УДАЛЕНИЕ ЖИДКОГО ШЛАКА И ЩЕЛОЧЕЙ ИЗ СИНТЕЗ-ГАЗА Российский патент 2013 года по МПК C10K1/02 C10J3/00 

Изобретение относится к способу получения синтез-газа из углеродсодержащего топлива, как, например, всех видов углей, кокса, нефтяного кокса, биомассы, а также эмульсий, водно-битумной эмульсии и т.д. С помощью способа согласно изобретению синтез-газ можно легко очистить непосредственно после получения без дальнейшего охлаждения. Благодаря этому можно лучше использовать тепловую энергию газа. Изобретение относится также к устройству, с помощью которого можно осуществить этот способ, а также к применениям используемых газопоглотительных керамических материалов.

При получении синтез-газа из углеродсодержащего топлива топливо с газом, содержащим водяной пар или водяной пар и кислород, подвергают реакции в соответствующем реакторе. При этом процессе наряду с синтез-газом получаются также минеральные жидкие золы и шлаки, которые, как правило, состоят из аэрозолей или капелек. Некоторые из этих жидких зол отчасти испаряются и образуют щелочные пары. Для дальнейшего применения эти компоненты большей частью очень вредны, так как они могут повредить или оказать негативное воздействие на части установок дальнейших технологических устройств.

Часто синтез-газ применяют для получения важных химикатов, как, например, аммиака или метанола. Содержащиеся в синтез-газе вредные или оказывающие негативное действие составляющие части должны быть удалены из синтез-газа для проведения необходимых этапов способа. Для этого синтез-газ для отдачи высокой внутренней энергии часто смешивают с охлаждающей посторонней средой. Этот процесс называется также процессом быстрого охлаждения (Quenchprozess). В качестве посторонней среды, как правило, находит применение вода. Но можно использовать также другие вещества, как, например, азот или двуокись углерода. В процессе этого этапа способа синтез-газ заметно охлаждается. За процессом быстрого охлаждения часто следуют дальнейшие этапы способа, которые требуют еще большего охлаждения синтез-газа. Это, например, процессы промывки для удаления кислых газов.

При этих этапах способа большая часть работоспособности, определяемой тепловой энергией, которая содержится в синтез-газе, бесполезно теряется. Для дальнейшего применения часто нужны, однако, высокие температуры. Необходимый синтез-газ нужно затем снова нагревать, для чего требуется много энергии. Более благоприятным было бы, если бы полученный синтез-газ можно было бы использовать дальше без последующего этапа процесса охлаждения. Так как газ непосредственно после получения также находится под высоким давлением, также возможно применение турбины для получения кинетической энергии вращения. Кинетическая энергия вращения турбины опять же может использоваться для получения тока или для привода агрегатов установки. Это делает процесс получения синтез-газа экономически благоприятным. Такой процесс можно использовать для комбинированного получения синтез-газа и электрического тока.

Предпосылкой для этого является, разумеется, то, что полученный синтез-газ может использоваться для привода турбины без дополнительного этапа охлаждения. Для этого было бы предпочтительным, если бы вредные жидкие и газообразные составляющие части синтез-газа можно было бы удалить без охлаждения и без изменения агрегатного состояния. Ибо капельки жидкости и вызывающие коррозию пары привели бы к повреждению турбинных лопаток вследствие эрозии и коррозии.

US 4482358 A описывает процесс получения синтез-газа, который направляет синтез-газ через выполненный по типу циклона напорный резервуар, в котором циркулирует слой твердого вещества с различным распределением зерен по величине. При протекании через слой твердого вещества введенные вместе части твердого вещества и шлака упрочняются и выбрасываются из системы. Благодаря применению размельчителя шлака твердые вещества могут размельчаться и использоваться снова. Как газ, так и размельченный шлак могут направляться через теплообменники, которые могут использоваться для привода турбины в целях получения тока. Перед проведением через напорный резервуар синтез-газ подвергается процессу охлаждения с помощью воды. Недостатком этой системы является то, что для охлаждения синтез-газа должна применяться вода. Недостатком, кроме того, является то, что для привода турбины должен производиться пар. Удаление соединений металлов из синтез-газа не описывается.

