СПОСОБ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ГАЗА И СИСТЕМА ДЛЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ КОНДЕНСИРУЮЩЕГОСЯ ПАРА ИЗ ПОДАВАЕМОГО ГАЗА Российский патент 2020 года по МПК C10L3/10 C10K1/04 C10G70/04 F28F19/00 

Область изобретения

Изобретение относится к области кондиционирования газа и в особенности, хотя не исключительно, применимо для кондиционирования газов, произведенных посредством газификации («газ, полученный в способе газификации»).

Известный уровень техники

«Газ, полученный в способе газификации» представляет собой продукт газификации, например, газификации угля или пиролиза углеродистого сырья. В особенности, газ, произведенный посредством пиролиза и метанизации сырья из биомассы, то есть топливный газ на основе метана, рассматривается как источник возобновляемой энергии, и таким образом он предлагает многообещающее решение в достижении углеродной нейтральности для обрабатывающей промышленности. Более того, его высокое содержание метана делает его идеальным для топливозаправочных генераторов и газовых двигателей, где его экономичная характеристика является благоприятной для удовлетворения нормативам выбросов.

Раз имеет место способ газификации, в некоторых случаях, в реакционных камерах при рабочей температуре выше 750°С газ, извлеченный из камер, часто переносит испаренные углеводороды с длинной цепью, как например, смолы, а также другие примеси, которые необходимо отделять из топливного газа перед тем, как он может быть использован. Например, присутствие смол в топливном газе понижает его чистоту, и в некоторых случаях, то есть в применениях газовых двигателей, приводит к проявлениям неэффективности, неконтролируемым выбросам и внутренней неисправности.

Удаление смол из газа, полученного в способе газификации/топливного газа хорошо известно в технике. Например, мокрые скрубберы обычно используются для удаления смол посредством контактирования газа с раствором скруббера, то есть водой с тем, чтобы при контакте любые испаренные смолы конденсировались и удерживались в растворе скруббера (смотри примеры, данные в US20140131622-Winter и др.), приводя в результате к топливному газу высокой чистоты. US4324643 (Durai-Swamy) и US4101412 (Choi) обеспечивают некоторые дополнительные примеры извлечения смол из богатого смолой раствора скруббера, включая технологии разделения жидкостей и ректификационные колонны. Использование мокрых скрубберов предлагает простое решение для очистки газа, но извлечение смолы ниже по потоку, показанное в этих примерах, может быть дорогим и может быть причиной возможного вреда, если растворы скрубберов не обработаны надлежащим образом.

Альтернативно, смолы могут быть непосредственно конденсированы из топливного газа без использования раствора скруббера. KR20110137977 (Корейский Институт Энергетических Исследований) показывает центробежный конденсатор, где топливный газ, протекающий через вращающееся кольцо, непрерывно охлаждается посредством окружающих охлаждающих текучих сред. При охлаждении испаренные смолы конденсируются из топливного газа и протекают вдоль наклонной стенки перед тем, как покинут кольцо на выходе жидкости с помощью центробежной силы, при покидании поток кондиционированного и очищенного газа должен быть очищенным на выходе для газа. Однако, температура обработки значительно воздействует на вязкость смолы и так неадекватно регулирует температуру охлаждения, то есть переохлаждение, что может привести к загустевшим смолам и таким образом блокировке выхода для жидкости, то есть центробежная сила, передаваемая посредством вращающегося кольца, может быть недостаточной, чтобы вытеснять загустевшие смолы из вращающегося кольца.

Смолы представляют собой углеводороды с длинной цепью, которые являются конденсирующимися фракциями в технологических газах, создаваемых посредством промышленных способов. Типично смолы с большими молекулярными весами имеют более высокие точки конденсации. Эти смолы типично состоят из многих ароматических колец, как например, тяжелые полиароматические углеводороды. Смолы с меньшими молекулярными весами, часто с меньшим количеством ароматических колец, обычно имеют более низкие точки конденсации. Вообще смолы с более высокими точками конденсации будут иметь более высокие вязкости при определенной температуре, чем смолы с более низкими точками конденсации. В тот момент в смеси эти смолы могут образовать вязкую пасту, которая является нежелательной и проблематичной в любом способе обработки газа. Использование системы, показанной в KR20110137977 для удаления смолы будет неминуемо приводить в результате к большой несовместимости в вязкости, что воздействует на теплопередачу и характеристику стока. Например, в KR20110137977, где холодильный агент подается при одной температуре охлаждения, смесь смол, содержащая смолы с высокими точками конденсации, значительно сгущает полную смесь, препятствуя эффективному стоку.

