциональная схема реакционной камеры;

- на Фиг. 3 - схема реакционной камеры в разрезах А-А,

- на Фиг. 4 - схема реакционной камеры в разрезах Б-Б,

- на Фиг. 5 - схема реакционной камеры в разрезах В-В.

Устройство для реализации способа содержит:

1. Угольный бункер.

2. Шнековый дозатор.

3. Приводной двигатель.

4. Реакционная камера.

5. Пылеуловитель.

6. Теплообменник-рекуператор.

7. Вихревой пароконденсатор.

8. Регулировочный вентиль газосмеси.

9. Регулировочный вентиль охлажденного зольного остатка.

10. Регулировочный вентиль загрязненного конденсата.

11. Расходный водяной бак.

12. Главный насос высокого давления.

13. Первичный циркуляционный насос.

14. Вторичный циркуляционный насос.

15. Третичный циркуляционный насос.

16. Первичный теплообменник.

17. Вторичный теплообменник.

18. Третичный теплообменник.

19. Парогенератор.

20. Пароперегреватель.

21. Блок управляющей автоматики.

22. Выходной патрубок газосмеси.

23. Выходной пылевой патрубок.

24. Лопаточные завихрители.

25. Входной патрубок пара.

26. Выходной патрубок синтез газа.

27. Струйный компрессор.

28. Рассекатель потока.

Направление движения потоков показаны стрелками.

Конструкция реакционной камеры поясняется чертежом (Фиг. 2). Реакционная камера 4 представляет собой трехсекционную конструкцию цилиндроконической формы. На верхней крышке реакционной камеры 4, по оси, расположен конусный вход цилиндрической загрузочной трубы, по оси которой установлен вращаемый приводным двигателем 3 пшековый дозатор 2, питающий реакционную камеру 4 из угольного бункера 1 исходным сырьем (например, бурым углем). Верхняя камера, расположенная под крышкой реакционной камеры 4, имеет входной патрубок, расположенный на оси конструкции, коаксиально загрузочной трубе. Выходной патрубок газосмеси 22 расположенный на боковой поверхности верхней камеры радиально, через регулировочный вентиль газосмеси 8, соединен трубопроводом со струйным компрессором 27. Средняя камера, цилиндроконической формы, расположенная под верхней камерой, соединена с нижней камерой узкой конической частью, а с верхней камерой – патрубком, расположенным вокруг загрузочной трубы. На боковой цилиндрической поверхности средней камеры, врезан по касательной, по ходу к образующей коридор потока смеси, выходной пылевой патрубок 23. Нижняя камера имеет входной кольцевой канал, на входе которого установлен струйный компрессор 27, и лопаточные завихрители 24, по всей высоте нижней камеры. Нижний конец загрузочной трубы расположен на некотором расстоянии от дна нижней камеры по ее оси. Входной патрубок пара 25 соединяется с пароперегревателем 20.

Устройство для реализации способа работает следующим образом: Из расходного водяного бака 11 главный насос высокого давления 12 подает воду в первичный теплообменник 16, далее в вторичный теплообменник 17 и через третичный теплообменник 18 разогретая вода поступает в парогенератор 19.

Полученный в парогенераторе 19 пар в пароперегревателе 15 нагревается до 1000 градусов Цельсия и по входному патрубку пара 25 перегретый водяной пар подается в струйный компрессор 27, в качестве активного потока. Проходя струйный компрессор, перегретый пар подсасывает, нагревает и сжимает газовый поток из верхней камеры. В кольцевом канале нижней камеры смешанный газовый поток выравнивает свою температуру и давление. Проходя лопаточные завихрители 24, смешанный поток образует вихревой поток, вращающийся по оси установки. Установленный по оси загрузочной трубы, вращаемый приводным двигателем 3, пшековый дозатор 2 подает исходное сырье (например, бурый уголь) из угольного бункера 1 в приосевую часть вихревого потока. Необходимый для процесса газогенерации воздух попадает в реакционную камеру вместе с исходным сырьем. Подхваченные вихревым потоком куски сырья, ударяясь друг о друга и о стенки камеры, измельчаются. Так как вихревой поток имеет высокую температуру, (около 1000°С) а измельченный исходный материал большую площадь поверхности, то процесс газогенерации протекает с высокой скоростью, гарантирующей большую производительность реакционной камеры. В то же время процесс идет при температуре значительно ниже температуры плавления и спекания неорганических остатков, что исключает образование трудноудаляемых расплавленных шлаков.

Так как температура процесса не превышает 1000°С, то образование окислов азота незначительно и обеспечивается экологическая чистота процесса.

Газопылевой поток, сохраняя высокую скорость вращения, омывает загрузочную трубу и через узкую коническую часть попадает в среднюю камеру, где разделяется.

Центральная, обеспыленная под действием центробежных сил, часть потока через соединительный патрубок попадает в верхнюю камеру, откуда через регулировочный вентиль газосмеси 8, поступает в струйный компрессор 27 в качестве пассивного потока. Использование регулятора позволяет с высокой точностью контролировать температуру процесса по показаниям термодатчиков, расположенных в каждой камере (не показанных на схеме).

