РЕАКТОР ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ Российский патент 2017 года по МПК F01K13/02 F22G5/16 

Настоящее изобретение относится к реактору для газификации, содержащему теплообменные элементы, генерирующие пар. Изобретение также относится к процессу управления потоком пара в таком реакторе для газификации.

Реакторы для газификации могут использоваться, например, для производства синтез-газа посредством неполного сжигания углеродосодержащего сырья, такого как пылевидный уголь, нефть, биомасса, газ или любой другой тип углеродосодержащего сырья. Синтез-газ обычно выходит из реактора для газификации при высоких температурах, например, 1300°С или еще выше. Чтобы охладить газ, его направляют вдоль теплообменных элементов. Если в качестве охлаждающего агента используется вода, теплообменники могут использоваться для генерации пара. Таким образом, отходящее тепло, полученное в результате процесса газификации, может экономно использоваться и общая эффективность процесса существенно повышается.

Генерированный пар от теплообменников, использующих отходящее тепло, обычно повторно собирается в виде смеси воды и пара в барабане парового котла. Вода из барабана парового котла в дальнейшем возвращается обратно к теплообменникам. Пар в барабане парового котла может быть выпущен в паросборник. Если пар является насыщенным, он может быть передан в паросборник через пароперегреватель, где он образует перегретый пар.

Чтобы уменьшить или избежать коррозии и повреждения соответствующего оборудования в результате тепловых нагрузок, температура собранного перегретого пара не должна быть слишком высокой.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы повысить экономическую эффективность процесса в целом и уменьшить ущерб в результате тепловых нагрузок.

Задача изобретения решается реактором для газификации, содержащим камеру реактора, один или более теплообменных блоков, генерирующих пар, по меньшей мере один барабан парового котла для повторного сбора генерированного пара, и линии рециркуляции для циркуляции воды и пара между одним или более из теплообменных блоков и барабаном парового котла. Барабан парового котла также содержит линию подачи пара для направления насыщенного пара через пароперегреватель и линию перегретого пара в паросборник перегретого пара, причем линия перегретого пара разделяется на обратную линию, ведущую к теплообменной линии, проходящей через барабан парового котла, и линию питания паросборника. Для выборочного открывания или закрывания обратной линии или линии питания паросборника обеспечиваются один или более клапанов.

Это делает возможным рециркулировать пар, например, в случае, если он слишком горячий, в теплообменную линию, проходящую через барабан парового котла, где теплота может быть передана воде в барабане парового котла. Таким образом, может генерироваться дополнительный пар, и риск перегрева оборудования, расположенного ниже по ходу потока от пароперегревателя, можно существенно снизить.

Теплообменная линия, проходящая через барабан парового котла, может, например, соединяться с вторичной линией подачи перегретого пара, ведущей в паросборник перегретого пара.

Вторичная линия подачи перегретого пара может, например, присоединяться к линии питания паросборника перед ее открыванием в питающий паросборник перегретого пара, так что более холодный перегретый пар от вторичной линии может предварительно смешиваться с перегретым паром от линии питания паросборника, прежде чем попадет в паросборник.

Выше по ходу потока от обратной линии, линия питания паросборника перегретого пара может быть снабжена одним или более температурными датчиками, причем один или более блоков управления клапанами выполнены с возможностью управления потоком через обратную линию и линию питания паросборника в зависимости от измеренной температуры.

При необходимости теплообменная линия, проходящая через барабан парового котла, может соединяться с линией, идущей к теплообменнику с перекрестным потоком для предварительного нагрева кислорода, в то время как пар конденсируется. Теплообменник с перекрестным потоком может соединяться с линией подачи кислорода, подающей подогретый кислород в камеру реактора. Использование подогретого кислорода повышает эффективность сгорания в реакторе. Благодаря использованию пара для предварительного подогрева кислорода, не требуется подача внешней энергии для предварительного подогрева кислорода.

