СПОСОБ И УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗ-ГАЗА Российский патент 2014 года по МПК C01B3/02 C10J3/08 C10J3/20 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу и установке для получения синтез-газа из твердых частиц углерода; причем указанные частицы углерода получают посредством пиролиза; газификация частиц углерода происходит в результате непрямого нагрева частиц углерода в присутствии технологического газа в том же самом пространстве, где находятся частицы углерода, а синтез-газ, образовавшийся во время газификации, выпускают из указанного пространства.

Уровень техники

Газификация представляет собой процесс получения газообразного топлива из твердого топлива. Данную технологию применяют для угля, побочных продуктов переработки угля, остатков от перегонки нефти, отходов и биомассы. Газификация основана на реакциях взаимодействия нагретых окисляющих газов (таких как CO₂ и H₂O) с углеродом (восстановитель [C]), в результате чего образуются моноксид углерода (CO) и водород (H₂), причем на проведение данных реакций, которые являются эндотермическими, расходуется тепло. Смесь монооксида углерода (CO) и водорода (H₂) обычно называют синтез-газом.

Обычная технология газификации состоит в сжигании угля в условиях значительно ниже стехиометрических при подаче перегретого пара. В результате сжигания в систему поступает тепло и газообразные продукты сгорания (CO₂ и H₂O). Затем несгоревший, но нагретый уголь вступает в реакцию с газообразными продуктами сгорания и подаваемым паром. Углерод (C) восстанавливает диоксид углерода (CO₂) до моноксида углерода (CO), а водяной пар (H₂O) до водорода (H₂). Расход тепла приводит к снижению температуры и к уменьшению реакционной способности. Реакционная способность углерода сильно зависит от температуры, в то же время равновесие реакций также зависит от температуры. В настоящее время сжигание в атмосфере кислорода является преобладающей формой сжигания при газификации, хотя также осуществляют и сжигание в атмосфере воздуха.

Проблемой при газификации угля, побочных продуктов переработки угля, остатков от перегонки нефти, отходов и биомассы является то, что они представляют собой не однородное вещество, и во время реакции выделяются компоненты (смолы) с различными массами и сложные компоненты (ароматические углеводороды). Конечно, эти компоненты не вступают в реакцию, но их необходимо удалить перед применением синтез-газа или дополнительно переработать в жидкие углеводороды или другое топливо.

С помощью пиролиза угля, побочных продуктов переработки угля, остатков от перегонки нефти, отходов и биомассы перед реакцией газификации можно удалить эти компоненты (смолы) с различными массами и сложные компоненты (ароматические углеводороды). Тогда полученный продукт пиролиза, состоящий из конденсирующихся продуктов и газов, можно использовать в качестве топлива в процессе газификации. В описанной выше газификации с сжиганием в достехиометрических условиях реакция пиролиза является частью процесса. Но компоненты (смолы) с различными массами и сложные компоненты (ароматические углеводороды) находятся в том же реакторе, в котором в процессе газификации получают синтез-газ. Следовательно, переработка компонентов (смол) с различными массами и сложных компонентов (ароматических углеводородов) становится ограничивающим фактором для эффективности процесса газификации, помимо физических проблем, таких как конденсация, образование отложений и т.д., возникающих в самом реакторе.

Описание изобретения

Основной задачей настоящего изобретения является обеспечение способа и установки такого типа, как описано выше, при этом важным принципом настоящего изобретения является применение непрямого нагрева.

Другой задачей настоящего изобретения является то, что для непрямого нагрева используют топливо, полученное на предыдущей стадии пиролиза углеродсодержащего материала.

Еще одной задачей настоящего изобретения является применение теплообмена для использования тепла, содержащегося в продуктах, полученных во время данного процесса.

По меньшей мере основную задачу настоящего изобретения решают с помощью способа и установки, признаки которых указаны в независимых пунктах прилагаемой формулы изобретения. Предпочтительные воплощения изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Далее описано предпочтительное воплощение настоящего изобретения со ссылкой на прилагаемый чертеж, где:

на Фиг.1 изображена технологическая схема предпочтительного способа согласно настоящему изобретению; на указанной технологической схеме также схематически показаны блоки установки для осуществления данного способа.