Повторная принудительная прокачка продуктов газогенерации через зону реакции не только резко снижает необходимый объем перегретого пара, но и способствует более полной переработке исходного сырья, что гарантирует высокую экономичность предложенной реакционной камеры.

Загрузочная труба, омываемая продуктами реакции газогенерации, нагревается и, соответственно, высушивает и нагревает исходное сырье, подаваемое шнековым питателем.

Подобная схема подачи сырья позволяет избежать резких термоударов при попадании холодного сырья в раскаленную реакционную камеру, что обеспечивает надежность и долговечность функционирования реакционной камеры.

Периферийная часть потока вместе с пылевидными неорганическими зольными остатками покидает реакционную камеру через выходной пылевой патрубок 23 и направляется далее в пылеуловитель 5, камера разделения которого покрыта термоизоляцией для уменьшения тепловых потерь.

Отделившийся раскаленный зольный остаток осаждается в приемном бункере пылеуловителя, снабженном рубашкой охлаждения, где, отдав тепло теплоносителю, циркулирующему по действием третичного циркуляционного насоса 15 по контуру: рубашка охлаждения - третичный теплообменник 18, далее через регулировочный вентиль зольного остатка 9 удаляется из устройства для утилизации.

Очищенный от пыли поток газа, имеющий высокую температуру, поступает в теплообменник - рекуператор 6 и, отдав тепло теплоносителю, циркулирующему под действием вторичного циркуляционного насоса 14 по контуру: теплообменник - рекуператор 6-вторичный теплообменник 17, поступает в вихревой пароконденсатор 7 снабженный рубашкой охлаждения.

В вихревом пароконденсаторе 7 содержащийся в газовой смеси пар конденсируется под действием ценгробежно-гравитационных сил, отдавая тепло теплоносителю, циркулирующему под действием первичного циркуляционного насоса 13 по контуру: рубашка охлаждения - первичный теплообменник 16. Очищенный охлажденный синтез газ через выходной патрубок синтез газа 26 поступает потребителю.

Выделившийся конденсат удаляется из устройства через регулировочный вентиль загрязненного конденсата 10 на утилизацию.

Описанный способ газогенерации и устройство могут применяться не только для переработки бурых углей с повышенной зольностью в высококалорийный синтез газ, но и для переработка практически любых твердых видов топлива и твердых отходов, содержащих углеводородные компоненты, практически не зависимо от их зольности.

Способ и устройство весьма актуальны для применения на ТЭЦ, работающих на бурых углях и углях с повышенной зольностью, в целях снижения вредных и дымных выбросов в воздушную среду, поскольку сам процесс размола и газификации происходит в едином блоке при помощи перегретого пара в псевдо-сжиженном слое, а образующийся в результате реакции высокоэнергетический синтез-газ подается в горелки ТЭЦ где и сгорает бездымно, обеспечивая экологическую чистоту процесса. Расчеты показывают перспективность применения данного способа и устройства для промышленного получения синтез-газа из низкокалорийных бурых углей, а также из горючих сланцев. Запасы этих сырьевых источников значительны и располагаются в регионах, где испытывают потребность в топочных и технических газовых объемах. Применение синтез газа вместо прямого сжигания бурых углей позволит на 99,0% сократить дымные выбросы и запах от сжигания угля, а кроме того, значительно (на 40-50%) уменьшить зольные отходы от сжигаемого угля.

1. Способ получения синтез-газа из низкокалорийных бурых углей с повышенной зольностью, включающий дезинтеграцию исходного сырья, воздействие на помол высокотемпературным полем, отличающийся тем, что дезинтеграцию, сушку и газогенерацию из исходного сырья ведут при одновременном выполнении этих операций воздействием на исходное сырье циклоническим вихревым высокотемпературным потоком, формируемым перегретым паром и восходящей газо-аэрозольной средой, при этом часть газо-аэрозольной массы используют для формирования восходящего циклонического вихря и получения синтез-газа.

2. Устройство для получения синтез-газа из низкокалорийных бурых углей, содержащее камеру для обработки исходного сырья, соединенную с источником высокотемпературного пара, отличающееся тем, что камера выполнена в виде коаксиально размещенных полостей, образующих реакционную камеру, по оси этой камеры установлен шнековый питатель, под которым на днище камеры выполнен рассекатель потоков, в днище камеры смонтированы лопатки завихрителя подаваемого пара и паро-газо-аэрозольной смеси, в средней части камера имеет сужение к низу в виде усеченного конуса, соединенного верхним основанием с цилиндром, в полости которого размещен полый цилиндр, охватывающий с зазором шнековый питатель, при этом верхняя часть цилиндра реакционной камеры имеет патрубок отвода синтез-газа и магистраль, соединяющую полость камеры с патрубком ввода высокотемпературного пара.