В результате, установка для кондиционирования газа, которая способна эффективно и надежно удалять смолы из газа, полученного в способе газификации/топливного газа является востребованной.

Сущность

Настоящий заявитель уменьшил вышеупомянутые проблемы посредством обеспечения способа для удаления конденсирующегося пара из подаваемого газа, содержащего стадии:

i)охлаждают подаваемый газ на первой поверхности конденсации, в котором указанную первая поверхность конденсации регулируют по температуре до первой температуры для конденсации части конденсирующегося пара в подаваемом газа, так что подаваемый газ разделяют на предварительную конденсированную фракцию и технологический газ, в то же время удаляют предварительную конденсированную фракцию на первой поверхности конденсации с помощью механического скребкового средства; и

ii)охлаждают технологический газ на второй поверхности конденсации, в котором вторую поверхность конденсации регулируют по температуре до второй температуры для конденсации дополнительной части остающегося конденсирующегося пара в технологическом газе, так что технологический газ разделяют на последующую конденсированную фракцию и получаемый газ, в то же время удаляют последующую конденсированную фракцию на поверхности конденсации с помощью механического скребкового средства;

в котором предварительная конденсированная фракция имеет более высокую температуру точки конденсации, чем последующая конденсированная фракция; и в котором предварительная конденсированная фракция имеет более высокую вязкость, чем последующая конденсированная фракция при любой заданной температуре ниже второй температуры, и в котором способ дополнительно содержит стадии:

а) собирают удаленную последующую конденсированную фракцию на первом местоположении, в котором указанное первое местоположение регулируют по температуре до второй температуры; и

b) транспортируют последующую конденсированную фракцию механически от первого местоположения до второго местоположения, в котором указанное второе местоположение регулируют по температуре до первой температуры для нагревания и/или испарения указанной последующей конденсированной фракции, чтобы образовать нагретую последующую фракцию; и

с) собирают удаленную предварительную конденсированную фракцию на втором местоположении; и

d) транспортируют предварительную конденсированную фракцию и нагретую последующую фракцию механически от второго местоположения к третьему местоположению; в котором указанное третье местоположение регулируют по температуре до температуры выше, чем первая температура для нагревания и/или испарения указанной нагретой последующей фракции и предварительной конденсированной фракции, чтобы образовать концентрированный конденсирующийся пар; и

е) извлекают концентрированный конденсирующийся пар из третьего местоположения.

Подаваемый газ типично (но не необходимо) представляет собой продукт газификации угля или пиролиза углеродистого сырья. По выбору он содержит метан, а также конденсирующийся углеводородный пар, например, смолу, имеющую негазовую фазу при стандартных температуре и давлении окружающей среды, то есть при 25°С и 1атм. Подаваемый газ, при температуре подачи, превышающей точку конденсации конденсирующегося пара, типично представляет собой хорошо смешанный газ. Посредством включения механического скребкового средства, например, скребка, сконденсированная смола может быть удалена своевременно, чтобы улучшить теплопередачу на поверхности конденсации, то есть он создает относительно свободную от смолы поверхность конденсации для конденсации более испаренной смолы. Механическое скребковое средство также дает возможность эффективного выпуска смолы с более высокой вязкостью, то есть смолы с пастообразными консистенциями; это улучшает надежность способа.

В связи с пониженной температурой, вязкость сконденсированной фракции может значительно повыситься в точке удаления и таким образом увеличивает трудности обработки. В результате, термически регулируемое транспортирующее средство может быть обеспечено для нагревания и/или испарения конденсированной фракции, чтобы улучшить ее текучесть. Конденсированная фракция может быть испарена, чтобы образовать концентрированный конденсирующийся пар, то есть газообразную смесь, имеющую по существу более высокую концентрацию смолы, чем подаваемый газ.

