СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК C10J3/46 G05D11/13 

Область техники, к которой относится изобретение. Настоящее изобретение относится к способу получения синтез-газа путем парциального окисления потока, содержащего углерод.

Способы получения синтез-газ путем парциального окисления хорошо известны на практике.

Обычно поток, содержащий углерод (углеводород), такой как уголь, бурый уголь, торф, древесину, кокс, сажу или другие виды газообразного, жидкого или твердого топлива, или их смеси, частично сжигают в реакторе газификации (или иначе, парциально окисляют) с использованием кислородсодержащего газа, такого как практически чистый кислород или (необязательно обогащенный кислородом) воздух или тому подобное, и таким образом, получают поток продукта, содержащий в том числе синтез-газ (т.е. СО и Н₂) и CO₂.

Обычно поток продукта дополнительно обрабатывают, например, с целью охлаждения потока продукта в секции закаливания и с целью удаления нежелательных компонентов. Кроме того, поток продукта можно вовлечь в реакцию водяного газа, мокрую очистку газа и тому подобное, в зависимости от окончательного использования потока продукта или его частей.

Уровень техники

Проблема известного способа получения синтез-газ заключается в том, что качество полученного потока продукта может изменяться, например, из-за возмущений или изменений потока, содержащего углерод, и кислородсодержащего потока, подаваемых в реактор газификации, количества золы в потоке, содержащем углерод, и т.д. Если, например, в качестве потока, содержащего углерод, используется уголь, то изменения содержания воды в угле может привести к изменениям условий процесса в реакторе газификации, в результате чего также будет изменяться состав потока продукта. Известны различные способы регулирования процесса парциального окисления. Например, в документе GB-A-837074 описан способ, в котором измеряют концентрацию диоксида углерода в газообразном продукте процесса парциального окисления с целью регулирования потока водяного пара.

В патенте США US-A-2941877 описан способ регулирования соотношения кислород/углерод в сырье, поступающем в реактор парциального окисления. Это соотношение кислород/углерод в сырье регулируется путем измерения концентрации метана в газообразном продукте с использованием техники инфракрасного (ИК) излучения. Недостатком использования метана в качестве параметра регулирования является то, что сигнал от метана не является резким, что снижает точность регулирования.

Указанная выше проблема является еще более значимой, если для конечного пользователя потока продукта (или его части) желательно постоянное качество продукта с весьма ограниченными вариациями показателей.

Целью настоящего изобретения является, по меньшей мере, минимизация указанной выше проблемы.

Раскрытие сущности изобретения

Дальнейшей целью является разработка альтернативного способа получения синтез-газа.

Одна или несколько из указанных выше или других целей может быть достигнута согласно настоящему изобретению путем обеспечения способа получения синтез-газа путем парциального окисления потока, содержащего углерод, в котором парциальное окисление регулируется с использованием соотношения кислорода к углероду (соотношение О/С), причем этот способ включает в себя, по меньшей мере, следующие стадии:

(a) подача потока, содержащего углерод, и кислородсодержащего потока в реактор газификации при заданном соотношении О/С;

(b) по меньшей мере, частичное окисление потока, содержащего углерод в реакторе газификации, и таким образом, образуется газообразный поток продукта, содержащий, по меньшей мере, синтез-газ, CO₂ и СН₄;

(c) определение содержания CO₂ в потоке продукта, полученном на стадии (b);

(d) сопоставление содержания, найденного на стадии (с), с предварительно заданным содержанием, таким образом, может быть получена величина разности между содержанием, найденным на стадии (с), и предварительно заданным содержанием;

(e) регулирование соотношения О/С на стадии (а), основываясь на величине разности, полученной на стадии (d).

Неожиданно было обнаружено, что путем регулирования соотношения О/С на основе содержания CO₂ в потоке продукта, можно весьма простым способом регулировать условия процесса в реакторе газификации (как, например, температура газификации) и, таким образом, качество потока продукта.

Кроме того, заявители обнаружили, что концентрация CO₂ дает резкий сигнал, по сравнению с сигналом CH₄ при измерении методом ИК, поэтому диоксид углерода более удобен для регулирования этого процесса. Заявители также обнаружили, что регулирование соотношения С/О гораздо более эффективно, чем регулирование потока водяного пара с целью достижения постоянного качества потока продукта при весьма ограниченной вариации показателей качества.

