МОДИФИЦИРОВАННЫЙ ПРОЦЕСС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГАЗОВОЙ И ПАРОВОЙ ТУРБИНЫ С ИНТЕГРИРОВАННОЙ ГАЗИФИКАЦИЕЙ УГЛЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2014 года по МПК C10K1/02 C10K1/32 C10J3/52 

Изобретение относится к способу получения синтез-газа из углеродсодержащего топлива, такого как, например, все виды угля, кокс, нефтяной кокс, биомасса, а также эмульсии, оримульсия и т.д., и его сжигания для создания тепла и энергии. С помощью способа, согласно изобретению, можно легко очищать синтез-газ без последующего охлаждения и использовать его энергию тепла и давления сначала для генерирования тока, а его химической энергии для генерирования тока с помощью обычного комбинированного процесса. За счет промежуточно выполняемой очистки синтез-газа возможно получение тока с помощью дополнительной турбины, без опасности повреждения турбины за счет коррозийных составляющих частей. Изобретение относится также к устройству, с помощью которого возможна реализация этого способа.

При получении синтез-газа из углеродсодержащего топлива топливо преобразовывают с помощью воздуха или кислорода, или обогащенного кислородом воздуха с возможной долей водяного пара в подходящем для этого реакторе. В этом процессе возникают наряду с синтез-газом также минеральные шлаки, которые, как правило, состоят из аэрозолей и капелек. Некоторые из этих жидкостей частично испаряются и образуют щелочные пары, а также хлористый водород. Для дальнейшего применения они в большинстве случаев создают большие помехи, поскольку они могут повреждать или отрицательно влиять на части устройств последующей обработки.

Поэтому предпочтительно очищать полученный синтез-газ от увлекаемых с ним посторонних составляющих частей. В DE 1020 070631 А1 приведено описание процесса для очистки синтез-газа посредством приведения в контакт с газопоглотительной керамикой, при этом синтез-газ без предварительного охлаждения направляют в устройство для отделения шлаков, в котором капельки шлаков извлекаются в виде жидких шлаков. При этом устройство для отделения шлаков может быть выполнено в виде циклонообразного устройства или в виде слоя сыпучего инертного материала, в котором шлаки отделяются от газа.

За счет этого вида очистки нет необходимости в охлаждении или понижении давления синтез-газа, так что его энергию давления и тепла можно использовать для привода турбодетандера. Лишь после этого синтез-газ попадает в процесс, в котором полученный синтез-газ используется самым различным образом. За счет дополнительной турбины лучше используется энергия давления и тепла синтез-газа после его получения, так что значительно улучшается коэффициент полезного действия процесса для генерирования тока из синтез-газа. Механическую энергию можно использовать, например, для генерирования тока.

Часто полученный синтез-газ применяют для получения химических продуктов. Однако можно также сжигать полученный так синтез-газ с целью приведения сначала в действие с помощью создаваемого газа сгорания газовой турбины. За счет этого оптимально используется энергия давления, образованная при сгорании. Тепло расширяемого с помощью турбины газа сгорания используется затем для создания пара. Пар приводит в действие паровую турбину, с помощью которой можно генерировать ток. Этот процесс одновременного использования энергии давления сгорания и образования пара для привода паровой турбины обычно называется комбинированным процессом.

Процессы для получения синтез-газа с целью сжигания для генерирования тока в комбинированном процессе известны. В US 6233916 В1 приведено описание процесса для генерирования электрического тока, в котором используется энергия давления топочного газа для приведения в действие турбины. Тепло топочного газа можно после расширения использовать с помощью системы теплообменников. При этом горючий газ может быть любого вида. Это может быть, например, природный газ или полезный газ из химической промышленности, который подают для сжигания. С помощью этого процесса можно использовать энергию давления и тепла топочного газа. Процесс содержит также последующее создание пара и генерирование тока.