Подробное описание предпочтительного воплощения

На Фиг.1 схематически показаны блоки установки для осуществления данного способа. Каналы, трубопроводы и т.д., которые соединяют блоки установки, не описаны и не показаны подробно. Каналы, трубопроводы и т.д. сконструированы соответствующим образом для выполнения их назначения, т.е. для транспортировки газов и твердых частиц между блоками установки.

На Фиг.1 изображен реактор 1 газификации с непрямым нагревом; обычно он представляет собой реактор с керамической футеровкой. Твердые частицы C углерода подают в реактор вместе с технологическим газом P. Частицы C углерода поступают из пиролиза, предшествующего газификации. Предпочтительно, частицы C углерода имеют размер, достаточный для того, чтобы поступающий поток технологического газа P мог переносить их в реактор. Технологический газ P может представлять собой пар или повторно используемые и очищенные газообразные продукты A со стадии сжигания. Если технологический газ P представляет собой повторно используемые газообразные продукты A сжигания, то он может содержать как водяной пар (H₂O), так и диоксид углерода (CO₂). Технологический газ Р подогревают с помощью тепла, извлекаемого из выходящего синтез-газа S в теплообменнике 2. Реакция, протекающая в реакторе 1 газификации, состоит в том, что углерод C восстанавливает технологический газ P (H₂O и CO₂) до синтез-газа (H₂ и CO); при восстановления расходуется тепло, которое подают горелки Br1-Brn.

Нагрев реактора 1 газификации осуществляют непрямым образом с помощью горелок Br1-Brn (n означает число горелок, необходимых для реактора 1 газификации). Тепло для реакции газификации обеспечивает излучение от горелок Br1-Brn, причем сгорание происходит внутри труб - радиационного нагрева, т.е. отдельно от потока газификации. В реакторе 1 газификации не происходит прямого обмена газа между горелками Br1 Brn и технологическим газом Р или продуктами его реакции.

Топливо F в горелки Br1-Brn предпочтительно подают с предыдущей стадии пиролиза углеродсодержащего материала. Окислитель О в виде воздуха, обогащенного кислородом воздуха или чистого кислорода подают в камеру сгорания. В теплообменнике 3 тепло от выходящих газообразных продуктов А сжигания переходит к поступающему окислителю O. В качестве альтернативы, тепло в теплообменнике 3 можно применять для испарения поступающей воды или для предшествующих процессов пиролиза и сушки. Газообразные продукты А сжигания поступают в очиститель дымовых газов, где их очищают, чтобы они удовлетворяли требованиям, предъявляемым к технологическим выбросам, с помощью циклонов, каталитической очистки, фильтров (электрических или тканевых) и газопромывателей, в зависимости от требований, предъявляемых к поступающему углеродсодержащему материалу.

Углерод С поступает с предыдущей стадии пиролиза и содержит зольный остаток. Путем поддержания температуры в реакторе 1 газификации выше температуры плавления золы, ее можно удалить предпочтительно в жидкой форме в виде шлака SI.

Выходящий синтез-газ S можно применять в качестве газообразного источника энергии в целях сжигания или в качестве основы для последующей переработки в жидкое топливо (синтез Фишера-Тропша для получения обычного автомобильного топлива, получение метанола и т.д.).

Давление в реакторе 1 газификации можно поддерживать в интервале от атмосферного давления до очень высоких давлений (>10 МПа (100 бар)). Температуру в реакторе 1 газификации регулируют таким образом, чтобы достичь максимального выхода синтез-газа S. Типичная температура находится составляет 900-1300°C.

Непрямой нагрев технологического газа Р и углерода С также может происходить в системе трубопроводов внутри реактора, где происходит сгорание; в данном случае такой реактор и такая система трубопроводов делают реактор 1 газификации очень похожим на бойлер, но работающий при другой, более высокой температуре.