В дополнительном усовершенствованном варианте обратная линия возвращает паровой конденсат от теплообменника с перекрестным потоком в барабан парового котла через компенсатор давления, например, для повторного использования в контуре использования отходящего тепла.

Указанный теплообменный блок, генерирующий пар, может быть выполнен в виде мембранной стенки (такой как мембранная стенка 3, показанная на фиг. 1 и 2), пароперегревателя (такого как пароперегреватель 15, показанный на фиг. 1 и 2) и/или последующего теплообменного блока (такого как последующие теплообменные блоки 16, показанные на фиг. 1 и 2).

В конкретном варианте осуществления теплообменный блок между барабаном парового котла и паросборником перегретого пара содержит блок использования отходящего тепла, расположенный ниже по ходу потока камеры реактора. Этот блок использования отходящего тепла может быть, например, первым в последовательности расположенных ниже по ходу потока блоков использования отходящего тепла, в частности для передачи теплоты от синтез-газа пару.

Теплообменные блоки могут, например, содержать мембранную стенку с водяным охлаждением, построенную из параллельных охлаждающих линий, соединенных между собой, чтобы образовать газонепроницаемую стенку. Аналогично, камера реактора может содержать мембранную стенку, построенную из параллельных охлаждающих линий, соединенных между собой, чтобы образовать газонепроницаемую стенку. В результате это приводит к эффективно защищенной от нагревания мембранной стенке, которая может также использоваться для генерации пара.

Изобретение также относится к способу управления потоком перегретого пара к паросборнику перегретого пара, в котором насыщенный пар от барабана парового котла подают в пароперегреватель и затем через линию питания в паросборник перегретого пара, в котором перегретый пар с температурой, превышающей верхний предел, проводят по обходному пути в теплообменную линию, проходящую через барабан парового котла.

Затем, после прохождения теплообменной линии, проходящей через барабан парового котла, пар может быть подан в паросборник перегретого пара и/или может быть пропущен через нагреватель с перекрестным потоком, пересекая противоток кислорода, и в котором кислород затем подают к горелкам в камере реактора. После прохождения теплообменника с перекрестным потоком пар может быть затем подан обратно в барабан парового котла через компенсатор давления.

Примерные варианты осуществления изобретения теперь будут описаны со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1 схематично показывает иллюстративный вариант осуществления реактора для газификации;

фиг. 2 схематично показывает второй иллюстративный вариант осуществления реактора для газификации.

На фиг. 1 показан реактор 1 газификации, осуществляющий частичное сжигание углеродосодержащего топлива, чтобы производить синтез-газ. Реактор 1 содержит камеру 2 реактора с мембранной стенкой 3, образованной параллельными охлаждающими линиями (не показаны), соединенными между собой, чтобы образовать газонепроницаемую стенную конструкцию. Охлаждающие линии могут быть, например, вертикальными линиями или спирально намотанными параллельными линиями. Вода течет через охлаждающие линии во время процесса сжигания, чтобы понизить тепловые нагрузки на мембранную стенку 3. Вода будет покидать охлаждающие линии в виде пара или в виде смеси пара и воды. Нижний конец камеры 2 реактора открывается в ванну 4 сбора шлака. Верхний конец камеры 2 реактора открывается в выпускной канал 5. Камера 2 реактора, ванна 4 сбора шлака и выпускной канал 5 заключены в сосуд 8 высокого давления.

Верхний конец выпускного канала 5 открывается в верхний конец охлаждающего канала 10 внутри цилиндрического сосуда 11 высокого давления. Сосуд 11 высокого давления содержит закрытый верхний конец 12 и нижний конец 13, соединенный с линией 14 выпуска синтез-газа. Охлаждающий канал 10 проходит от закрытого верхнего конца 12 сосуда высокого давления к линии 14 выпуска синтез-газа и содержит пароперегреватель 15 и ряд последующих теплообменных блоков 16. Пароперегреватель 15 и теплообменные блоки 16 построены из параллельных охлаждающих линий (не показаны), соединенных между собой, чтобы образовать газонепроницаемую стенную конструкцию.