Используемый при этом газ не должен содержать коррозийных составляющих частей. Однако многие технические газы, которые используются для генерирования энергии, не отвечают этому условию. В частности, синтез-газ, который получают в процессе газификации угля, содержит непосредственно после узла для газификации еще большое количество расплавленных шлаков. К этому добавляются, в частности, также галогенные соединения, такие как щелочные пары и галогеноводороды. При применении включенной перед процессом сжигания турбины это связано с проблемами. За счет агрессивных составляющих частей в синтез-газе может происходить повреждение лопаток турбины, турбинного вала или подшипников. По этой причине при применении предварительно включенной турбины необходимо применять очищенные газы.

Однако очистка синтез-газа связана с большими затратами. Для этого полученный синтез-газ необходимо охлаждать и пропускать через промыватель газа. После промывки газа получают очищенный газ, который для сжигания возможно необходимо снова нагревать. Это связано с большими расходами. Кроме того, процессы промывки газа требуют больших расходов на аппаратуру.

Поэтому существует задача создания простого способа очистки для синтез-газа, который интегрирован в процесс. Предпочтительно, процесс для генерирования тока является комбинированным процессом, в котором газы сгорания используются в двух ступенях для генерирования тока. Такие установки при правильной конструкции имеют высокий коэффициент полезного действия. За счет применения процесса газификации угля можно лучше использовать топливо. Дополнительно к этому, при получении синтез-газа с последующим сжиганием можно применять большее количество топлив.

Эта задача решена, согласно изобретению, за счет создания интегрированного способа горячей очистки синтез-газа. Синтез-газ после получения пропускают через отделяющее шлаки и щелочи устройство. Отделяющее шлаки устройство может быть любого вида, однако предпочтительно применять циклонообразное устройство. Отделяющие щелочные ионы или щелочи устройство является газопоглотительной керамикой, которая предпочтительно расположена в сосуде, через который проходит поток подлежащего очистке газа. Можно также добавлять газопоглотительную керамику для отделения щелочных ионов или щелочей уже в топливо. Изобретение предлагает также устройство для выполнения этого способа.

Хотя способ особенно хорошо подходит для генерирования электричества из синтез-газа в комбинированном процессе, можно также использовать этот способ для сжигания синтез-газа с целью простого создания пара и генерирования электричества. В этом случае уменьшаются инвестиционные расходы за счет экономии газовой турбины. Однако для достижения более высокого коэффициента полезного действия предпочтительно снабжать весь процесс также газовой турбиной, в которой используется энергия давления сгорания. Таким образом, в идеальном варианте выполнения способа используют энергию давления из получения топочного газа, из сгорания и из создания пара. В газовой турбине для генерирования энергии используется как давление, так и тепло.

В частности, предлагается способ получения и сжигания синтез-газа за счет газификации с помощью воздуха или кислорода, или обогащенного кислородом воздуха с возможной долей водяного пара, при этом

- твердое или жидкое топливо подают в реактор, в котором топливо преобразуется с помощью воздуха или кислорода, или обогащенного кислородом воздуха, а также водяного пара при повышенной температуре в синтез-газ, который в существенной степени состоит из водорода и окиси углерода, и

- при реакции возникают капельки минеральных шлаков, которые выводятся из реактора вместе с полученным синтез-газом, при этом

- синтез-газ без предварительного охлаждения направляют в отделяющее шлаки устройство, в котором капельки шлаков агломерируют и отделяются в виде жидких шлаков, и содержащиеся в синтез-газе парообразные щелочи, а также хлористый водород удаляют из синтез-газа за счет приведения в контакт с газопоглотительной керамикой,

который характеризуется тем, что

- синтез-газ после очистки пропускают через турбодетандер, в котором энергия давления и тепла синтез-газа преобразуется в энергию вращения, и

- синтез-газ затем сжигают и расширяют во включенных далее стадиях процесса газовой турбины и используют газы сгорания для приведения в действие турбины и для создания пара.

Стадии способа для отделения шлаков и щелочей осуществляются предпочтительно друг за другом после процесса газификации угля. Предпочтительно, отделение шлаков происходит в циклонообразном устройстве, в котором газ выполняет круговое движение так, что большая часть шлаков отделяется за счет центробежных сил. Можно также пропускать горючий газ через слой насыпного материала, в котором шлаки отделяются от газа. Возможно также устройство с множеством решеток, на которых могут отделяться шлаки.

