СПОСОБ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННОГО ГОРЮЧЕГО ГАЗА Российский патент 1994 года по МПК C10K1/30 B01D53/34 B01D53/36 

Изобретение относится к способу очистки неочищенного газа, полученного из углеродистого материала с помощью процесса газификации, в котором очистка происходит во вторичной зоне, отделенной от газификатора процесса газификации.

Неочищенный газ, произведенный из различных видов биотоплива, и используемый в качестве топливного, является ценным заменителем нефти в тех случаях его применения, когда требования процесса делают непосредственное сжигание твердого топлива невозможным, например, при обжиге извести или преобразования имеющихся котлов, работающих на нефти.

При температуре ниже 1200^оС в неочищенном газе, произведенном путем газификации из углеродистого материала , например угля, торфа, коры, дерева или топлива из отходов, всегда присутствует смола, которая ограничивает использование сжиганием горячего газа в непосредственном или близком контакте с газификатором. Эксплуатационные неполадки, вызванные осаждением смолы на устройствах и арматуре, являются большой проблемой, ограничивающей возможности использования. Кроме того, во время горения горячего газа азот и в некоторых случаях также сера (например, из торфа), присутствующие в связанном состоянии в смолах, а также аммиак, Н₂S (из торфа) или НСl (из топлива из отходов) способствуют эмиссии в окружающую среду NО_х, SО_х, НСl и хлористых углеводородов, т. е. диоксинов.

Известен способ очистки неочищенного горючего газа, полученного газификацией из углеродистого материала, включающий контактирование очищаемого газа с частицами доломита в псевдоожиженном слое в режиме циркуляции. Очищаемый газ является флюидизирующим агентом, скорость его подачи 1-10 м/с, температура процесса очистки 700-1100^оС, размер частиц доломита менее 1 мм. Известный способ не обеспечивает низких остаточных концентраций смолы, аммиака и хлористого водорода.

Цель изобретения - снижение остаточной концентрации в горючем газе смолы в форме органических соединений, аммиака и хлористого водорода при наличии последнего.

Эта цель достигается с помощью процесса согласно изобретению, имеющего признаки, указанные в формуле изобретения.

Изобретение относится к способу очистки содержащего смолу и аммиак неочищенного газа, в особых случаях содержащего также значительные количества хлористого водорода, причем газ производится с помощью произвольного процесса газификации из углеродистого материала, например коры, дерева, торфа или топлива из отходов в первичной зоне. Во вторичной зоне в контакте с соответствующим активным (каталитическим и, возможно, сорбирующим) материалом, например карбонатом кальция - магния, предпочтительно, доломитом, происходит конверсия смолы и аммиака, присутствующих в неочищенном газе. В особых случаях одновременно имеет место сорбция хлористого водорода. Вторичная зона состоит из шахты быстрой циркуляции с псевдоожиженным слоем, содержащей шахтный материал, по крайней мере, в основном в форме активного материала, например доломита.

Достаточная степень конверсии смол и аммиака и в особых случаях одновременная сорбция хлористого водорода могут быть достигнуты сначала путем сепарации содержащего смолу газа от подвергаемых пиролизу более крупных частиц топлива в зоне газификации и затем во вторичной зоне в форме шихты быстрой циркуляции с пневдоожиженным слоем, где осуществляется контакт газа с соответствующим активным материалом, таким как доломит, при соответствующих параметрах процесса.

Если углеродистый материал содержит также серу в значительных количествах, что характерно, например, для торфа, то на каталитическом и сорбирующем материале, безусловно, будет происходить сорбция сероводорода.

