СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ И ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМЕННЫЙ РЕАКТОР ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК C10J3/18 

Изобретение относится к энергетике, а именно, к способам и устройствам для термической переработки углей и может быть использовано на тепловых электростанциях, в котельных для получения из низкосортного энергетического угля высококачественного синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода.

Известен процесс газификации угля в пылевидном потоке, который осуществляют в газификаторе Копперс-Тотцека. В камеру газификатора через форсунки вдувают пылевидный уголь (размер частиц ≈0,1 мкм) с паром и кислородом. Процесс газификации угля осуществляют с жидким шлакоудалением. Газогенератор представляет собой горизонтальную камеру с установленными на торцах друг против друга форсунками для подачи реагентов. Рекомендуется перерабатывать угли с содержанием золы меньше 40% и остаточной влажностью не больше 6-8% Образующийся газ удаляют сверху газогенератора, а жидкий шлак выпускают снизу. Состав получаемого газа (%): CO 57,2; H₂ 30,7; CO₂ 10,5; CH₄ 0,1; N₂ 1,2. Теплотворная способность газа Q_в 11,2 МДж/м³. При парокислородной газификации пылевидного топлива достигается высокая степень превращения углерода, отсутствуют нежелательные продукты полукоксования угля и возможна переработка разнообразного сырья.

Однако для известного автотермического процесса газификации характерно значительное содержание в получаемом газе диоксида углерода, которое составляет ≈10% Это связано с компенсацией эндотермического эффекта реакции сжиганием части угля. Кроме того, известный процесс связан с необходимостью использования значительного количества кислорода, что существенно повышает стоимость синтез-газа.

Известен способ плазменной газификации экибастузских углей и плазменный реактор для его осуществления. По этому способу в камеру реактора подают измельченный уголь и газифицирующий агент. В качестве газифицирующего агента используют водяной пар, кислород или воздух. В реакционной камере производят нагрев пылегазовой смеси в потоке низкотемпературной плазмы и осуществляют газификацию угля. Среднемассовая температура процесса 1500-3000 К. Газообразные и твердые продукты газификации по теплоизолированным трубам подаются в горелки котла на сжигание. Как показали расчеты, теплота сгорания синтез-газа на единицу массы газовой фазы при температуре 1800 К составляет для воздуха 6,5 МДж/кг, для кислорода 13 МДж/кг, а для водяного пара 19 МДж/кг, а затраты электроэнергии на единицу массы условного топлива в тех же условиях и тепловом КПД газификатора, равном 0,8, равны соответственно 2,55; 2,0 и 2,75 квт.ч/кг. То есть, продукты паровой газификации по теплоте сгорания в три раза превосходят продукты воздушной газификации, тогда как затраты электроэнергии на единицу массы условного топлива в этом случае увеличиваются лишь на 10% На этом основании сделан вывод о перспективности применения в качестве газифицирующего агента водяного пара по сравнению с другими окислителями.

Однако при использовании в качестве газифицирующего агента водяного пара, а тем более кислорода, являющихся в настоящее время очень дорогостоящими реагентами, существенно повышается стоимость получаемого синтез-газа и снижается экономичность процесса.

Для реализации данного процесса разработан плазменный реактор постоянного тока с противотоком твердой и газовой фазы. Он содержит вертикальную цилиндрическую камеру, футерованную огнеупорным материалом. Камера реактора водоохлаждаемая и изготовлена из стали, а снаружи охвачена электромагнитной катушкой. В нижней части реактора на дне шлакосборника установлен стержневой графитовый электрод, а сверху реактора расположены эжекторы для подачи угля в камеру тремя струями. Электрическая дуга горит со стержневого электрода на кольцевой электрод, вмонтированный в стенку реактора. Разряд находится в постоянном магнитном поле, создаваемом электромагнитной катушкой и под действием силы Лоренца вращается по кольцевому электроду. Кольцевой электрод в зоне горения дуги выполнен с расширением к низу, что облегчает удаление шлака со стенки. Газификация угля происходит в противотоке пара, нагретого до высокой температуры. Ожидаемая расчетная производительность плазменного газификатора составляет около 2,6 т.у.т/час по синтез-газу, а электрическая мощность плазменного газификатора около 7,5 МВт. При тепловом КПД газификатора, равном 0,8, затраты электроэнергии на процесс достигают 2,9 квтч/т.у. т.