Отделяющее щелочи устройство может быть также любого вида. В простом и эффективном варианте выполнения изобретения оно выполнено так, что в сосуде находится насыпанный слой газопоглотительной керамики, через который проходит поток подлежащего очистке газа. В другом варианте выполнения изобретения газопоглотительная керамика применяется в виде любых геометрических форм, которые отфильтровывают щелочи из синтез-газа. В другом варианте выполнения изобретения газопоглотительную керамику можно подавать в процесс получения синтез-газа также в виде мелких частиц. Таким образом, газы отфильтровываются из процесса уже в пространстве газификации.

После этих стадий способа получают очищенный газ, коррозионные свойства которого значительно подавлены или полностью исключены. В типичном варианте выполнения доля щелочей в синтез-газе после очистки составляет ниже 100 млн^-1. В этом виде синтез-газ можно пропускать через турбодетандер. При этом речь идет о турбине для создания энергии вращения с помощью давления газа. Она может быть турбиной любого вида. В зависимости от рабочего давления газификации она может быть выполнена, например, в виде турбины высокого давления или низкого давления. Таким образом, можно согласовывать турбину с процессом. За счет отделения шлаков и щелочей турбодетандер имеет значительно более длительный срок службы. За счет этого турбина может быть дешевой и иметь значительно более длинные интервалы технического обслуживания.

После расширения газа за счет прохождения через турбодетандер газ направляют для сжигания. В зависимости от чистоты газа может быть необходимым подвергание газа дополнительной очистке посредством промывки газа. В частности, промывка газа требуется, когда применяемый уголь содержит очень много серы, и серу необходимо удалять из горючего газа. Промывка газа осуществляется в соответствии с обычным способом промывки газа и происходит, например, с использованием физического растворителя. Пример подходящего способа содержится в WO 2005054412 А1. Однако можно применять также химический растворитель. Наконец, можно также использовать твердый сорбент. Это можно использовать, в частности, тогда, когда отходящий газ должен содержать особенно мало серы.

Энергию вращения турбины можно использовать для генерирования тока. Однако ее можно также использовать для приведения в действие частей установки, таких как, например, насосы или компрессоры. Приводимый в действие компрессор может, например, сжимать воздух для выполнения газификации угля или сгорания. Если реактор для газификации угля работает с кислородом из установки разложения воздуха, то установка для разложения воздуха может также приводиться в действие турбиной. Естественно, это может происходить также частично, т.е. с ответвлением энергии вращения для парциального генерирования тока.

Очищенный и частично расширенный газ затем сжигают для генерирования тока. В одном предпочтительном варианте выполнения изобретения процесс генерирования тока является комбинированным процессом. В нем используется как энергия давления газа после сгорания для привода турбины, так и создаваемый пар. После прохождения через газовую турбину нагревается котел, в котором испаряется подаваемая вода. Созданный пар находится под давлением и может приводить во вращение турбину. При прохождении через турбину или турбины пар в значительной степени расширяется. После расширения пар в одном предпочтительном варианте выполнения конденсируется и снова используется в виде подаваемой воды. Однако горючий газ можно непосредственно сжигать для создания пара. Тем самым хотя и снижается стоимость установки, однако в целом уменьшается коэффициент полезного действия всего процесса.

Здесь также можно применять турбины для генерирования электрического тока. Однако их можно также применять для привода частей установки, таких как компрессоры или насосы. Процесс получения синтез-газа может быть любого вида. В качестве топлива можно использовать все твердые и жидкие углеродсодержащие топлива. Это могут быть, например, все сорта угля, угольная эмульсия, оримульсии, нефтяной кокс, биологические топлива или пластмассы в измельченном виде. Способ может также содержать подготовительные стадии, такие как хранение, размол и прессование топлива. Газификация угля выполняется в типичном варианте выполнения при температуре 800-1800ºС. Давление при выполнении газификации угля обычно составляет 0,1-10 МПа. Оно может колебаться в ходе процесса.