Количество активного материала, которое требуется по отношению к количеству неочищенного газа, определяется требуемой пространственной скоростью для каталитической конверсии смол и аммиака и зависит от нескольких параметров, таких как температура, время пребывания газа в процессе, размер частиц активного материала, парциальное давление веществ, участвующих в реакции и степень деактивации активного материала. Слишком низкая температура и/или парциальное давление СО₂ могут привести к конверсии смолы, вызывающей осаждение угля на активном материале, что приводит к деактивации. Если это происходит, материал может быть активизирован путем обработки окисляющим газом, например воздухом и/или паром. Сорбция НСl (и/или Н₂S) происходит настолько быстро при температуре осуществляемого процесса, что эти реакции начинают почти полностью определяться уровнем равновесия и приводят к расходованию активного материала, соответствующего образовавшемуся твердому хлориду (и сульфиду соответственно).

Таким образом, сорбция хлорида (и в некоторых случаях также сероводороде) на активном материале, таком как доломит, является быстрой реакцией и требует присутствия значительно меньшего количества активного материала по отношению к потоку газа, чем каталитическая конверсия смол и аммиака.

Использование вторичной зоны в форме шахты быстрой циркуляции с псевдоожиженным слоем создает значительные преимущества.

Такая шахта способна удалять пыль, принесенную из газификатора, обеспечивает очень ровные температуры в зоне реакции, а также гомогенный контакт между газом и шахтным материалом, то есть создает незначительный риск колебаний степени конверсии сорбции. Кроме того, размер частиц можно в значительной степени уменьшить для тех случаев, в которых это необходимо, чтобы обеспечить увеличение конверсии при данной температуре и пространственной скорости. Значительная эрозия шахтного материала приводит также к увеличению допустимой активной поверхности. Далее вторичную зону, сконструированную как шихта быстрой циркуляции с флюидизированным слоем, целесообразно объединить с произвольным газификатором в сочетании с такой шахтой, который оснащен просто первичным сепаратором частиц, или газификатором другого типа. При увеличении масштабов достигаются также относительно небольшие диаметры, поскольку скорости газа могут поддерживаться на относительно высоком уровне, примерно до 10 м/с, в предпочтительном варианте до 6 м/c.

В случае, если газификатор состоит из газификатора в сочетании с шахтой быстрой циркуляции с псевдоожиженным слоем, может быть осуществлено непосредственное соединение после первичной сепарации пыли. Если активный материал используется в качестве шахтного материала в газификаторе в сочетании с шахтой быстрой циркуляции с флюидизированным слоем, вторичную зону можно выгодным образом объединить с газификатором, например, таким образом, чтобы после вторичной зоны пыль из вторичного сепаратора частиц в результате полного или частичного рециклирования поступала в газификатор.

Необходимое количество активного материала в стержне реактора вторичной зоны для обеспечения достаточной степени металлической конверсии смолы и аммиака регулируется путем добавления к общему количеству и путем регулирования рециркуляции шахтного материала. Требуемая степень конверсии определяет соответствующее сочетание температуры, размера частиц и количества активного материала. Вследствие абразивного износа, деактивации и/или сорбции НСl (и, возможно, Н₂S) израсходованный активный материал заменяется путем добавления соответствующих количеств свежего активного материала и/или активации такого материала. Время пребывания газа в процессе может регулироваться сочетанием диаметра и высоты над впускным отверстием для газа.

В тех особых случаях, когда в неочищенном газе в значительных количествах присутствует НСl, присутствие активного материала в газе после его выпуска из вторичной зоны означает, что сорбция НСl улучшилась, поскольку в термодинамическом отношении она становится более полной при более низких температурах при условии, что очищенный газ охлажден до по существу более низкой температуры перед заключительным удалением пыли.

На чертеже схематически изображена система газификации и очистки газа, которая является вариантом осуществления изобретения.

П р и м е р. В изображенной на чертеже системе углеродистый материал 1 поступает в газификатор 3, который состоит из шахты быстрой циркуляции с псевдоожиженным слоем. Он включает реактор 44, первичный сепаратор 45 и рециркулирующее устройство 46 для шахтного материала, подвергшегося сепарации в первичном сепараторе. Шахтный материал состоит из активного каталитического и абсорбирующего материала в предпочтительном варианте в форме доломита, смешанного с негазифицированным углеродистым материалом. Первичный сепаратор 45 является механическим сепаратором нецентробежного типа, сепаратором с V-образными элементами в отношении котла в сочетании с шахтой быстрой циркуляции с псевдоожиженным слоем.