Однако в данном плазменном реакторе пылегазовая смесь поступает неравномерно по сечению камеры тремя струями. Следует отметить, что неравномерный ввод измельченных и газообразных реагентов является отличительной особенностью всех известных плазменных реакторов, предназначенных для переработки дисперсных материалов. Это приводит к неравномерному нагреву реагентов, что существенно снижает степень извлечения целевых продуктов. К тому же, применения в качестве газифицирующих агентов водяного пара и кислорода, интенсивно реагирующих с футеровкой камеры и графитовыми электродами, приводит к их быстрому износу. Снижению срока службы реактора способствует форма кольцевого электрода, которая имеет сужение в верхней части и расширение в нижней части. При этом из-за силы гравитации шлак быстрее стекает с кольцевого электрода и оголяет его поверхность, что ускоряет эрозию электрода в агрессивной среде.

Наиболее близким к предлагаемому способу газификации является способ сжигания низкосортных углей. В этом способе с целью исключения примесей окислителей в конечном продукте используется аллотермический процесс с применением плазменного нагрева. Для обеспечения оптимального отношения водорода к оксиду углерода (H₂: CO) в получаемом восстановительном газе в качестве окислителя применяется водяной пар. Весь перерабатываемый мелкодисперсный уголь вместе с окислителем подают в плазменный реактор с совмещенной зоной выделения и поглощения тепла. Ввод измельченного материала в реакционную зону осуществляют по патрубкам в виде струи.

Однако применение водяного пара в качестве газифицирующего агента заметно удорожает стоимость получаемого синтез-газа, а неравномерная подача угольной пыли по сечению реакционного канала (в виде струи) снижает степень газификации угля, которая не превышает 91-93%
Наиболее близким к предлагаемому плазменному реактору является аппарат для газификации углей, представляющий вертикальный водоохлаждаемый цилиндр, футерованный графитом. Через верхнюю крышку введены стержневые графитовые электроды. Снаружи камера реактора охвачена электромагнитной катушкой - соленоидом, питаемый постоянным током от независимого источника. В камере реактора между стенкой и стержневыми графитовыми электродами горит трехфазная электрическая дуга переменного тока в постоянном магнитном поле. Измельченный уголь и водяной пар, подаваемые в камеру реактора сплошной струей через крышку, подхватываются плазменными струями расширяющихся столбов и, интенсивно нагреваясь, отбрасываются на стенку камеры. При движении частиц угля в объеме камеры реактора происходит газификация топлива. Шлак стекает в шлакосборник, а образующийся синтез-газ удаляется на дальнейшую обработку. Известный аппарат обеспечивает степень газификации угля 91,1-93,5 степень перевода серы в газовую фазу 90,8-96,7 Получаемый газ состоит из CO и H₂ на 95,6-95,8
Применение водяного пара в качестве газифицирующего агента существенно ускоряет эрозию графитовой футеровки камеры и износ графитовых стержневых электродов, что сокращает ресурс реактора и повышает расход графитовых дорогостоящих электродов. Снижению ресурса аппарата также способствует наличие гладких стенок реактора, что приводит к беспрепятственному стеканию расплава по стенке и ее оголению.

Задача, решаемая в предлагаемом изобретении, заключается в повышении эффективности процесса газификации угля и увеличении ресурса работы плазменного реактора.

Для достижения обеспечиваемого изобретением технического результата в способе газификации угля, предусматривающем ввод измельченного угля с газифицирующим агентом в камеру реактора, генерирование потока низкотемпературной плазмы в камере с использованием плазменного газа и нагрев угольной аэросмеси в потоке низкотемпературной плазмы, согласно изобретению, перед вводом измельченного угля с газифицирующим агентом в камеру осуществляют разделение потока угольной аэросмеси на основной и стабилизирующий потоки, а в качестве газифицирующего агента и плазмообразующего газа используют дымовые газы, при этом разделенные потоки смеси угля и дымовых газов подают равномерно по сечению камеры реактора, для чего в каналах для ввода реагентов поддерживают постоянным отношение расхода смеси и дымовых газов к площади сечения канала, а также тормозят стекание расплава по стенке реактора.