Согласно настоящему изобретению поток, содержащий углерод, может представлять собой любой подходящие жидкий, газообразный или твердый поток (в том числе суспензии), который может быть частично окислен, и таким образом, получается поток продукта, содержащий синтез-газ. Термин 'содержащий углерод' подразумевает, что также включает в себя 'содержащий углеводород'. Найдено, что способ согласно настоящему изобретению является особенно подходящим, если в качестве потока, содержащего углерод, предпочтительно используется мелкодисперсное сырье, с высоким содержанием углерода. Предпочтительным сырьем является твердое вещество, содержащее углерод. Примером такого сырья является уголь, биомасса, например древесина, и мусор, предпочтительно уголь. Более предпочтительно твердое сырье, содержащее углерод, состоит, главным образом, то есть > 90 мас.%, из угля естественного происхождения или синтетического (нефтяного) кокса. Подходящие угли включают лигнит, битуминозный уголь, полубитуминозный уголь, антрацитный уголь и бурый уголь. Это твердое сырье, содержащее углерод, можно подавать в процесс в виде водной суспензии или более предпочтительно в виде смеси сырья и подходящего газа носителя. Подходящим газом носителем является азот.

В качестве кислородсодержащего потока может быть использован любой подходящий поток. Обычно будет использоваться, главным образом, чистый кислород (например, полученный с использованием блока Air Separation Unit). Однако также может быть использован воздух или обогащенный кислородом воздух.

Специалист в этой области техники может легко понять, каким образом выбрать желательное соотношение О/С для конкретного потока, содержащего углерод, который будет подаваться на стадии (а). Для настоящего изобретения соотношение О/С имеет следующее значение, где 'О' означает массовый расход молекулярного кислорода, O₂, который присутствует в кислородсодержащем потоке, и где 'С означает массовый расход сырья, содержащего углерод, за исключением любого необязательного газа-носителя или воды, в случае суспензии. Выбранное желательное соотношение О/С можно определить, например, с использованием известных данных содержания энергии для конкретного потока, содержащего углерод, например, величины теплосодержания сырья в Дж/кг. Обычно, после определения выбранного желательного соотношения О/С, можно определить содержание O₂ в кислородсодержащем потоке, и будут установлены подходящие скорости потоков углеродсодержащего и кислородсодержащего сырья с целью получения желательного соотношения О/С.

Предпочтительно, содержание CO₂ определяют методом ИК-спектроскопии, хотя также могут быть использованы другие методики измерения. Предпочтительно, содержание CO₂ измеряют в газовом потоке, как можно ближе к стадии парциального окисления по причине очевидного контроля. Тем не менее, заявители установили, что процесс все же можно эффективно регулировать, когда содержание CO₂ измеряется после скруббера влажной промывки газа. Это выгодно, поскольку в промытом газе будет содержаться гораздо меньше кислот, что упрощает проведение анализа. Кроме того, специалист в этой области техники может понять, каким образом, можно выполнить определение содержания диоксида углерода на стадии (с); поэтому это не будет рассматриваться в дальнейшем.

Сопоставление содержания CO₂ в потоке продукта с предварительно заданным содержанием на стадии (d) может быть выполнено вручную. Однако обычно будет использоваться подходящая компьютерная программа. Обычно предварительно заданное содержание соответствует ожидаемой концентрации в композиции продукта (или ожидаемое содержание одного или нескольких компонентов композиции), которую можно было бы получить на основе выбранного соотношения О/С, если не будут происходить изменения или возмущения, если существует различие (то есть величина разности) между фактическим содержанием потока продукта и предварительно заданным содержанием, тогда устанавливается некоторая величина соотношения О/С, например, путем регулирования скоростей течения сырьевых потоков. В результате регулирования соотношения О/С условия процесса будут изменяться (стадии от (с) до (е) будут повторяться), пока фактическое содержание не примет заданное значение.

Специалист в этой области техники может понять, что по желанию, соотношение О/С будет регулироваться только в случае, когда величина разности является выше заданного значения. Кроме того, регулирование соотношения О/С будет зависеть от того, в какой степени состав потока продукта отклоняется от предварительно заданного состава.