Предлагается также устройство, с помощью которого можно выполнять способ согласно изобретению. Оно состоит, естественно, из нескольких узлов, которые часто встречаются при строительстве электростанций. В частности, предлагается устройство для получения и сжигания синтез-газа, которое состоит из реактора для газификации угля, который пригоден для газификации топлив при высоких температурах, при этом к реактору для газификации угля примыкает очистительный блок для очистки синтез-газа, который состоит из отделяющего шлаки устройства и отделяющего щелочи устройства, и к очистительному блоку для очистки синтез-газа примыкает турбодетандер, и выходящий из турбодетандера поток газа направляется в последующих стадиях процесса в камеру сгорания газовой турбины, где синтез-газ можно сжигать, и к блоку сжигания примыкает газовая турбина, которая приводится в действие газом сгорания и при этом генерирует ток, и газ сгорания подается в парогенератор, который создает пар, который затем направляется в паровую турбину, с помощью которой генерируется ток.

В более простом варианте выполнения можно также отказаться от газовой турбины. Однако в этом случае коэффициент полезного действия всей установки ниже. В одном предпочтительном варианте выполнения устройство, согласно изобретению, содержит газовую турбину для генерирования энергии из сгорания используемого газа. Реактор газификации угля для получения синтез-газа может быть любого вида.

В одном варианте выполнения изобретения отделяющее шлаки устройство состоит из циклонообразного устройства. В нем используются центробежные силы газа для отделения капелек шлаков. Оно содержит выпускной патрубок и устройство для отвода шлаков. Можно применять также насыпной слой из стойкого к шлакам материала. В этом случае насыпной слой для отвода шлаков предпочтительно имеет отводящее устройство для жидких шлаков. Насыпной слой обычно состоит из зернистого материала, например, из оксидных или не оксидных керамик или из смеси обеих керамик.

Отделяющее щелочи устройство предпочтительно расположено в сосуде, который содержит газопоглотительную керамику. Она обычно состоит из двуокиси кремния или силикатов, или алюминатов, или окиси алюминия. Газопоглотительная керамика может также состоять из смеси этих веществ или же может быть соединением из смеси этих веществ. Газопоглотительная керамика должна иметь хорошую поглощающую способность для щелочей и галогенидов. Предпочтительно, она должна также поглощать галогениды щелочно-земельных металлов или галогеноводороды. Она может быть расположена в виде сферической засыпки, в виде решетки, в виде хорд или в любой геометрической форме.

В зависимости от желаемой степени очистки топочного газа, устройство может содержать также промывку газа. Она находится в технологическом процессе обычно между турбодетандером и сжиганием. Она снабжена необходимыми для этого устройствами и узлами. В этом месте могут быть также установлены узлы для добавления химических сорбентов. В качестве химических сорбентов можно использовать, например, известняк, доломит или окиси щелочно-земельных металлов. Однако можно применять также соединения, содержащие переходные металлы.

Наконец, устройство, согласно изобретению, может содержать все узлы, которые необходимы для строительства электростанций. Это могут быть насосы, клапаны, компрессоры или создающие вакуум устройства. Это могут быть также нагревательные или охлаждающие устройства или теплообменники. Турбины в процессе могут быть любого вида. Это могут быть радиальные или осевые турбины. В зависимости от давления расширяющегося газа это могут быть турбины высокого давления или низкого давления, которые отличаются расположением лопаток и плотностью установки лопаток. Выбор подходящей турбины осуществляется по выбору специалиста. Можно также включать турбины и компрессоры на одном валу с генератором. За счет такой конструкции упрощается управление комплектом турбин, требуется меньше места и достигается значительная экономия стоимости.

Парогенераторный блок содержит также все необходимые устройства. Это могут быть паровой котел и испаритель всех возможных конструкций. Частью устройства, согласно изобретению, могут быть также все обычно применяемые конструктивные элементы, такие как центробежные водоотделители и перегреватели. К ним относятся также приводные валы и генераторы.

Способ, согласно изобретению, обеспечивает возможность генерирования тока с очень высоким коэффициентом полезного действия. Для способа не требуются сложные устройства сжигания, а обеспечивают возможность выполнения процесса с экономией пространства за счет газификации угля. За счет интегрирования при необходимости очищающих газ устройств достигается также весьма малотоксичный отходящий газ.

