СПОСОБ ОБЪЕДИНЕННОЙ ГАЗИФИКАЦИИ ОСТАТКОВ ЖИДКОГО И ТВЕРДОГО ТОПЛИВА Российский патент 2015 года по МПК C10J3/46 C10J3/50 

Изобретение относится к способу одновременной газификации твердого топлива и золосодержащего жидкого топлива под давлением, в котором твердое и жидкое топливо подают по отдельности в реактор газификации угля и зольный остаток выпускают из реактора при температуре более 1500°С в виде расплавленного шлака.

Уровень техники

Для газификации твердого углеродсодержащего топлива многие годы используют различные типы газификаторов. Самые известные способы газификации представляют собой газификацию в неподвижном слое, газификацию в кипящем слое и газификацию во взвешенном потоке. До 80-х годов газификацию осуществляли почти исключительно на базе способа газификации в неподвижном слое, в то время как на современных установках осуществляют в основном газификацию во взвешенном потоке. Большинство построенных газификаторов неподвижного слоя и сейчас находятся в эксплуатации.

Газификация в неподвижном слое имеет недостатки по сравнению с современным способом газификации во взвешенном потоке. К ним относится высокое потребление воды и потребность в больших площадях, а также дорогостоящая обработка газа и очистка воды. Также при газификации в неподвижном слое образуются смолистые масла с мелкозернистыми зольными компонентами в качестве жидких остатков. Эти остатки могут также содержать фенолы, жирные кислоты, тяжелые металлы, аммиак и другие примеси. Поэтому остатки должны быть тщательно обработаны. К тому же, при добыче угля возникает большое количество мелких частиц угля (примерно 20-30% от общего количества угля). Эта мелкая угольная пыль не может быть использована для газификации в неподвижном слоя, или ее можно использовать только после дорогостоящей предварительной обработки. По большей части эти остатки не способствуют производству синтез-газа и их утилизируют простым сжиганием.

Из DE 4226034 и DE 4317319 С1 известно, что жидкий остаток газификации в неподвижном слое добавляют в виде суспензии при газификации во взвешенном потоке. Техническое решение для газификации остатка при газификации во взвешенном потоке не приведено. Возможное использование возникающих при добыче угля мелких частиц угля не упоминается.

В реферате DE 4226015 С1 описано объединение способов газификации в неподвижном слое и газификации жидкого топлива. Газификация жидкого топлива рассчитана только для жидких углеводородов с очень небольшим количеством твердых веществ, т.е. золы, определенно менее одного массового процента. Однако жидкие остатки газификации в неподвижном слое содержат до 10% твердых компонентов. Температура газификации жидкого топлива явно ниже температуры газификации во взвешенном углеродсодержащем потоке. Это означает, что возможные частицы золы в топливе в дальнейшем осаждаются и их следует удалять с большими затратами. Для отделения в расплаве зольных частиц остатков газификации в неподвижном слое необходима температура выше 1400°С, предпочтительно более 1500°С. На такую температуру не рассчитаны облицовка установки для газификации жидкого топлива и подключенные последовательно устройства для охлаждения синтез-газа.

Для газификации остатков с отведением шлака в расплавленном состоянии подходит только способ газификации угля. Как указано в DE 3820013 А1, существует способ газификации угля с облицованным или охлаждаемым реактором. Как объяснено в DE 3820013 А1, газификатор с облицованным реактором также не подходит для газификации содержащих пыль смолистых остатков, поскольку образующийся в процессе жидкий шлак проникает в жаропрочную стену реактора и разрушает ее, особенно при высоком содержании в остатках тяжелых металлов или щелочных металлов.

Поэтому в DE 3820013 А1 предложено газифицировать содержащие пыль смолистые остатки в газификаторе с охлаждаемым сосудом реактора, при этом смолистые остатки следует подавать в реактор с паром отдельно от горелки, то есть не из горелки с собственной подачей кислорода. Однако в этом способе количество загружаемых жидких остатков очень ограничено. Также в этом способе следует ожидать значительно меньшей степени превращения реакции обменного разложения, поскольку не происходит интенсивного смешивания смолистых остатков с кислородом.