EP 412591B1 описывает процесс выделения соединений щелочных и тяжелых металлов из горячих газов. Горячие газы получаются в качестве газообразных продуктов сгорания при сжигании ископаемых топлив и используются для привода газовой турбины с целью получения тока. Для предотвращения коррозии газовой турбины, вызываемой содержащимися в газообразных продуктах сгорания солями металлов, газообразные продукты сгорания перед поступлением в газовую турбину подвергаются обработке сорбентом. Он суспендируется в потоке горячих газов. Состояние суспензии описывается как состояние облака летучей пыли или расширенного вихревого слоя сорбента. Сорбент может состоять из двуокиси кремния, окиси алюминия, алюминатов магния или алюмосиликатов кальция. Комбинация осаждения щелочей с получением синтез-газа не описывается. Также не описывается удаление из горячего газа летучей золы или сжиженного шлака.

Задачей изобретения является, поэтому, предоставление в распоряжение способа и устройств, которые освобождают синтез-газ, полученный в процессе газификации, от накопленных жидких шлаков и щелочей, без вынужденного охлаждения или разрежения газа. При использовании турбины для производства энергии вращения в ней не должны наращиваться никакие отложения, и она не должна подвергаться коррозии или эрозии материалов из-за воздействия горячего синтез-газа.

Задача решается с помощью способа получения синтез-газа путем газификации воздухом или кислородом, или воздухом, обогащенным кислородом, а также водяным паром, при котором

• твердое или жидкое, содержащее углерод топливо подается в реактор, в котором топливо с помощью воздуха или кислорода, или воздуха, обогащенного кислородом, а также водяного пара при повышенной температуре превращается в синтез-газ, который в значительной части состоит из водорода, двуокиси углерода и окиси углерода, и

• при реакции получаются капельки минерального шлака, которые выводятся из реактора отдельно от полученного синтез-газа,

• полученный синтез-газ выводится из реактора в любом направлении,

• содержащиеся в синтез-газе парообразные щелочи удаляются из синтаз-газа благодаря приведению в контакт с газопоглотительным керамическим материалом, и

• синтез-газ без предварительного охлаждения направляется в шлакоотделительное устройство, в котором капельки шлака отводятся в виде жидкого шлака.

Предпочтительно эти топлива перед применением направляются в соответствующее устройство для измельчения. Таким устройством может быть, например, шаровая мельница или вертикальная мельница. Это, однако, может быть также измельчитель или фрезерное устройство. Благодаря этому устанавливается необходимый для процесса газификации диаметр частиц. В качестве газа для сжигания топлива применяется, в частности, воздух, содержащий пары воды, который с углеродом топлива реагирует преимущественно с образованием окиси углерода и водорода. Газ для сжигания может быть также обогащен кислородом. Газ для сжигания подается, в частности, под повышенным давлением. Топливо направляется в реактор для газификации предпочтительно пневматически. Однако также можно транспортировать топливо в реактор для газификации с помощью шнека или ленточного транспортера. Если топливо подается в реактор в форме взвеси или эмульсии, то его можно также подавать в реактор насосом.

Синтез-газ выводится из реактора в другом месте. Это осуществляется предпочтительно с боковых сторон. Также выведение синтез-газа может осуществляться на реакторе в любом месте. Непосредственно вслед за этим процессом должно осуществляться отделение жидких составляющих частей. В вариантах выполнения изобретения предусмотрено, поэтому, что шлакоотделительное устройство является устройством типа циклона, в котором горячий газ выполняет круговое движение, так что большая часть содержащегося в газе шлака осаждается на стенках под действием центробежных сил. Альтернативно или дополнительно предусматривается, что шлакоотделительное устройство содержит насыпной слой, в котором осаждается шлак из газа. Засыпка может быть интегрирована в циклоне, соответствующее устройство описывается в DE 43 36 100 C1.