Достижение обеспечиваемого изобретением технического результата стало возможным благодаря электродуговому плазменному реактору для газификации углей, содержащему камеру с электромагнитной катушкой, стержневые электроды и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции. Согласно изобретению патрубки для ввода реагентов выполнены в виде размещенных на крышке реактора концентрических каналов сечений, причем каждый канал снабжен вертикальной трубкой для ввода угля и тангенциальным патрубком для подачи дымовых газов, а на внутренней стенке реактора выполнен кольцевой паз, равный высоте электромагнитной катушки.

Именно заявляемая совокупность конструктивных признаков обеспечивает согласно способу осуществление процесса газификации угля с использованием в качестве газифицирующего агента дымовых газов, равномерное разделение смеси угля с дымовыми газами по сечению камеры реактора и торможение слоя расплава по стенке реактора. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемые изобретения связаны между собой настолько, что образуют единый изобретательский замысел, и могут быть использованы лишь совместно.

Дымовые газы тепловых электростанций при избытке воздуха в уходящих газах α_в= 1,4 имеют следующий состав (об.) CO₂ 16; N₂ 68,5; H₂O 9,6; O₂ 5,9. Применение при газификации угля в качестве газифицирующего агента дымовых газов со значительным содержанием диоксида углерода и паров воды обеспечивает получение высококалорийного синтез-газа, состоящего из оксида углерода и водорода:
C + CO₂ 2CO;
C + H₂O CO + H₂
Дымовые газы, как газифицирующий агент, являются значительно более дешевыми реагентами, чем кислород и водяной пар. По сравнению с газифицирующим агентом воздухом использование дымовых газов способствует получению горючего газа с более высокой теплотой сгорания. Совокупность указанных положительных факторов значительно повышает экономическую эффективность процесса газификации углей.

В отличие от известных способов газификации углей в предложенном изобретении впервые обеспечивается равномерный ввод измельченных и газообразных реагентов по сечению камеры реактора. Это достигается путем разделения смеси угля и дымовых газов и их вводом через расположенные на крышке реактора концентрические каналы сечения. Число концентрических каналов может быть два и более и их количество зависит от диаметра камеры реактора и его производительности. В общем случае при увеличении числа каналов сечений повышается равномерность ввода реагентов в реакционную зону. Возможны два варианта осуществления способа, когда при проектировании реактора в него можно заложить постоянные от сечения к сечению расходы аэросмеси G_a и площади концентрических каналов-сечений:
G_a const S const,
либо различные от сечения к сечению G _a и S:
G_a var S var.

Очень важно, что в каждом из указанных сечений поддерживают постоянными отношение расхода смеси угля и дымовых газов к площади концентрического канала-сечения
W G_a/S const.

Выполнение указанного требования обеспечивает равномерное поступление угля и дымовых газов в высокотемпературную зону и исключает вероятность перегрева, либо недогрева части реагентов. При равномерном прогреве пылегазовой смеси достигается высокая степень газификации угля.

В заявляемом способе и устройстве предлагается использовать в качестве газифицирующего агента и плазмообразующего газа дымовые газы вместо кислорода, водяного пара, воздуха и т.д. Подача в камеру плазменного реактора в таком значительном количестве дымовых газов с высоким содержанием диоксида углерода (16%) и пониженным содержанием паров воды и кислорода (5,9) намного снижает эрозию электродов даже по сравнению с прототипом, не говоря уже об аналогах, где в качестве газифицирующего агента используется кислород, водяной пар, воздух и т.д.

На уменьшение эрозии электродов, а, следовательно, повышение ресурса плазменного реактора нацелена и другая новая операция предлагаемого технического решения торможение стекания расплава по стенке реактора путем выполнения на стенке камеры кольцевого паза равного высоте электромагнитной катушки. Расплав на стенку отбрасывается, как уже отмечалось, плазменными струями расширяющихся дуговых столбов. В известных плазменных реакторах для переработки измельченных материалов расплав беспрепятственно стекает по гладкой стенке и оголяет ее. При этом подаваемые в высокотемпературную зону высокореакционные окислители (кислород, водяной пар, воздух и т. д.) интенсивно реагируют со стенкой камеры и резко усиливают ее эрозию. В заявляемом же изобретении кольцевой паз на стенке реактора заполняется расплавом, который тормозится нижней кромкой паза. В данных условиях электрическая дуга со стержневого электрода угля горит не на оголенную стенку, как в известных аппаратах, а на своеобразную "ванну расплава" на стенке, что существенно уменьшает эрозию кольцевого электрода. Ширину кольцевого паза рекомендуется брать равной высоте электромагнитной катушки, поскольку именно в этой области на стенке реактора перемещаются опорные пятна дуги, вызывающие интенсивную эрозию электрода.