В соответствии с настоящим изобретением обнаружено, что содержание CO₂ в потоке продукта является особенно подходящим для целей сопоставления. Таким образом, предпочтительно величина разности, возможно достигнутая на стадии (с), получена на основе сопоставления между содержанием диоксида углерода в потоке продукта и предварительно заданным содержанием CO_2.

В соответствии с настоящим изобретением является предпочтительным, если наблюдается величина разности (необязательно выше заданной величины), то на стадии (е) соотношение О/С устанавливается путем регулирования скорости течения одного из потоков, содержащих углерод и содержащих кислород, которые поступают на стадию (а) или их сочетания. Предпочтительно поток, содержащий углерод, регулируется на стадии (е).

В другом аспекте настоящее изобретение обеспечивает систему, подходящую для осуществления способа в соответствии с одним или несколькими предшествующими пунктами, причем эта система включает, по меньшей мере, следующее:

реактор газификации, имеющий входной патрубок для кислородсодержащего потока, входной патрубок для потока, содержащего углерод, и ниже (по потоку) реактора газификации имеется выходной патрубок для потока продукта, полученного в реакторе газификации;

первый регулятор потока для регулирования течения кислородсодержащего потока в реактор газификации;

второй регулятор потока для регулирования течения потока, содержащего углерод, в реактор газификации;

контроллер качества для определения состава потока продукта и его сопоставления с предварительно заданным составом, таким образом, возможно получение величины разности;

в которой контроллер качества функционально связан с первым и вторым регуляторами потоков и в которой контроллер качества может регулировать скорости течения в первом и втором регуляторах потока, на основе величины разности.

Теперь настоящее изобретение будет описано более подробно с помощью примера и со ссылкой на сопровождающий, не ограничивающий чертеж, где

изображена схема системы для осуществления способа согласно настоящему изобретению.

С целью описания отдельный номер позиции будет присвоен трубопроводу, а также потоку, который входит в этот трубопровод. Одинаковые номера позиций относятся к аналогичным структурным элементам.

На чертеже изображена схема системы для получения синтез-газа. В реактор газификации 2 поток 20, содержащий углерод, такой как уголь, и кислородсодержащий поток 10, такой как воздух, могут поступать по входным патрубкам 4 и 3, соответственно, при выбранном соотношении О/С. В варианте осуществления, показанном на чертеже, выбранное соотношение О/С достигается с помощью первого и второго регуляторов потоков 7 и 8. Первый и второй регуляторы потоков 7 и 8 эффективно связаны (как показано пунктирной линией 21). Более того, как первый, так и второй регуляторы потоков 7 и 8 содержат клапаны, схематически обозначенные позициями 11 и 12.

Уголь 20, по меньшей мере, частично окисляется в реакторе газификации 2, и таким образом, получается газообразный поток продукта 30, содержащий, по меньшей мере, синтез-газ (то есть СО+Н₂), CH₂ и CH₄. С этой целью обычно в реакторе газификации 2 располагаются несколько горелок (не показаны). Поскольку в качестве потока 20, содержащего углерод, используется уголь, также образуется шлак, который удаляется по лини 50 для последующей обработки.

Обычно парциальное окисление в реакторе газификации 2 проводят при температуре в диапазоне от 1200 до 1800°С и под давлением в диапазоне от 1 до 200 бар, обычно при 40 бар(4МПа).

Как показано в варианте осуществления на чертеже, полученный поток продукта 30, содержащий синтез-газ, поступает в секцию закаливания 6; где поток 30 обычно охлаждается приблизительно до 350°С. Секция закаливания 6 может иметь любую подходящую, но обычно будет иметь форму трубки.

Специалист в этой области техники сможет легко понять, что поток продукта 30, покидающий секцию закаливания 6, может подвергаться последующей обработке. С этой целью этот поток может подаваться, например, в блок удаления твердых веществ (не показан), скруббер влажной промывки газа (не показан), в реактор конверсии водяного газа (не показан) и др.