Дальнейшие варианты выполнения изобретения относятся к отделению парообразных щелочей. Для этого можно предусмотреть, что к топливу примешивается газопоглотительный керамический материал в виде порошка, этот газопоглотительный керамический материал в пространстве для газификации входит в контакт с возникшим синтез-газом, и в пространстве для газификации осуществляется удаление щелочей из синтез-газа. Альтернативно или в дополнение к этому можно также предусмотреть, что газопоглотительный керамический материал в виде засыпки в подключенном к шлакоотделительному устройству устройстве входит в контакт с синтез-газом, и удаление щелочей осуществляется в этом подключенном устройстве. Далее, добавление газопоглотительных материалов может также осуществляться после газификации. Подача газопоглотительных материалов может проводиться путем впрыскивания или т.п.

Другие варианты выполнения изобретения относятся к параметрам способа газификации. В качестве топлива могут использоваться все материалы, которые содержат твердые углеродсодержащие материалы, которые пригодны для газификации и превращения с помощью газа, содержащего пары воды и кислород. Таким материалом является, в частности, тонко размолотый уголь с типичным диаметром частиц. Пригодны здесь все виды угля. Так, например, могут применяться измельченный каменный уголь или бурый уголь. Могут использоваться также измельченные пластмассы, нефтяной кокс, биологические топлива, как, например, измельченная древесина или битумы или прочие биомассы. Топливо может подаваться также в жидкой форме. Это могут быть, например, взвеси или эмульсии состоящих из тонких частиц субстанций, также водно-битумная эмульсия. В принципе, пригодны также вязкие топлива. Пригодны, наконец, все вещества, которые при повышенной температуре могут превращаться в синтез-газ, состоящий по существу, из окиси углерода и водорода. Температура газификации должна составлять 800-1800°С, давление 0,1-10 МПа.

Дальнейшие варианты выполнения относятся к другим возможностям обработки полученного синтез-газа. Так, например, можно предусмотреть, что полученный путем газификации синтез-газ после отделения шлака и щелочей подвергается промывке газа для удаления кислых газов, например, для удаления составляющих частей, содержащих серу, с помощью хемисорбционного средства.

Дальнейшие варианты выполнения относятся к другим возможностям обработки полученного синтез-газа. Так, например, можно предусмотреть, что полученный путем газификации синтез-газ после отделения шлака и щелочей направляется в газовую турбину, приводимую горячим газом. К газовой турбине, приводимой горячим газом, может быть подключен генератор для получения тока, с помощью которого производится электрический ток, или компрессор для уплотнения воздуха для сжигания топлива для газификации. Благодаря тому, что горячий газ производит работу, он охлаждается. После дальнейшей отдаче энергии, например, для производства пара, полученный синтез-газ может использоваться для синтеза химических продуктов, для получения металлов путем непосредственного восстановления или для производства энергии в газовой турбине.

Изобретение включает в себя также устройство для получения синтез-газа путем газификации в соответствии с описанным выше способом, которое содержит реактор, пригодный для газификации углеродсодержащих топлив при высоких температурах, и этот реактор имеет устройство для подачи воздуха или кислорода, или обогащенного кислородом воздуха, а также водяного пара, и реакционное пространство для превращения углеродсодержащих топлив, причем непосредственно за реактором расположен, по меньшей мере, одноступенчатый циклон для горячего газа, который имеет отводящее устройство для жидкого шлака, или расположено устройство с засыпкой, которое имеет отводное устройство для жидкого шлака, или оба этих устройств, причем последовательность может выбираться.

В вариантах выполнения устройства согласно изобретению можно непосредственно за шлакоотделительным устройством предусмотреть устройство с засыпкой газопоглотительного керамического материала, а за ним установить газовую турбину, приводимую горячим газом.

Изобретение включает в себя также применения газопоглотительного керамического материала. В отношении используемого материала для этого предусмотрено, что газопоглотительный керамический материал содержит либо двуокись кремния или силикаты, или алюминаты, или окись алюминия, или соединения, или смеси из них, или любые соединения из оксидов и неоксидной керамики. Далее, они могут содержать соединения, содержащие переходные металлы. В предпочтительном варианте выполнения газопоглотительный керамический материал образуется из алюмосиликатов, причем особенно предпочтительны каолин, эматлиты, бентониты и монтмориллониты.