Таким образом, за счет применения в значительном количестве дымовых газов с повышенным содержанием CO₂, а также торможением слоя расплава на стенке реактора и защиты поверхности кольцевого электрода удается резко повысить ресурс работы плазменного реактора. В прелагаемом изобретении ресурс работы плазменного реактора может достигать десяти тысяч часов, так как он определяется только сроком службы кольцевого электрода, поскольку в качестве стержневых электродов в нем применяют непрерывно наращиваемые графитовые электроды с практически безграничным ресурсом.

Тщательный анализ патентной и научно-технической литературы показал, что из уровня техники не известны технические решения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквиавлентных заявляемым. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображен предлагаемый электродуговой плазменный реактор для газификации углей в разрезе, без вспомогательного оборудования.

Реактор содержит камеру 1, охваченную снаружи электромагнитной катушкой 2. На крышке реактора установлен стержневой графитовый электрод 3. Количество электродов может быть один, два и три. Питание реактора может осуществляться как постоянным, так и переменным током.

Новыми элементами реактора являются патрубки 4 для ввода реагентов. Они выполнены в виде размещенных на крышке реактора концентрических каналов-сечений. Каждый канал снабжен вертикальной трубкой 5 для ввода угля и тангенциальным патрубком 6 для подачи дымовых газов. На стенке 7 реактора выполнен кольцевой паз 8, равный высоте электромагнитной катушки 2.

Между стержневым электродом 3 и расплавом в кольцевом пазу 8 горит электрическая дуга 9. Струйные течения плазмы в дуге 9 приводят к возникновению в объеме камеры реактора замкнутых циркуляций 10.

Предлагаемый способ газификации углей осуществляют следующим образом.

Вначале производят разделение измельченного угля и вводят его по вертикальным трубкам 5 в концентрические каналы-сечения 4. По тангенциальным патрубкам 6 подают дымовые газы от рециркуляционного дымососа. Смесь угля и дымовых газов вводят равномерно по сечению камеры реактора 1. Для этого в каждом из указанных сечений 4 поддерживают постоянным отношение расхода смеси угля и дымовых газов к площади сечения. Между стержневым электродом 3 и стенкой камеры реактора 7 зажигают электрическую дугу 9 и включают электромагнитную катушку 2. Под действием силы Лоренца дуговые столбы 9 начинают вращаться в межэлектрическом промежутке. При вращении дуги 9 из-за разности диаметра стержневого электрода 3 и кольцевого паза 8, а также разности аэродинамического сопротивления в местах привязки дуги 9 электрический разряд расширяется по направлению к стенке 7. При расширении дугового столба 9 в нем возникают высокоскоростные плазменные струи (струи Меккера) от места сужения в сторону расширения. Эти плазменные струи подхватывают частицы угля, а также дымовые газы и интенсивно нагревая их отбрасывают на стенку 7. В процессе движения реагентов в объеме реактора происходит газификация топлива. Замкнутые циркуляции 10 интенсифицируют тепломассообмен в реакционной зоне. Расплав высаживается в кольцевом пазу 8 на стенке 7 реактора и заполняет его. При этом дуга 9 горит между стержневым электродом 3 и "ванной расплава" в кольцевом пазу 8, что повышает ресурс работы реактора. При газификации угля образуется синтез-газ, состоящий из оксида углерода и водорода, который удаляется через нижнее отверстие в реакторе. Здесь же выпускается шлак в шлакосборник (на рисунке не показан).

При проектировании электродугового плазменного реактора для газификации углей, зная его производительность и теплотехнические характеристики газифицируемого угля, можно обычными инженерными методами рассчитать основные параметры процесса и аппарата: мощность реактора, его ток и напряжение, расходы угля и газифицирующего агента, число трубок для ввода угля и их диаметр, число патрубков дымовых газов и их сечение, геометрические размеры камеры реактора и т.д.

Пример.