Поток продукта 30, содержащий синтез-газ, покидающий секцию закаливания 6 и предпочтительно покидающий дополнительный, расположенный ниже скруббер влажной промывки газа, поступает в контроллер качества 9, где определяется содержание CO₂ в потоке продукта 30 и сопоставляется с предварительно заданным содержанием CO₂. Это предварительно заданное содержание CO₂ может соответствовать ожидаемому содержанию CO₂ в потоке продукта 30, которое могло бы быть получено на основе выбранного соотношения О/С, если не будут происходить изменения или возмущения.

Если состав поток продукта 30 отклоняется от предварительно заданного содержания CO₂, соотношение О/С для потоков 10 и 20 регулируется таким образом, чтобы также повлиять на условия процесса в реакторе газификации 2. Специалист в этой области техники сможет понять, что, по желанию, соотношение О/С может регулироваться только в случае, когда отклонение (то есть величина разности) превышает заданное значение.

С целью достижения желательной установки соотношения О/С для потоков 10 и 20, контроллер качества 9 оказывает воздействие на регуляторы потоков 7 и 8 (как показано пунктирными линиями 22 и 23), и в результате соответственно установятся скорости потоков 10 и/или 20. Вследствие этого условия процесса (в частности температура газификации) в реакторе газификации 2 изменятся таким образом, что также приедет к изменению содержания CO₂ в потоке продукта 30. Такое регулирование соотношения О/С предварительно заданного содержания CO₂.

В дальнейшем рассматривается неограничивающий пример способа согласно изобретению.

Пример

Используя схему компоновки, обобщенно показанную на чертеже, получают синтез-газ путем парциального окисления твердого, мелкодисперсного потока угля, который сначала поступает в реактор газификации. В качестве кислородсодержащего потока используется, главным образом, чистый кислород (полученный в установке ASU).

Потоки угля и кислорода поступают таким образом, чтобы (экспериментально) получить выбранное соотношение О/С, равное приблизительно 0,713. После частичного окисления потока угля в реакторе газификации при температуре около 1500°С и давлении приблизительно 40 бар получают газообразный поток продукта. Определяют состав потока газообразного продукта, который приведен ниже в таблице (указан как фактический состав).

В этом примере содержание CO₂ в потоке продукта измеряют методом ИК-спектроскопии и сопоставляют (расчет) с предварительно заданным содержанием CO₂ в потоке продукта (также показан в таблице), и в результате расчета получают величину разности между содержанием CO₂ в фактическом составе и в предварительно заданном составе (в этом случае 0,74 мол. %). Поскольку величина разности концентраций CO₂ кажется слишком высокой (превышает заранее выбранную величину приблизительно на 1% от заданного содержания), соотношение О/С в потоках угля и кислорода, которые поступают в реактор газификации, регулируется путем изменения скорости потока угля, при сохранении постоянной скорости течения кислородного потока. Это повторяется до тех пор, пока величина разности между фактическим содержанием CO₂ и предварительно заданным содержанием CO₂ в потоке продукта не станет меньше, чем выбранное значение 1%.

Само собой разумеется, что, по желанию, может быть выбрано предварительно заданное значение, отличающееся от 1% (как, например, 0,5%). Предпочтительно предварительно заданное значение выбирают между 0,5 и 5%.

Состав газообразного потока продукта Компонент Фактический состав Заданный (расчетный) состав Величина разности H₂O [мол.%] 19,85 19,85   Н₂ [мол.%] 19,22 19,55   СО [мол.%1 46,39 46,91   H₂S [мол.%] 0,38 0,38   N₂ [мол.%] 7,83 7,71   Ar [мол.%] 0,07 0,06   NH₃ [мол.%] 0,01 0,01   COS [мол.%] 0,05 0,05   HCN [мол.%] 0,01 0,01   CO₂ [мол.%] 6,19 5,45 0,74 (*) СН₄ [мол.%] 0,0024 0,0047 0,0023 (*) Этот результат представляет собой величину разности около 13%, что превышает предварительно заданное значение 1%.

Специалист в этой области техники могут легко понять, что настоящее изобретение можно модифицировать различными способами, без отклонения от объема изобретения, который определен в формуле изобретения.