Горячий неочищенный газ 2, произведенный в газификаторе 3, выходит непосредственно из первичного сепаратора 45 и подается непосредственно во вторую зону 25 газоочистки без дополнительного удаления пыли. Вторичная зона 25 сконструирована как шахта 26 быстрой циркуляции с псевдоожиженным слоем и в ней находится активный шахтный материал того же вида, что и в газификаторе 3.

Неочищенный газ 2 подается во вторичную зону, образуя флюидизирующий газ.

Вторичная зона 25 сконструирована с длинным и узким стержнем реактора произвольного поперечного сечения (например, круглого или квадратного). Шахтный материал, который следует за потоком газа из верхней части стержня реактора, в основном подвергается сепарации в поперечном сепараторе 27 частиц, в предпочтительном варианте сепараторе с V-образными элементами того же типа, что и V-образный сепаратор газификатора, за ним следует вторичный сепаратор 28, в предпочтительном варианте циклон. Материал 30, подвергшийся сепарации в первичном сепараторе частиц, рециркулируется в нижнюю часть шахты 26 быстрой циркуляции через рециркулирующее устройство. Материал 29, подвергшийся сепарации во вторичном сепараторе 28 частиц, добавляется главным образом в нижнюю часть газификатора 3 в виде потока 31. В случае необходимости часть потока материала 29 может также направляться в нижнюю часть шахты 26 быстрой циркуляции в виде потока 34 и/или выпускаться из системы в виде потока 43.

Для подачи каталитического и абсорбирующего материала 14 во вторичную зону 35 используется боковое подающее устройство 15, находящееся на соответствующей высоте. Израсходованный и/или деактивизированный шахтный материал выпускается с помощью выпускного устройства 36, связанного с дном вторичной зоны 35.

Активный материал, используемый во вторичной зоне в этом примере, состоит из материала, содержащего двойную углекислую соль кальция и магния, в предпочтительном варианте доломит, с размером частиц менее 2 мм, в предпочтительном варианте менее 1 мм, который в сочетании с проходящим газом образует шахту 26 быстрой циркуляции с флюидизирующим газом.

Скорость газа в верхней секции реактора, рассчитанная по свободному поперечному сечению, регулируется таким образом, чтобы она была ниже 10 м/с, в предпочтительном варианте не выше 5 м/c.

Флюидизирующий газ шахты 26 быстрой циркуляции состоит из неочищенного газа 2 и добавленного окисляющего газа 13, например воздуха. При необходимости дополнительный окисляющий газ 33 может быть добавлен во вторичную зону 25 на одном или нескольких других соответствующих расположенных выше уровнях.

Конверсия смолы и аммиака, содержащихся в неочищенном газе 2, и сорбция хлорида, содержащегося в неочищенном газе, происходит путем контакта с каталитическим и абсорбирующим материалом в шахте 26 быстрой циркуляции в пределах интервала температур 600-1000^оС, в предпочтительном варианте 700-900^оС или в самом предпочтительном 850-950^оС. Требуемый уровень температуры поддерживается за счет сгорания горючих компонентов газа внутри вторичной зоны 25, которое регулируется путем корректировки количества добавляемого окисляющего газа в виде потоков 13 и 33. Средняя плотность материала во взвешенном состоянии в стержне реактора вторичной зоны 25 поддерживается в пределах интервала 20-300 кг/м³, в предпочтительном варианте в пределах интервала 80-250 кг/м³ с тем, чтобы достигался необходимый контакт между проходящим газом и активным материалом. Это достигается путем регулирования общего количества циркулирующего материала в сочетании с регулированием скорости потока рециркулируемого материала 30 и 34.