Другие, применения касаются формы газопоглотительного керамического материала. Если газопоглотительный керамический материал добавляется к топливу, то он имеет форму порошка, в остальных случаях он вводится в отделитель щелочей в форме обладающих высокой пористостью частиц твердого вещества в виде насыпного слоя. В случае высокопористых частиц речь может идти о шариках, седлообразных каскадах, кольцах Рашига, кольцах Паля или цилиндрических телах, или также о любых других формах. Диаметры частиц составляют обычно 2-100 мм и предпочтительно 20-40 мм, лучше всего 30 мм.

Устройство согласно изобретению поясняется более подробно на основе чертежа, причем форма выполнения не ограничена этим чертежом.

Фиг.1 показывает упрощенно протекание процесса при предлагаемом способе газификации и подготовки синтез-газа, при котором внутренняя энергия синтез-газа используется для получения электричества. Топливо 1 направляется в реактор 2 для газификации и там с помощью сжатого, обогащенного кислородом воздуха 3 и водяного пара 4 превращается в нагруженный капельками шлака и щелочью синтез-газ 5. Газогенератор можно снабдить устройством для вывода шлака. Добавки могут вводиться после газогенератора. Синтез-газ 5 направляется в циклон, где он освобождается от капелек шлака и от щелочей, если они присутствуют. Шлак 7 отводится в жидком виде. Освобожденный таким образом от шлака синтез-газ 8 попадает в резервуар 9 с насыпкой 10 из газопоглотительного керамического материала. Там он освобождается от содержащихся в нем щелочных паров. Очищенный таким образом горячий газ 11 попадает в газовую турбину 12, приводимую горячим газом, и там расширяется. Расширенный и благодаря этому охлажденный синтез-газ 13 отводится для дальнейшего применения. Мощность на валу газовой турбины 12, приводимой горячим газом, служит для привода компрессора 14 и генератора 15. Компрессор 14 используется для сжатия обогащенного кислородом воздуха 16. Последний направляется в реактор 2 для газификации.

Следующий числовой пример служит для того, чтобы представить эффект изобретения. При газификации угля 8-40 г/м³ (рассчитано в нормальном состоянии) частиц жидкой золы и до 200 мг/м³ (рассчитано в нормальном состоянии) щелочных паров высвобождается в сырой газ. При входе в циклон 6 в синтез-газе еще содержится 4-20 г/м³ (рассчитано в нормальном состоянии) частиц жидкой золы и до 90 мг/м³ (рассчитано в нормальном состоянии) щелочных паров. При входе в приводимую горячим газом турбину 12 в горячем газе 11 находится менее 5 мг/м³ (рассчитано в нормальном состоянии) частиц жидкой золы и менее 0,013 мг/м³ (рассчитано в нормальном состоянии) щелочных паров.

Перечень ссылочных обозначений

1 топливо

2 реактор для газификации

3 сжатый, обогащенный кислородом воздух

4 водяной пар

5 синтез-газ

6 циклон

7 отвод шлака

8 освобожденный от шлака синтез-газ

9 резервуар

10 засыпка из газопоглотительного керамического материала

11 горячий газ

12 газовая турбина, приводимая горячим газом

13 охлажденный синтез-газ

14 компрессор

15 генератор

16 воздух, обогащенный кислородом

17 устройство для введения добавок

18 устройство для вывода шлака

Альтернативно под обозначением 1 можно понимать также топливо с добавкой для удаления щелочей, а под обозначением 6-засыпку или циклон с засыпкой.