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для получения синтез-газа. Способ включает стадии: (а) подачу потока, содержащего углерод, и кислородсодержащего потока в реактор газификации при заданном соотношении О/С, (b) по меньшей мере, частичное окисление потока, содержащего углерод, в реакторе газификации с образованием газообразного потока продукта, содержащего, по меньшей мере, синтез-газ, CO₂ и СН₄, (с) определение содержания СО₂ в потоке продукта, полученном на стадии (b), (d) сравнение содержания СО₂, обнаруженного на стадии (с), с предварительно заданным содержанием СО₂ в результате чего может быть получена величина разности между содержанием, обнаруженным на стадии (с), и предварительно заданным содержанием, (е) регулирование соотношения О/С на стадии (а), основываясь на величине разности, полученной на стадии (d), где 'О' означает массовый расход молекулярного кислорода, О₂, который присутствует в кислородсодержащем потоке, и 'С' означает массовый расход сырья, содержащего углерод, за исключением любого необязательного газа-носителя или воды. Изобретения позволяют улучшить точность регулирования качества продукта. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Способ получения синтез-газа путем парциального окисления потока, содержащего углерод, в котором парциальное окисление регулируют с использованием соотношения кислорода к углероду (соотношение О/С), и содержит, по меньшей мере, стадии:
(a) подачу потока, содержащего углерод, и кислородсодержащего потока в реактор газификации при заданном соотношении О/С;
(b) по меньшей мере, частичное окисление потока, содержащего углерод, в реакторе газификации с образованием газообразного потока продукта, содержащего, по меньшей мере, синтез-газ, СО₂ и CH₄;
(c) определение содержания CO₂ в потоке продукта, полученном на стадии (b);
(d) сравнение содержания CO₂, обнаруженного на стадии (с), с предварительно заданным содержанием СО₂, в результате чего может быть получена величина разности между содержанием, обнаруженным на стадии (с), и предварительно заданным содержанием;
(e) регулирование соотношения О/С на стадии (а), основываясь на величине разности, полученной на стадии (d),
где О означает массовый расход молекулярного кислорода, О₂, который присутствует в кислородсодержащем потоке, и С означает массовый расход сырья, содержащего углерод, за исключением любого необязательного газа-носителя или воды.

2. Способ по п.1, в котором величина разности, возможно достигнутая на стадии (d), получена на основе сопоставления между содержанием диоксида углерода в потоке продукта и предварительно заданным содержанием СО₂.

3. Способ по п.2, в котором величина разности выражена как процент от абсолютной разности между содержанием СО₂ в потоке продукта и предварительно заданным содержанием СО₂ относительно предварительно заданного содержания СО₂, причем стадию (е) выполняют, когда величина разности превышает предварительно выбранное значение, которое находится между 0,5 и 5%.

4. Способ по пп.1-3, в котором поток, содержащий углерод и поступающий на стадию (а), содержит мелкодисперсный уголь.

5. Способ по п.1, в котором соотношение О/С устанавливается на стадии (е) путем регулирования скорости течения одного из углеродсодержащих потоков и кислородсодержащих потоков, поступающих на стадию (а) или их сочетание.

6. Способ по п.5, в котором соотношение О/С устанавливается путем регулирования скорости потока, содержащего углерод, в то время как кислородсодержащий поток остается постоянным.

7. Способ по п.1, в котором поток продукта, полученный на стадии (b), подвергается влажной промывке газа в скруббере до осуществления стадии (c).

8. Способ по п.1, в котором на стадии (с) содержание СО₂ определяют методом ИК-спектроскопии.

9. Система (1) для осуществления способа, заявленного в пп.1-8, которая включает, по меньшей мере:
- реактор газификации (2), имеющий входной патрубок (3) для кислородсодержащего потока (10), выходной патрубок (4) для потока, содержащего углерод (20), и ниже по потоку выходной патрубок (5) для потока продукта (30), полученного в реакторе газификации (2);
- первый регулятор потока (7) для регулирования течения кислородсодержащего потока (10) в реактор газификации (2);
- второй регулятор потока (8) для регулирования течения потока (20), содержащего углерод, в реактор газификации (2);
- прибор контроля качества (9) для определения в потоке продукта (30) и его сопоставления с предварительно заданным содержанием CO₂, таким образом, возможно получение величины разности;
в которой прибор контроля качества (9) функционально связан с первым и вторым регуляторами потоков и в которой прибор контроля качества (9) может регулировать, по меньшей мере, одну из скоростей течения в первом и втором регуляторах потока (7 и 8) на основе величины разности.