Стадия ii) может быть повторена на дополнительных поверхностях конденсации, используя получаемый газ предыдущей стадии, как нагнетаемый газ. Способ может быть описан, как конденсация и удаление конденсирующегося пара, или смол, на последовательных ступенях. Смесь смол, удаленных на каждой из ступеней, имеет такую же точку конденсации и вязкость, и в результате понижает трудности способа. Например, предварительная фракция имеет более высокую температуру точки конденсации, чем последующая фракция, так что предварительная фракция имеет более высокую вязкость, чем последующая фракция при любой заданной температуре ниже второй температуры.

Стадии c)-d) могут быть повторены на дополнительных местоположениях, используя конденсированную фракцию с дополнительной поверхности конденсации и/или нагретую конденсированную фракцию предшествующей стадии, как подаваемый материал, для того, чтобы образовать более концентрированный конденсирующийся пар. Например, способ может содержать дополнительное местоположение, чтобы нагревать и испарять любую конденсированную фракцию, которая остается в жидкой фазе. Способ может, следовательно, быть описан, как нагревание и испарение конденсированных фракций на последовательных ступенях, чтобы образовать концентрированный конденсирующийся пар.

По желанию, подаваемый газ подвергается кондиционированию перед способом удаления конденсирующегося пара. Например, способ может дополнительно содержать стадию регулирования температуры подаваемого газа при помощи теплообменника подаваемого газа, а также стадию фильтрования с использованием фильтра с тем, чтобы подаваемый газ был свободен от любых конденсированных фракций и частиц.

По желанию, получаемый газ промывается с использованием скруббера, чтобы удалить любые остающиеся загрязнения. И по желанию, промытый получаемый газ осушается с использованием устройства осушки газа, чтобы повысить теплотворную способность газа.

Также представлена система для осуществления способа, содержащая по меньшей мере одну установку конденсации и термически регулируемое транспортирующее средство, предназначенное для нагревания и/или испарения по меньшей мере одной конденсированной фракции, удаленной из по меньшей мере одной установки конденсации, чтобы образовать концентрированный конденсирующийся пар, в связи с этим их вязкость может быть поддержана или понижена, чтобы улучшить текучесть; и в которой термически регулируемое транспортирующее средство представляет собой нагревательный экструдер или теплообменник с нагревательной очищаемой поверхностью, или в некоторых случаях подогреватель.

По меньшей мере одна установка конденсации содержит первую поверхность конденсации и вторую поверхность конденсации с механическим скребковым средством для удаления конденсированных фракций с каждой поверхности конденсации; каждая из первой поверхности конденсации и второй поверхности конденсации являются индивидуально регулируемыми по температуре. По желанию, установка конденсации представляет собой экструдер, но она может быть любым теплообменником, содержащим механическое скребковое средство, известный специалисту в данной области техники, например, теплообменники с очищаемой поверхностью. Например, система может быть экструдером, снабженным одной рубашкой, в котором рубашка может быть разделена на секции, чтобы обеспечить первую и вторую температуры вдоль ее длины.

По желанию и альтернативно, система может взамен содержать по меньшей мере две установки конденсации, которые соединены, в которой каждая из по меньшей мере двух установок конденсации индивидуально регулируется по температуре; в этом случае первая установка конденсации служит, как первая поверхность конденсации, и вторая установка конденсации служит, как вторая поверхность конденсации. По желанию, каждая из рубашек по меньшей мере двух установок конденсации может дополнительно содержать перегородки, чтобы обеспечить несколько температур охлаждения, чтобы повысить гибкость.

Термически регулируемое транспортирующее средство содержит первое местоположение, второе местоположение и третье местоположение для нагревания и испарения конденсированной фракции, удаленной из каждой из установок конденсации. Первое местоположение, второе местоположение и третье местоположение последовательно соединены; температура возрастает постепенно от первого местоположения до третьего местоположения. Например, первое местоположение, второе местоположение и третье местоположение могут быть различными секциями вдоль термически разделенного на части экструдера или теплообменника с очищаемой поверхностью, или альтернативно они могут быть дискретными элементами в последовательном соединении.

По желанию, экструдер может содержать один или более спиральных шнеков для чистки любой сконденсированной фракции с охлажденных стенок цилиндра, а также транспортирования указанных фракций для удаления. По желанию, экструдер может содержать два шнека для повышенной площади теплопередачи и удлиненного пути течения газа, но он может содержать любое число шнеков, как требуется. И по выбору, спиральные шнеки могут содержать не прилипающее покрытие для эффективного выпуска конденсированной фракции с их поверхностей. И по желанию, шнеки могут быть регулируемыми по температуре для повышенной площади охлаждения; например, шнеки могут быть охлаждены посредством циркуляции внешнего холодильного агента, или при помощи охладителя Пелтиера или любого другого средства охлаждения.