Геометрическая форма реактора 1 газификации зависит от времени протекания реакции в процессе газификации, которое в свою очередь зависит от выбранной температуры. Реактор может иметь осесимметричную геометрическую форму в виде трубы, где можно достичь очень компактного процесса газификации, или реактор может представлять собой более объемную конструкцию, напоминающую котел и, в таком случае, не требующую осевой симметрии. Можно сконструировать реакторы различных размеров: от малогабаритного реактора до очень большого реактора промышленного масштаба.

Синтез-газ S (H₂ и CO) из реактора 1 газификации содержит до 50% водорода, остальное представляет собой моноксид углерода, в зависимости от состава поступающего технологического газа P.

Тепловой КПД реактора газификации с непрямым нагревом является очень высоким и может достигать 80% теплового КПД системы в целом, включая предварительный пиролиз и дополнительную сушку.

Изобретение относится к способу и установке для получения синтез-газа (S) из твердых частиц (C) углерода, причем указанные частицы (C) углерода получают посредством пиролиза, газификация частиц (C) углерода происходит в результате непрямого нагрева частиц (C) углерода в присутствии технологического газа (P) в том же самом пространстве реактора, где находятся частицы (C) углерода, при этом непрямой нагрев осуществляют с помощью теплового излучения от горелок (Br1-Brn), расположенных в реакторе (1), а синтез-газ (S), образовавшийся во время газификации, выпускают из указанного пространства. Установка содержит реактор, по меньшей мере, одну горелку (Br1-Brn), расположенную внутри реактора, устройства для подачи частиц углерода и технологического газа во внутреннее пространство реактора и средство выпуска образующегося синтез-газа (S), при этом, по меньшей мере, одна горелка (Br1-Brn) выполнена с возможностью обеспечения сгорания внутри труб радиационного нагрева и обеспечения теплового излучения от нее для непрямого нагрева частиц (C) углерода и технологического газа (P) внутри реактора. Обеспечивается повышение теплового КПД реактора газификации. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения синтез-газа (S) из твердых частиц (C) углерода, причем указанные частицы (C) углерода получают посредством пиролиза, газификация частиц (C) углерода происходит в результате непрямого нагрева частиц (C) углерода в присутствии технологического газа (P) в том же самом пространстве, в котором находятся частицы (C) углерода, а синтез-газ (S), образовавшийся во время газификации, выпускают из указанного пространства, отличающийся тем, что частицы (C) углерода и технологический газ (P) находятся в реакторе (1), при этом непрямой нагрев осуществляют с помощью теплового излучения от горелок (Br1-Brn), расположенных в реакторе (1).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что горение внутри горелок (Brl-Brn) отделено от потока газификации.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что используют теплообмен для нагрева технологического газа (P) синтез-газом (S), образовавшимся во время газификации, причем нагрев проводят перед тем, как технологический газ (P) принимает участие в газификации.

4. Установка для получения синтез-газа (S) из твердых частиц (C) углерода, включающая реактор (1), по меньшей мере одну горелку (Br1-Brn), расположенную внутри реактора, устройства для подачи частиц углерода и технологического газа во внутреннее пространство реактора (1) и средство выпуска образующегося синтез-газа (S), отличающаяся тем, что по меньшей мере одна горелка (Br1-Brn) выполнена с возможностью обеспечения сгорания внутри труб радиационного нагрева и обеспечения теплового излучения от нее для непрямого нагрева частиц (C) углерода и технологического газа (P) внутри реактора (1).

5. Установка по п.4, отличающаяся тем, что горелки (Br1-Brn) оборудованы средствами подачи топлива во внутреннее пространство горелок (Br1-Brn), и средства подачи топлива расположены снаружи реактора (1).

6. Установка по п.5, отличающаяся тем, что теплообменник (3) расположен вблизи средств подачи топлива в горелки (Br1-Brn) для осуществления нагрева окислителя (O), подаваемого в горелки (Br1-Brn).

7. Установка по любому из пп.4-6, отличающаяся тем, что теплообменник (2) для нагрева технологического газа (Р) и охлаждения синтез-газа (S) расположен снаружи реактора (1).