Каждый из ряда последующих теплообменных блоков 16 имеет по меньшей мере один впуск 17 и по меньшей мере один выпуск 18. Впуски 17 соединяются с барабаном 20 парового котла через линию 21. В барабане парового котла вода отделяется от пара. Барабан 20 парового котла также соединяется с каждым из выпусков 18 через линии 19 и с блоком 22 подачи питающего водяного пара бойлера. Барабан 20 парового котла содержит смесь воды 23 и пара 24. Вода течет от барабана 20 парового котла через линии 21 к впускам 17 теплообменных блоков 16. Теплота от синтез-газа, проходящего через теплообменные блоки 16, передается воде в охлаждающих линиях и образуется пар. Пар возвращается в барабан 20 парового котла через линии 19.

Аналогично вода проходит от барабана 20 парового котла через линии 25 подачи воды к охлаждающим линиям мембранной стенки 3. В показанном варианте осуществления линии 25 отводятся от линии 21. Альтернативно линии 25 могут быть отдельными линиями, напрямую соединяющими барабан 20 парового котла с охлаждающими линиями мембранной стенки 3. Вода охлаждает мембранную стенку 3, пар образуется и возвращается в барабан 20 парового котла через обратные линии 26.

Линия 28 подачи пара проходит от барабана 20 парового котла к впуску 29 пароперегревателя 15. Линия 30 перегретого пара проходит от выпуска 31 пароперегревателя 15 к паросборнику 32 перегретого пара.

Линия 30 подачи перегретого пара разделяется на обратную линию 33 и линию 34 питания паросборника. Обратная линия 33 ведет к теплообменной линии 35, проходящей через барабан 20 парового котла. Теплообменная линия 35, проходящая через барабан парового котла 20, соединяется с вторичной линией 36 подачи перегретого пара, ведущей к паросборнику 32 перегретого пара. Вторичная линия 36 подачи перегретого пара соединяется с питающей линией 34 паросборника перед точкой, где питающая линия 34 открывается в паросборник 32 перегретого пара.

Клапаны 37, 38 выполнены с возможностью выборочного открывания или закрывания обратной линии 33 или питающей линии 34 паросборника.

Перед обратной линией 33 линия 30 подачи перегретого пара обеспечивается одним или более температурными датчиками (не показаны). Блок управления клапанами (не показан) выполнен с возможностью управления потоком через обратную линию 33 и питающую линию 34 паросборника в зависимости от измеренной температуры подаваемого перегретого пара. Если измеренная температура перегретого пара на линии 30 подачи перегретого пара превышает заданный верхний предел, клапан 37 открывается, в то время как клапан 38 закрывается. Перегретый пар проходит обходным путем через обратную линию 33 и теплообменную линию 35, проходящую через барабан 20 парового котла, где перегретый пар остывает до приемлемого температурного уровня. Затем перегретый пар передается через вторичную линию 34 подачи перегретого пара к паросборнику 32 перегретого пара. Таким образом, избыточная теплота используется для образования дополнительного пара в барабане парового котла. Этот дополнительно произведенный пар обеспечивает лучшее охлаждение для пароперегревателя и, следовательно, понижает температуру выпуска пара пароперегревателя на линии 30. Таким образом, температура перегретого пара может эффективно поддерживаться достаточно низкой, чтобы избежать перегрева оборудования, приводя к увеличенному сроку службы частей реактора.

На фиг. 2 показан альтернативный вариант осуществления реактора 40 для газификации. На фиг. 2 для частей, одинаковых с частями варианта осуществления, показанного на фиг. 1, используются те же самые ссылочные позиции. Как и в варианте осуществления, показанном на фиг. 1, реактор 40 для газификации, показанный на фиг. 2, содержит камеру 2 реактора с мембранной стенкой 3, образованной соединенными вместе параллельными охлаждающими линиями (не показаны), чтобы получить газонепроницаемую стенную конструкцию. Охлаждающий канал 10 содержит пароперегреватель 15 и ряд последующих теплообменных блоков 16, которые соединяются с барабаном 20 парового котла линиями 21 подачи воды и обратными линиями 19 пара. Аналогично, вода протекает от барабана 20 парового котла к охлаждающим линиям мембранной стенки 3, чтобы вернуться в виде пара в барабан 20 парового котла через обратные линии 26 пара.