Ход выполнения способа, согласно изобретению, поясняется ниже более точно со ссылками на чертеж, при этом способ, согласно изобретению, не ограничивается этим вариантом выполнения. Для лучшей иллюстрации ход процесса разделен на три блока (А, В, С).

На фиг. 1 показан ход выполнения способа согласно изобретению. В реактор 1 газификации угля подают углеродсодержащее топливо. В него примешивают содержащий кислород газ 2 и при необходимости водяной пар 3, так что топливо преобразуется в генераторный газ или синтез-газ. При необходимости в реактор газификации угля подают из компрессора 19 воздух 4 сгорания или же кислород 2а из установки 2b разложения воздуха. Установку 2b разложения воздуха можно также снабжать воздухом из компрессора 19. Получают сырой синтез-газ 5. Его подают в отделяющее шлаки устройство 6. При этом он освобождается от частиц сжиженных шлаков. Получают отделенные шлаки 7. Освобожденный от жидких шлаков синтез-газ 8 направляют далее и он попадает в отделяющее щелочи устройство 8 с газопоглотительной керамикой 10. Очищенный и освобожденный от щелочей синтез-газ 11 приводит затем в действие турбодетандер 12. Он в свою очередь соединен в данном случае с одним генератором 13. Генератор 13 генерирует ток. Этот весь блок образует узел А (газификация угля и турбодетандер).

Расширенный синтез-газ 14 попадает в устройство 15 очистки газа. Там он освобождается от нежелательных посторонних газов. Затем синтез-газ сжигают в камере 16 сгорания. Получают горячий отходящий газ 16а, который проходит через турбину 17. Турбина приводит в действие генератор 18 и компрессор 19. Генератор 18 генерирует ток. С помощью компрессора получают сжатый воздух 4 для процесса 4а сгорания, устройства 4b разложения воздуха или процесса 4с газификации. Весь блок образует узел В (очистка газа и сжигание).

Отходящий газ 20 из газовой турбины попадает в парогенератор 21. В нем создается пар 22, который приводит в действие турбину 23. Пар попадает в конденсатор 24, переводится в жидкое состояние и направляется обратно в процесс. С помощью этой турбины 23 также приводится в действие генератор 25, который поставляет ток. Выходящий из парогенератора газ (26) отводят и при необходимости подвергают очистке. Весь блок образует узел С (генерирование пара).

Перечень позиций

1 Реактор для газификации угля

2 Воздух или кислород

2а Поток кислорода

2b Установка для разложения воздуха

3 Водяной пар

4 Сжатый воздух

4а Сжатый воздух для сгорания

4b Сжатый воздух для установки разложения воздуха

4с Сжатый воздух для реактора газификации угля

5 Сырой синтез-газ

6 Отделяющее шлаки устройство

7 Отвод шлаков

8 Освобожденный от шлаков синтез-газ

9 Отделяющее щелочи устройство

10 Газопоглотительная керамика

11 Очищенный синтез-газ

12 Турбодетандер

13 Генератор

14 Расширенный синтез-газ

15 Очистка газа

16 Камера сгорания

16а Дымовой газ для турбины

17 Газовая турбина

18 Генератор

19 Компрессор

19а Подаваемый в компрессор воздух

20 Расширенный газ сгорания

21 Парогенератор

22 Пар

23 Паровая турбина

24 Конденсатор

25 Генератор

26 Отходящий газ/дымовой газ.