Следующий недостаток способа, описанного в DE 4226034 С1 и DE 4317319 В4, заключается в ограничении количества золы, содержащейся в топливе. Твердое топливо подают в газификатор в виде смеси топлива и воды. Посредством энергии, выделяемой при газификации, топливо, подаваемая вода и зольная составляющая должны быть доведены до необходимой температуры. При высокой доле золы, выделяемой при газификации энергии, не достаточно для поддержания температуры в газификаторе. Однако поскольку, в особенности при газификации в неподвижном слое, все-таки используют высокозольный уголь, объединение газификации во взвешенном потоке с подачей угля и воды имеет большие ограничения.

Кроме того, ни в одном из патентов не затрагивается проблема возможного образования сажи при газификации жидких углеводородов. Поскольку элементы установки, используемой в способе газификации угля, не рассчитаны на значительное загрязнение сажей, существенное образование сажи привело бы к значительным проблемам в данных элементах установки.

Постановка задачи

Цель и задача изобретения заключается в универсальном совместном использовании при газификации во взвешенном потоке золосодержащих жидких остатков от газификации в неподвижном слое и мелких частиц угля, которые не могут быть использованы при газификации в неподвижном слое, при сведении к минимуму образования сажи.

Изобретение решает эту задачу в соответствии со способом, изложенным в п. 1 формулы изобретения.

В зависимых пунктах формулы изобретения определены предпочтительные воплощения изобретения.

Решение по настоящему изобретению предусматривает способ получения синтез-газа, включающий газификацию образующихся при газификации в неподвижном слое золосодержащих жидких остатков во взвешенном потоке при давлении от 0,3 до 0,8 МПа и температуре выше 1400°C с помощью кислородосодержащих газообразных газифицирующих агентов в охлаждаемом реакторе, при этом золосодержащие жидкие остатки в виде жидкого топлива и золосодержащее твердое топливо подают в реактор раздельно через несколько горелок, по секущей к окружности реактора с обеспечением горения при угле горения более 0°, при этом золосодержащее твердое топливо диспергируют в транспортном газе, и по меньшей мере, оно частично состоит из мелких частиц угля, полученных при добыче угля, которые непригодны для газификации в неподвижном слое.

Как правило, при газификации в неподвижном слое газифицируют кусковой уголь из угольного месторождения. Мелкие частицы угля меньше 5 мм не могут быть преобразованы при газификации в неподвижном слое, и их следует преобразовывать иным способом или помещать в хранилище. Кроме того, при газификации в неподвижном слое в качестве остатка образуется смесь из конденсатов, которая содержит фенолы, жирные кислоты, аммиак, смолистые и средние масла, а также золосодержащие и углеродсодержащие твердые частицы. Остаток следует подвергать обработке с большими затратами, чтобы его можно было использовать в дальнейшем, или удалять в отходы.

Рентабельная эксплуатация газификации в неподвижном слое подразумевает гибкое использование образующихся жидких и твердых остатков газификации в неподвижном слое. Газификация во взвешенном потоке с охлаждаемым реактором и раздельной подачей золосодержащего жидкого и твердого топлива, при которой твердое топливо подают в транспортном газе, является для этого идеальным решением. Транспортный газ предпочтительно состоит на 100% или менее из азота или диоксида углерода, или из сочетания этих газов.

Охлаждаемый реактор можно эксплуатировать при температуре более 1400°C, предпочтительно, более 1500°C, чтобы золосодержащие частицы топлива можно было отводить в виде гранулированного шлака. Шлак не требует никакой дополнительной очистки, поскольку в отличие от золы при газификации в неподвижном слое возможные загрязняющие примеси не вымываются. Кроме того, охлаждаемый реактор устойчив к возможным загрязняющим примесям в топливе, таким как, например, тяжелые металлы.

Раздельная подача твердого и жидкого топлива обеспечивает возможность оптимального использования топлива. Золосодержащее твердое топливо обычно представляет собой мелкие частицы угля, предпочтительно менее 5 мм, которые непригодны для газификации в неподвижном слое. Следовательно, мелкие, непригодные для газификации в неподвижном слое частицы угля можно преимущественно использовать для транспортировки с помощью транспортного газа, поскольку для транспортировки угля в транспортном газе требуется диаметр менее 0,1 мм. Обычные затраты на измельчение угля таким образом сокращаются. Также отдельная подача твердого топлива позволяет сбалансировать колебания качества или количества жидкого топлива. Также в твердое топливо для повышения суммарной производительности можно дополнительно добавлять уголь.