Линия 28 пара проходит от барабана 20 парового котла к пароперегревателю 15. Линия 30 перегретого пара проходит от пароперегревателя 15 к паросборнику 32 перегретого пара.

Линия 30 перегретого пара разделяется на обратную линию 33 и питающую линию 34 паросборника. Обратная линия 33 ведет к теплообменной линии 35, проходящей через барабан 20 парового котла 20. Теплообменная линия 35, проходящая через барабан парового котла 20, соединяется с линией 41, идущей к блоку 42 теплообмена с перекрестным потоком. В блоке 42 теплообмена с перекрестным потоком теплота передается от пара противотоку кислорода. Пар конденсируется и конденсированный пар затем возвращается через обратную линию 43 в барабан 20 парового котла через компенсатор 46 давления, чтобы компенсировать потерю давления пара во время прохождения блока 42 теплообмена с перекрестным потоком. Кислородный поток подается от источника 44 кислорода, такого как воздушный сепаратор. После прохождения блока 42 теплообмена с перекрестным потоком нагретый кислород проходит к камере 2 реактора через линию 45 подачи кислорода.

В дополнительном возможном альтернативном варианте осуществления пар от блока 42 теплообмена с перекрестным потоком не возвращается в барабан 20 парового котла, а проходит к блоку сбора конденсата (не показан). В этом случае никакой компенсатор 46 давления не требуется.

В рабочих условиях при низких температурах перегретого пара в линии 30 насыщенный пар может подаваться через клапан 39 для использования с кислородным подогревателем вместо или в дополнение к перегретому пару из линий 33 и 41.

Изобретение относится к энергетике. Реактор для газификации углеродосодержащего топлива содержит камеру 2 реактора, теплообменные блоки, генерирующие пар, по меньшей мере один барабан 20 парового котла и линии рециркуляции для циркуляции воды и пара между одним или более теплообменными блоками и барабаном парового котла. При этом барабан парового котла дополнительно содержит линию 28 для подачи пара через теплообменный блок 15 и линию 30 подачи перегретого пара к паросборнику 32 перегретого пара. Линия подачи перегретого пара разделяется на обратную линию 33, ведущую к теплообменной линии 35, проходящей через барабан парового котла, и линию 34 питания паросборника. Также представлен способ понижения температуры потока перегретого пара к паросборнику перегретого пара в реакторе газификации. Изобретение позволяет повысить экономическую эффективность процесса и уменьшить ущерб в результате тепловых нагрузок. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Реактор (1) для газификации, содержащий:

- камеру (2) реактора;

- теплообменные блоки (3, 15, 16), генерирующие пар;

- по меньшей мере один барабан (20) парового котла;

- линии рециркуляции для циркуляции воды и пара между одним или более теплообменными блоками (3, 15, 16) и барабаном (20) парового котла;

в котором барабан парового котла сообщается через линию (28) подачи пара с теплообменным блоком (15), который, в свою очередь, сообщается через линию (30) подачи перегретого пара с паросборником (32) перегретого пара, при этом линия (30) подачи перегретого пара разделяется на обратную линию (33), ведущую к теплообменной линии (35), проходящей через барабан (20) парового котла, и линию (34) питания паросборника, причем реактор содержит один или более клапанов (37, 38, 39) для выборочного открывания или закрывания обратной линии (33) или линии (34) питания паросборника, теплообменная линия (35), проходящая через барабан (20) парового котла, соединяется с вторичной линией (36) подачи перегретого пара, ведущей к паросборнику (32) перегретого пара, и вторичная линия (36) подачи перегретого пара присоединяется к линии (34) питания паросборника перед точкой, где указанная линия питания открывается в паросборник перегретого пара.