Время пребывания газа в стержне реактора, рассчитанное в пустом стержне реактора, поддерживается в пределах интервала 0,2-20 с, в предпочтительном варианте в пределах интервала 0,5-7 с.

В случае необходимости может быть осуществлена активизация деактивированного каталитического и сорбирующего материала путем добавления окисляющего газа 32, например воздуха, к материалу, который рециркулируется в нижнюю часть шихты быстрой циркуляции в виде потоков 30 и 34. Количество добавляемого окисляющего газа 32 регулируется таким образом, чтобы активация происходила в пределах интервала температур 600-1000^оС, в предпочтительном варианте в пределах интервала 750-900^оС.

До начала процесса происходит нагревание вторичной зоны 25, включая содержащийся в ней шахтный материал, путем сжигания в ней сжиженного нефтяного газа.

Поток 4 очищенного газа, выходящий из вторичного сепаратора 28 вторичной зоны 25, освобождается от попавших в него мелких частиц шахтного материала и пара в последующих зонах очистки газа.

Газ проходит через два теплообменника. В первом теплообменнике 37 происходит теплообмен с окисляющим газом в виде потока 10, предназначенным как для газификатора 3, так и для вторичной зоны 25, поэтому предварительно нагретый окисляющий газ 11 на выпуске из теплообменника 37 имеет соответствующую температуру, в предпочтительном варианте около 400^оС. Предварительно нагретый окисляющий газ 11 используется как в газификаторе 3 (в частности, как псевдоожиженный газ) в виде потока 12, так и во вторичной зоне 25 в виде потоков 13, 32 и 33.

В последующим втором теплообменнике 38 температура газа 5 снижается до уровня, который позволяет выпущенному газу 6 проходить дальнейшую очистку с использованием, например, обычных текстильных фильтров или циклона для дальнейшего удаления пыли в сепараторе 39, то есть в предпочтительном варианте до 150-300^оС. Удаленная пыль выходит из зоны удаления пыли.

Как упоминалось раньше, поток газа 4 содержит попавшие в него мелкие частицы активного материала, которые следуют с потоком газа из вторичного сепаратора 28. В особых случаях, например в связи с газификацией топлива из отходов, неочищенный газ 2 из газификатора содержит значительные количества НСl. Поскольку сорбции НСl на содержащем известь материале, таком как доломит, способствует снижению температуры, охлаждение газа в теплообменниках 37 и 38 способствует увеличению степени сорбции остаточного НСl на попавшем в поток газа материале.

Почти очищенный от пыли газ 7, который выходит из зоны 39 удаления пыли, подается в скруббер 40, в котором он освобождается от влаги и других растворимых в воде компонентов. В скруббере 40 происходит как увлажнение потока 7 газа, так и конденсация пара. При данных условиях происходят также осаждение почти всех остаточных мелких частиц и абсорбция растворимых в воде компонентов газа, например NH₃, HCl и /или NH₄Cl.

Поток 20 воды, выходящий из скруббера, рециркулируется насосом 41, при этом он охлаждается в теплообменнике 42 таким образом, что температуры воды 19, рециркулируемой в скруббер 40, поддерживается в пределах интервала 15-20^оС. Избыточная вода 21 спускается из водяной цепи.

Газ 8, выходящий из скруббера, может считаться чистым для целей промышленного применения, то есть он почти свободен от смол, аммиака, пыли, НСl и Н₂S. Однако при данной температуре выпуска )около 30^оС он насыщен паром. В зависимости от применения с целью уменьшения относительной влажности поток 8 газа может быть предварительно нагрет или пропущен через дополнительную стадию осушения для уменьшения содержания в нем влаги. Чистый газ отвечает требованиям в отношении применения для эксплуатации двигателя, например с помощью дизельных двигателей с турбокомпрессором, и может сжигаться без последующей очистки выпускаемого газа.