С другой стороны, для золосодержащего жидкого топлива можно использовать горелку, которая способствует снижению образования сажи. Такая горелка описана в ЕР 00 95 103 А1. Она состоит из трех концентрично расположенных труб, при этом по внешней трубе подают кислород или кислородосодержащий газ, по внутренней трубе - топливо, а золосодержащее жидкое топливо подают по центральной трубе. Горелки в типичном воплощении включают три концентричные трубы и сужающийся на конус наконечник. Выходящее топливо оказывается мелкодиспергированным после выхода. Это повышает степень превращения и сводит к минимуму образование сажи. Система горелок может содержать охлаждающую камеру в области выхода горелок.

Золосодержащее твердое топливо предпочтительно подают по двум расположенным напротив друг друга горелкам, а по смещенным относительно них на угол 90° в горизонтальной плоскости двум расположенным напротив друг друга горелкам подают золосодержащее жидкое топливо. Конечно, горелки могут быть предусмотрены в любом другом количестве и могут быть смещены на угол более или менее 90°. Также для согласования мощности возможны параллельные уровни горения.

Дальнейшего снижения образования сажи достигают благодаря тому, что все горелки имеют угол горения больше 0° или, предпочтительно, от 3° до 6°. Таким образом внутри реактора образуется вихрь. Во-первых, это повышает время пребывания и также степень конверсии. При этом угол горения представляет собой угол между направлением вытекания топлива и горизонтальной соединительной линией между соплом горелки и осью симметрии реактора. В случае необходимости, направление вытекания топлива может быть изменено с получением горизонтального направления. Во-вторых, ускоряется отделение расплавленного шлака и непреобразованных частиц угля к стенке реактора. Непреобразованные частицы угля там далее преобразуются или попадают в шлак.

Также для горелок может быть предусмотрено несколько горизонтальных уровней. Горелки могут быть разделены на один или несколько горизонтальных уровней. Как правило, угол горения относительно горизонтальной поверхности составляет 0°. Однако также возможно, чтобы угол горения относительно горизонтальной поверхности составлял более 0°.

Примеры реализации

Изобретение поясняют на следующем примере. Пример реализации представлен на Фиг. 1-3 и затем описан более подробно. На Фиг. 1 показан рассматриваемый способ газификации в неподвижном слое и во взвешенном потоке. На Фиг. 2 показан газификатор с горелками для жидкого и твердого топлива, вид сбоку и сверху. На Фиг. 3 показана горелка, которая предназначена для реализации предложенного способа. На чертежах представлены только примеры реализации изобретения, при этом изобретение не ограничивается данными примерами реализации.

В предпочтительном воплощении остатки газификации в неподвижном слое подают в газификатор во взвешенном потоке. Остатки представляют собой остаток газификации в неподвижном слое, а именно жидкую смесь смолы и угольной пыли, и непригодные для использования мелкие частицы угля из добычи угля.

При добыче угля (1), Фиг. 1, добывают 400 тонн/час угля. От этого количества примерно 280 тонн/час представляет собой крупнокусковой уголь (1а), подходящий для газификации в неподвижном слое (2). При газификации в неподвижном слое (2) получают синтез-газ (2а). Оставшийся мелкий уголь (1b) имеет диаметр частиц менее 5 мм и поэтому не может быть использован для газификации в неподвижном слое (2). Оставшиеся 120 тонн/час мелкого угля (1b) направляют на газификацию во взвешенном потоке (3), где его перерабатывают в синтез-газ (3а). Кроме того, при газификации в неподвижном слое (2) образуется около 95 тонн/час смолистых масел с мелкими частицами угля, которые в дальнейшем используют (2b) в газификации во взвешенном потоке (3). Содержание твердого угля в смолистых маслах составляет примерно 5%. Количество энергии 95 тонн/час отходов соответствует примерно 25% количества энергии подаваемого при газификации в неподвижном слое 280 тонн/час крупнокускового угля.

Общее количество получаемого синтез-газа посредством описанного сочетания газификации в неподвижном слое и во взвешенном потоке может быть увеличено от 270000 нм³/ч до 490000 нм³/ч.

Остатки газификации в неподвижном слое и мелкий уголь в предпочтительном воплощении, фиг.2, подают через четыре горелки раздельно в реактор газификации (4) газификатора во взвешенном потоке. Две горелки (5а, 5с) предусмотрены для твердого топлива и две горелки (5b, 5d) предусмотрены для жидкого топлива. Все горелки (5a-5d) расположены в горизонтальной плоскости, при этом горелки попарно расположены напротив друг друга. Горелки выполнены таким образом, что топливо вытекает (10) из горелки по секущей, при этом угол горения (9) между направлением вытекания топлива (11) и соединительной линией между соплом горелки и осью симметрии реактора больше 0°, предпочтительно составляет от 3 до 6°.