Изобретение относится к области химии. Топливо 1 подают в газогенератор 2 и там с помощью сжатого, обогащенного кислородом воздуха 3 и водяного пара 4 превращают в нагруженный капельками шлака и щелочью синтез-газ. Газогенератор 2 можно снабдить устройством для вывода шлака. Синтез-газ направляют в циклон 6, где он освобождается от капелек шлака и от щелочей. Шлак 7 отводится в жидком виде. Освобожденный таким образом от шлака синтез-газ 8 попадает в резервуар 9 с насыпкой 10 из газопоглотительного керамического материала. Там он освобождается от содержащихся в нем щелочных паров. Очищенный таким образом горячий газ 11 попадает в газовую турбину 12, приводимую горячим газом, и там расширяется. Расширенный и благодаря этому охлажденный синтез-газ 13 отводится. Вал газовой турбины 12 соединен с компрессором 14 и генератором 15. Компрессор 14 используют для сжатия обогащенного кислородом воздуха. Последний направляют в газогенератор 2. Изобретение позволяет получать чистый синтез-газ без предварительного охлаждения. 5 н. и 23 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения синтез-газа путем газификации воздухом, или кислородом, или воздухом, обогащенным кислородом, а также водяным паром, при котором твердое или жидкое, содержащее углерод топливо подается в реактор, в котором топливо с помощью воздуха, или кислорода, или воздуха, обогащенного кислородом, а также водяного пара при повышенной температуре превращается в синтез-газ, который в значительной части состоит из водорода, двуокиси углерода и окиси углерода, и при реакции получаются капельки минерального шлака, которые выводятся из реактора отдельно от полученного синтез-газа, и полученный синтез-газ выводится из реактора в любом направлении,
отличающийся тем, что
- содержащиеся в синтез-газе парообразные щелочи удаляются из синтез-газа путем приведения в контакт с газопоглотительным керамическим материалом, и
- синтез-газ без предварительного охлаждения направляется в шлакоотделительное устройство, в котором капельки шлака отводятся в виде жидкого шлака, причем
- горячий синтез-газ после очистки от шлака, щелочей и при необходимости от содержащих серу субстанций направляется в газовую турбину, приводимую горячим газом, причем
- газификацию проводят при температуре 800-1800°C и при давлении 0,1-10 МПа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шлакоотделительное устройство является устройством типа циклона, которое также содержит засыпку, в котором горячий газ выполняет круговое движение, так что большая часть содержащегося в газе шлака осаждается на стенках под действием центробежных сил.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что шлакоотделительное устройство содержит насыпной слой, в котором шлак выделяется из газа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что к топливу добавляется газопоглотительный керамический материал в виде порошка или добавки, газопоглотительный керамический материал в пространстве для газификации входит в контакт с возникающим синтез-газом, и в пространстве для газификации осуществляется удаление щелочей из синтез-газа.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что к топливу добавляется газопоглотительный керамический материал в виде порошка или добавки, газопоглотительный керамический материал в пространстве для газификации входит в контакт с возникающим синтез-газом, и в пространстве для газификации осуществляется удаление щелочей из синтез-газа.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что к топливу добавляется газопоглотительный керамический материал в виде порошка или добавки, газопоглотительный керамический материал в пространстве для газификации входит в контакт с возникающим синтез-газом, и в пространстве для газификации осуществляется удаление щелочей из синтез-газа.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглотительный материал в виде насыпного слоя в подключенном за отделительным устройством устройстве входит в контакт с синтез-газом, и в этом подключенном устройстве осуществляется удаление щелочей из синтез-газа.

8. Способ по п.2, отличающийся тем, что газопоглотительный материал в виде насыпного слоя в подключенном за отделительным устройством устройстве входит в контакт с синтез-газом, и в этом подключенном устройстве осуществляется удаление щелочей из синтез-газа.

9. Способ по п.3, отличающийся тем, что газопоглотительный материал в виде насыпного слоя в подключенном за отделительным устройством устройстве входит в контакт с синтез-газом, и в этом подключенном устройстве осуществляется удаление щелочей из синтез-газа.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива используют угли, угольные эмульсии, взвеси угля, нефтяной кокс, биологические топлива или пластмассы в измельченной форме.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что к полученному путем газификации синтез-газу после удаления шлака и щелочей добавляется хемисорбционное средство для удаления составляющих частей, содержащих серу.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что к газовой турбине, приводимой горячим газом, подключен генератор для производства тока, с помощью которого производится электрический ток.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью газовой турбины, приводимой горячим газом, приводится в действие компрессор для сжатия воздуха для сжигания для газификации.