2. Реактор для газификации по п. 1, в котором линия (30) подачи перегретого пара выше по ходу потока от обратной линии (33), снабжена одним или более температурными датчиками, и в котором один или более блоков управления клапанами выполнены с возможностью открывания или закрывания обратной линии и линии питания паросборника соответственно в ответ на измеренную температуру.

3. Реактор для газификации по п. 1 или 2, в котором теплообменная линия (35), проходящая через барабан (20) парового котла, соединяется с линией, идущей к теплообменнику (42) с перекрестным потоком для подогрева кислорода, при этом теплообменник с перекрестным потоком соединяется с линией (45) подачи кислорода и подает подогретый кислород к одной или более горелкам в камере (2) реактора.

4. Реактор для газификации по п. 3, в котором обратная линия (43) возвращает конденсированный пар из теплообменника (42) с перекрестным потоком в барабан (20) парового котла через компенсатор (46) давления.

5. Реактор для газификации по любому из пп. 1, 2, 4, в котором теплообменный блок (15) между барабаном (20) парового котла и паросборником (32) перегретого пара представляет собой блок использования отходящего тепла, расположенный ниже по ходу потока от камеры (2) реактора.

6. Реактор для газификации по п. 3, в котором теплообменный блок (15) между барабаном (20) парового котла и паросборником (32) перегретого пара представляет собой блок использования отходящего тепла, расположенный ниже по ходу потока от камеры (2) реактора.

7. Реактор для газификации по п. 5, в котором теплообменный блок (15), представляющий собой блок использования отходящего тепла, является первым в последовательности расположенных ниже по ходу потока теплообменных блоков (16), представляющих собой блоки использования отходящего тепла.

8. Реактор для газификации по п. 6, в котором теплообменный блок (15), представляющий собой блок использования отходящего тепла, является первым в последовательности расположенных ниже по ходу потока теплообменных блоков (16), представляющих собой блоки использования отходящего тепла.

9. Реактор для газификации по любому из пунктов 1, 2, 4, 6-8, в котором по меньшей мере один из теплообменных блоков (15, 16) представляет собой мембранную стенку с водяным охлаждением, сформированную из параллельных охлаждающих линий, соединенных между собой, чтобы образовать газонепроницаемую стенку.

10. Реактор для газификации по п. 3, в котором по меньшей мере один из теплообменных блоков (15, 16) представляет собой мембранную стенку с водяным охлаждением, сформированную из параллельных охлаждающих линий, соединенных между собой, чтобы образовать газонепроницаемую стенку.

11. Реактор для газификации по п. 5, в котором по меньшей мере один из теплообменных блоков (15, 16) представляет собой мембранную стенку с водяным охлаждением, сформированную из параллельных охлаждающих линий, соединенных между собой, чтобы образовать газонепроницаемую стенку.

12. Способ понижения температуры потока перегретого пара к паросборнику (32) перегретого пара в реакторе газификации по п. 1, в котором насыщенный пар из барабана (20) парового котла подают в теплообменный блок (15), представляющий собой пароперегреватель, и затем через линию (30) подачи перегретого пара в паросборник перегретого пара, причем перегретый пар с температурой, превышающей заданный верхний предел, отводят в теплообменную линию (35), проходящую через барабан парового котла, чтобы создать дополнительный пар в барабане (20) парового котла.

13. Способ по п. 12, в котором пар после прохождения теплообменной линии (35), проходящей через барабан парового котла, затем подают в паросборник (32) перегретого пара.

14. Способ по п. 12 или 13, в котором пар после прохождения теплообменной линии (35), проходящей через барабан парового котла, затем пропускают через теплообменник (42) с перекрестным потоком, пересекая противоток кислорода, при этом кислород затем подают к одной или более горелкам в камере реактора.

15. Способ по п. 14, в котором пар после прохождения теплообменника (42) с перекрестным потоком затем подают обратно в барабан парового котла через компенсатор (46) давления.