На Фиг.3 изображен предпочтительный тип горелки для газификации смолистых масел с мелкими частицами угля. Она состоит из трех концентрично расположенных труб (6, 7, 8), включающих центральную питающую трубу (6) и два окружающих кольцевых зазора (7, 8). При этом жидкое топливо подают по центральной трубе (6). По кольцевому зазору (7) подают топливо. По внешней трубе (8) подают кислородосодержащий газ. Три трубы имеют сужающийся на конус наконечник. Выходящее топливо оказывается мелкодиспергированным после выхода. Это повышает степень конверсии и сводит к минимуму образование сажи.

Перечень обозначений

1. Добыча угля

1а. Крупнокусковой уголь

1b. Мелкий уголь

2. Газификация в неподвижном слое

2а. Синтез-газ

3. Газификация во взвешенном потоке

3а. Синтез-газ

4. Реактор газификации

5a-d. Горелки

6. Центральная питающая труба

7. Кольцевой зазор

8. Внешняя питающая труба

9. Угол горения

10. Вытекание по секущей

11. Радиальное вытекание

Изобретение относится к способу получения синтез-газа путем совместной газификации в потоке твердого и жидкого топлива, содержащих золу. Причем указанное топливо подают отдельно в реактор газификации угля через несколько горелок, при этом горелки имеют концентрический угол горения более 0°, что снижает образование сажи и повышает степень конверсии. Твердую фракцию подают совместно с инертным газом в реактор газификации. Золосодержащее твердое топливо содержит, по меньшей мере, частично мелкие частицы угля, полученные при добыче угля, которые не подходят для газификации в неподвижном слое угля. Золосодержащее жидкое топливо содержит остаток от газификации в неподвижном слое угля. Техническим результатом является совместное использование при газификации во взвешенном потоке золосодержащих жидких остатков от газификации в неподвижном слое и мелких частиц угля, которые не могут быть использованы при газификации в неподвижном слое, а также сведение к минимуму образования сажи. 9 з.п. ф-лы, 3 ил. 1 пр.

1. Способ получения синтез-газа, включающий газификацию образующихся при газификации в неподвижном слое золосодержащих жидких остатков во взвешенном потоке при давлении от 0,3 до 0,8 МПа и температуре выше 1400°С с помощью кислородосодержащих газообразных газифицирующих агентов в охлаждаемом реакторе, при этом золосодержащие жидкие остатки в виде жидкого топлива и золосодержащее твердое топливо подают в реактор раздельно через несколько горелок по секущей к окружности реактора с обеспечением горения при угле горения более 0°, при этом золосодержащее твердое топливо диспергируют в транспортном газе, и по меньшей мере оно частично состоит из мелких частиц угля, полученных при добыче угля, которые непригодны для газификации в неподвижном слое.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкий остаток газификации, образующийся в неподвижном слое, содержит углеводороды, в частности смолы, но также фенолы, жирные кислоты и аммиак.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что золосодержащее твердое топливо представляет собой мелкие частицы угля, предпочтительно менее 5 мм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что горелка для подачи золосодержащего жидкого топлива состоит из трех концентрично расположенных труб, при этом по внешней трубе подают кислород или кислородосодержащий газ, по внутренней трубе - топливо, а золосодержащее жидкое топливо подают по центральной трубе.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что три концентрично расположенные трубы имеют сужающийся на конус наконечник и охлаждающую камеру в области выхода горелок.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что золосодержащее твердое топливо подают по двум или более расположенным напротив друг друга горелкам, а по смещенным относительно них на угол 90° в горизонтальной плоскости двум или более расположенным напротив друг друга горелкам подают золосодержащее жидкое топливо.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что горелки размещены в одной или нескольких горизонтальных плоскостях.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что угол горения между направлением вытекания топлива и соединительной линией между соплом горелки и осью симметрии реактора составляет 3-6°.

9. Способ по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что угол горения по отношению к горизонтальной поверхности составляет более 0°.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что транспортный газ на 100% или менее состоит из азота или диоксида углерода или сочетания этих газов.