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для получения синтез-газа. Твердое и жидкое топливо подают в реактор (1), где под действием высокой температуры, кислородсодержащего газа (2) и водяного пара (3) получают сырой синтез-газ (5). Полученный газ (5) очищают от жидких шлаков (7). Очищенный от щелочей (9) синтез-газ (11) направляют в турбодетандер (12). Затем расширенный синтез-газ (14) сжигают в камере сгорания (16). Полученный дымовой газ (16а) направляют в газовую турбину (17), затем в парогенератор (21). Образовавшийся пар (22) используют для генерирования тока паровой турбиной (23). Изобретение позволяет использовать газы сгорания в двух ступенях для генерирования тока. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения и сжигания синтез-газа путем газификации с помощью воздуха или кислорода, или обогащенного кислородом воздуха с возможной долей водяного пара, где
- твердое или жидкое топливо подают в реактор, в котором топливо преобразуется с помощью воздуха или кислорода, или обогащенного кислородом воздуха, а также водяного пара при повышенной температуре в синтез-газ, который в существенной степени состоит из водорода и окиси углерода, и
- при реакции возникают капельки минеральных шлаков, которые выводятся из реактора вместе с полученным синтез-газом, при этом
- синтез-газ без предварительного охлаждения направляют в отделяющее шлаки устройство, в котором капельки шлаков агломерируют и отделяются в виде жидких шлаков, и содержащиеся в синтез-газе парообразные щелочи, а также хлористый водород удаляют из синтез-газа за счет приведения в контакт с газопоглотительной керамикой,
отличающийся тем, что
- синтез-газ после очистки пропускают через турбодетандер, соединенный с генератором тока, расширенный после турбодетандера синтез-газ сжигают, полученный отходящий горячий газ проходит через газовую турбину, которая приводит в действие другой генератор тока, отходящий газ из газовой турбины подают в парогенератор, в котором получают пар, приводящий в действие паровую турбину, которая приводит в действие еще один генератор тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделяющее шлаки устройство является устройством типа циклон, в котором горячий газ выполняет круговое движение, так что большая часть шлаков отделяется за счет центробежных сил.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что отделяющее шлаки устройство содержит насыпной слой, в котором шлаки отделяются от газа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что газопоглотительная керамика в виде насыпного слоя приходит в контакт с синтез-газом во включенном после отделяющего шлак устройства устройстве, и происходит удаление щелочей из синтез-газа в этом включенном устройстве.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что газ очищают между турбодетандером и блоком сжигания.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что очистку газа осуществляют с помощью промывки газа физическим растворителем.

7. Способ по п.5, отличающийся тем, что очистку газа осуществляют за счет добавления химического сорбента.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью турбодетандера приводят в действие генератор, который генерирует ток.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что с помощью турбодетандера приводят в действие генератор, который генерирует ток.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что с помощью газовой турбины приводят в действие компрессор, который сжимает воздух для реактора газификации угля.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива используют уголь, угольную эмульсию, угольную суспензию, нефтяной кокс, эмульсии, оримульсии, биологические топлива или пластмассы в измельченном виде.

12. Способ по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что газификацию выполняют при температуре 800-1800°C и при давлении 0,1-10 МПа.

13. Устройство для получения и сжигания синтез-газа, которое состоит из реактора для газификации угля, который пригоден для газификации топлив при высоких температурах, при этом к реактору для газификации угля примыкает очистительный блок для очистки синтез-газа, который состоит из отделяющего шлаки устройства и отделяющего щелочи, а также хлористый водород устройства, и к очистительному блоку для очистки синтез-газа примыкает турбодетандер, соединенный с генератором тока, и выходящий из турбодетандера поток газа направляется в камеру сгорания, где синтез-газ можно сжигать, и к блоку сжигания примыкает газовая турбина, соединенная с другим генератором тока, которая приводится в действие газом сгорания и при этом генерирует ток, и газ сгорания подается в парогенератор, который создает пар, который затем направляется в паровую турбину, соединенную с еще одним генератором тока, с помощью которой генерируется ток.

14. Устройство по п.13, отличающееся тем, что отделяющее шлаки устройство состоит из устройства типа циклон.

15. Устройство по п.13, отличающееся тем, что отделяющее шлаки устройство содержит насыпной слой из нейтрального материала, и насыпной слой имеет устройство для отвода жидких шлаков.

16. Устройство по п.13, отличающееся тем, что отделяющее щелочи устройство состоит из сосуда с газопоглотительной керамикой.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что газопоглотительная керамика содержит оксидные или неоксидные керамики или смеси из этих керамик.

18. Устройство по п.13, отличающееся тем, что между турбодетандером и камерой сгорания находится устройство для промывки газа.

19. Устройство по п.13-18, отличающееся тем, что между турбодетандером и камерой сгорания находится устройство для добавления химического сорбента.