14. Способ по одному из пп.1-13, отличающийся тем, что полученный синтез-газ используют для синтеза химических продуктов, для получения металлов путем прямого восстановления или для производства энергии.

15. Устройство для получения синтез-газа путем газификации способом по п.2, которое имеет реактор, пригодный для газификации углеродсодержащих топлив при высоких температурах, и этот реактор содержит устройство для подачи воздуха, или кислорода, или воздуха, обогащенного кислородом, а также водяного пара, и реакционное пространство для превращения углеродсодержащих топлив с помощью содержащего водяной пар или водяной пар и кислород газа, отличающееся тем, что непосредственно за реактором расположен, по меньшей мере, одноступенчатый циклон для горячего газа, который имеет устройство для отвода жидкого шлака.

16. Устройство для получения синтез-газа путем газификации способом по п.2, которое имеет реактор, пригодный для газификации углеродсодержащих топлив при высоких температурах, и этот реактор содержит устройство для подачи воздуха, или кислорода, или воздуха, обогащенного кислородом, а также водяного пара, и реакционное пространство для превращения углеродсодержащих топлив с помощью содержащего водяной пар или водяной пар и кислород газа, отличающееся тем, что непосредственно за реактором расположен, по меньшей мере, одноступенчатый циклон для горячего газа, в котором содержится насыпной слой и который имеет устройство для отвода жидкого шлака.

17. Устройство для получения синтез-газа путем газификации способом по п.2, которое имеет реактор, пригодный для газификации углеродсодержащих топлив при высоких температурах, и этот реактор содержит устройство для подачи воздуха, или кислорода, или воздуха, обогащенного кислородом, а также водяного пара, и реакционное пространство для превращения углеродсодержащих топлив с помощью содержащего водяной пар или водяной пар и кислород газа, отличающееся тем, что непосредственно за реактором расположено устройство с насыпным слоем, которое имеет устройство для отвода жидкого шлака.

18. Устройство по одному из пп.15-17, отличающееся тем, что непосредственно за реактором расположены как, по меньшей мере, одноступенчатый циклон для горячего газа, так и устройство с насыпным слоем, каждое из которых имеет устройство для отвода жидкого шлака.

19. Устройство по одному из пп.15-17 для осуществления способа по п.5, отличающееся тем, что непосредственно за шлакоотделительным устройством предусмотрено устройство с насыпным слоем из газопоглотительного керамического материала.

20. Устройство по одному из пп.15-17, отличающееся тем, что за устройством для очистки потока синтетического газа от шлаков и щелочей находится газовая турбина, приводимая горячим газом.

21. Применение газопоглотительных керамических материалов для осуществления способа по п.1, причем газопоглотительный керамический материал содержит либо двуокись кремния, или силикаты, или алюминаты, или оксид алюминия, или соединения, или смеси из них, или любые соединения из оксида и неоксидной керамики.

22. Применение по п.21, отличающееся тем, что в газопоглотительном керамическом материале имеются соединения, содержащие переходные металлы.

23. Применение по п.21, отличающееся тем, что газопоглотительный керамический материал образован из алюмосиликатов, причем предпочтительными являются каолин, эматлиты, бентониты и монтмориллониты.

24. Применение по п.21, отличающееся тем, что газопоглотительный керамический материал в виде обладающих высокой пористостью частиц твердого вещества размещен в отделителе щелочей в форме насыпного слоя.

25. Применение по п.24, отличающееся тем, что в случае высокопористых частиц твердого вещества речь идет о шариках, седлообразных каскадах, кольцах Рашига, кольцах Паля или цилиндрических телах.

26. Применение по п.24, отличающееся тем, что газопоглотительный керамический материал в виде обладающих высокой пористостью керамических фасонных тел размещен или подвешен в отделителе щелочей.

27. Применение по п.25, отличающееся тем, что газопоглотительный керамический материал имеет диаметр частиц 2-100 мм.

28. Применение по п.27, отличающееся тем, что газопоглотительный керамический материал имеет диаметр частиц 20-40 мм.