Для целей применения в более простых случаях, например для выработки тепла в котлах, скруббер 40 можно исключить с тем, чтобы очищенный газ использовался либо непосредственно после теплообменника 37 в виде потока 22 или после сепаратора 39 пыли в виде потока 23.

В описанном примере вторичная зона 25 объединена с газификатором 3, основанном на технологии шахты быстрой циркуляции с псевдоожиженным слоем. Газификатор 2 может производить неочищенный газ 2 из нескольких видов топлива, например коры, торфа или топлива из отходов. В качестве шахтного материала в шахте быстрой циркуляции газофикатора 3 можно использовать, как упоминалось, каталитический и абсорбирующий материал того же типа, что и во второй вторичной зоне 25.

Общий перепад давления подаваемого окисляющего газа, например воздуха, при прохождении через производственную систему немного выше 1 бар. Поэтому требуется использовать компрессор 16, который повышает давление окисляющего газа в потоке 9 до уровня давления в потоке 10, необходимого для достижения поставленной цели.

Остаточное содержание смолы и аммиака в очищенном газе составляет 500 и 300 мг/м³ соответственно. При наличии в очищаемом газе хлористого водорода его остаточная концентрация после процесса очистки снижается почти до уровня термодинамического равновесия.

Использование: очистка от смолы, NH₃, H₂S и возможно HCl горючего газа, полученного при газификации угля, торфа, коры дерева и топлива из отходов. Сущность изобретения: загрязненный горючий газ подают в отдельный реактор шахтного типа с циркулирующим псевдоожиженным слоем тонкоизмельченного карбоната кальция - магния, преимущественно в виде доломита и/или продукта его обжига. Очищаемый газ служит псевдоожижающим агентом. Температура процесса очистки 600 - 1000°С. Средняя плотность псевдоожиженного слоя 80-250 кг/м³ . Предусмотрена замена и активация материала, потерявшего активность из-за осаждения углерода. Активацию ведут кислородсодержащим газом и/или паром. Температура активации 600-1000°С. Предпочтительно иметь скорость газа в реакторе ниже 10 м/с, время пребывания очищаемого газа в реакторе 0,2 - 20 с. После очистки горючий газ охлаждают до 150 - 300°С и обеспыливают. Остаточное содержание смолы и аммиака составляет 500 и 300 мг/м³ соответственно. Концентрация HCl после очистки снижается до уровня термодинамического равновесия. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ОЧИСТКИ ЗАГРЯЗНЕННОГО ГОРЮЧЕГО ГАЗА, полученного из углеродистого материала в процессе его газификации, включающий обработку очищаемого газа в отдельном реакторе тонкоизмельченным карбонатом кальция - магния, преимущественно в виде доломита, и/или продуктом его обжига в виде циркулирующего псевдоожиженного слоя в интервале температур до 1000^oC при использовании очищаемого газа в качестве псевдоожижающего агента, отличающийся тем, что, с целью снижения остаточной концентрации в горючем газе смолы в форме органических соединений, аммиака и хлористого водорода при наличии последнего, очистку ведут в реакторе шахтного типа при средней плотности псевдоожиженного слоя 80 - 250 кг/м³ при температуре не ниже 600^oС. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал псевдоожиженного слоя, потерявший активность из-за осаждения углерода, отводят из реактора и заменяют эквивалентным количеством свежего материала или активированного материала путем обработки кислородсодержащим газом и/или паром в отдельной зоне активации или в системе, обеспечивающей циркуляцию материала псевдоожиженного слоя после его сепарации. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что указанную активацию ведут в интервале температур 600 - 1000^oС. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что скорость газа в реакторе поддерживают на уровне ниже 10 м/с. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что время пребывания очищаемого газа в реакторе поддерживают в интервале 0,2 - 20с. 6. Способ по пп.1 - 5, отличающийся тем, что газ после реактора охлаждают до 150 - 300^oС и обеспыливают.