В электродуговом плазменном реакторе газифицировали уголь Холбольджинского месторождения (Республика Бурятия). Характеристика угля: низшая теплотворная способность на рабочую массу Qpн

4020 ккал/кг, зольность A^c 22 влажность W^г 23 выход летучих V^г 43 Фракционный состав R₉₀=6-8 В качестве газифицирующего агента использовали дымовые газы. Состав дымовых газов (об.): CO₂=16; N₂=68,5; H₂O=9,6; O₂=5,9. Газификацию угля осуществляли в электродуговом плазменном реакторе постоянного тока с одним стержневым электродом мощностью 3 МВт (см. чертеж). Диаметр камеры реактора 0,5 м, высота реактора 1,0 м. Реактор охвачен электромагнитной катушкой высотой 0,18 м. На внутренней стенке реактора в зоне электромагнитной катушки выполнен кольцевой паз высотой 0,18 м. КПД реактора 85 Расход угля 1,2 т/ч. расход дымовых газов 0,7 т/ч. На крышке реактора установлены пять концентрических каналов-сечений с вертикальными трубками для подачи угля и тангенциальными патрубками для ввода дымовых газов. Расход угля через трубки 0,24 т/ч. расход дымовых газов через патрубки 0,14 т/ч. В каждом из указанных сечений отношение расхода смеси угля и дымовых газов к площади сечения было постоянно и составляло 19,36 т/ч•м². Среднемассовая температура процесса 2000 К. Степень газификации угля 98,5 Удельный расход электроэнергии 1,34 МВт•ч/т.

Технико-экономическая эффективность заявляемого способа газификации углей и электродугового плазменного реактора для его осуществления состоит в следующем.

1. На 7-8 увеличивается степень газификации угля за счет равномерного ввода двухфазного потока в высокотемпературную реакционную зону.

2. На порядок повышается ресурс плазменного реактора вследствие защиты стенок реактора слоем расплава и увеличения объема дымовых газов, содержащих CO₂.

3. На несколько порядков уменьшается стоимость газифицирующего агента (дымовых газов) по сравнению с дорогостоящими реагентами кислородом, водяным паром и т.д.

Экономический эффект от использования предлагаемого технического решения может составить более миллиона рублей в год на одном промышленном газификаторе. Следовательно, можно заключить, что заявляемый способ и устройство отличаются высокой эффективностью и конкурентноспособностью.

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано на ТЭС для получения из низкосортного энергетического угля высококачественного синтез-газа, состоящего из оксида углерода и водорода. Для повышения эффективности газифицирующего агента используют дымовые газы, причем разделенные потоки смеси угля и дымовых газов подают равномерно по сечению камеры реактора, для чего в каждом из указанных сечений поддерживают постоянным отношение расхода смеси угля и дымовых газов к площади сечения, а также тормозят стекание расплава по стенке реактора. В плазменном реакторе для осуществления способа патрубки 4 для ввода реагентов выполнены в виде размещенных на крышке реактора концентрических каналов - сечений, причем каждый канал снабжен вертикальной трубкой 5 для ввода угля и тангенциальным патрубком 6 для подачи дымовых газов, а на стенке 7 реактора выполнен кольцевой паз 8, равный высоте электромагнитной катушки 2. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ газификации углей, включающий разделение измельченного угля и ввод его с газифицирующим агентом в камеру реактора, генерирование потока низкотемпературной плазмы с использованием в качестве плазмообразующего газа дымовых газов, смешение потока низкотемпературной плазмы с потоком угля с нагревом последнего и его газификацией, отличающийся тем, что в качестве газифицирующего агента используют дымовые газы, причем раздельные потоки смеси угля и дымовых газов подают равномерно по сечению камеры реактора, для чего в каждом из указанных сечений поддерживают постоянным отношение расхода смеси угля и дымовых газов к площади сечения, а также тормозят стекание расплава по стенке реактора. 2. Электродуговой плазменный реактор для газификации углей, содержащий камеру с электромагнитной катушкой, стержневые электроды и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции, отличающийся тем, что патрубки для ввода реагентов выполнены в виде размещенных на крышке реактора кольцевых каналов, расположенных по концентрическим окружностям, причем каждый канал снабжен вертикальной трубкой для ввода угля и тангенциальным патрубком для подачи дымовых газов, а на внутренней стенке реактора на одном уровне с электромагнитной катушкой выполнен кольцевой паз, высота которого равна высоте электромагнитной катушки.