По желанию, установка конденсации представляет собой теплообменник с очищаемой поверхностью, содержащий механическое скребковое средство для чистки и транспортирования по меньшей мере одной конденсированной фракции. По выбору, механическое скребковое средство содержит один или более поршней или скребков, в котором теплообменник с очищаемой поверхностью содержит цилиндр, заключенный в нагревающие/охлаждающие рубашки, чтобы обеспечить регулирование температуры. Например, поршень или скребок движется взад и вперед возвратно-поступательно в осевом направлении, где любые конденсированные смолы счищаются и удаляются на контактной поверхности. По желанию, контактные поверхности между одним или более поршней или скребков и цилиндр, содержащий теплопроводное и износостойкое покрытие для защиты указанной поверхности контакта; износостойкое покрытие может быть нитридом бора или любыми другими подходящими покрытиями, известными специалисту в данной области техники.

По желанию, экструдер содержит средство разделения газ/жидкость для отделения любой унесенной предварительной фракции/последующей фракции от технологического газа/получаемого газа; указанное средство разделения может быть гравитационным сепаратором, центрифугами, циклоном, фильтрами или любыми другими средствами, известными специалисту в данной области техники.

Краткое описание чертежей

Дополнительные признаки и аспекты настоящего раскрытия будут очевидны из следующего подробного описания иллюстративных и неограничительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 изображает систему кондиционирования газа в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

Фиг. 2a-2d изображает экструдер, как установку конденсации, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

Фиг. 3а-3е изображают теплообменник с очищаемой поверхностью, как установку конденсации, в соответствии с вариантом осуществления настоящего раскрытия.

Фиг. 4а и 4d изображают две различные конфигурации модуля конденсации в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего раскрытия.

Фиг. 5 изображает систему кондиционирования газа с возможностью повторного нагревания смолы в соответствии с дополнительным вариантом осуществления настоящего раскрытия.

Подробное описание

Вариант осуществления системы 10 кондиционирования газа в соответствии с настоящим раскрытием показан на Фиг.1. Система 10 кондиционирования газа скомпонована первоначально для очистки газа, полученного в способе газификации, или топливного газа, выработанного посредством способа внешнего пиролиза для того, чтобы производить топливный газ высокой чистоты, готовый к использованию в газовых двигателях или турбинах, или как прямой источник топлива или для других подходящих использований. Система 10 кондиционирования газа также подходит для очистки газа, полученного в способе газификации, или топливного газа, произведенного посредством других способов, как например, газификация угля, газификация биомассы или даже природного газа, регенерированного в нефтяной и газовой промышленности перед сжижением.

Как показано на Фиг. 1, система 10 кондиционирования газа содержит теплообменник 20 для предварительного нагревания или охлаждения входящего топливного газа, высокотемпературный фильтр для улавливания частиц (HTRF) 30 для фильтрования суспендированных частиц перед входом в модуль 40 конденсатора, где испаренные смолы и другие тяжелые углеводороды конденсируются и выделяются из топливного газа. Окончательно очищенный газ проходит через систему 90 очистки газа, чтобы удалять любые остающиеся примеси, которые не захвачены посредством HTRF 30 и модуля 40 конденсатора. Полученный газ, собранный на выходе системы 90 очистки газа, может быть в двигателях и генераторах на топливном газе непосредственно, или он может быть сжат или сжижен для хранения и транспортировки.

Модуль 40 конденсации масштабирован и содержит по меньшей мере одну установку 41 конденсации. Количество дополнительных установок 42-44, как показано в конкретном варианте осуществления по Фиг.1, может быть предусмотрено. Требуемое количество дополнительных установок, а также их размеры и условия работы, зависят от параметров способа и состояния входящего газа, то есть его пропускной способности и температуры, а также состава и концентрации смол.

Иллюстрированный пример на Фиг.1 характеризует модуль 40 конденсации, скомпонованный для извлечения смол из топливного газа, произведенного посредством реактора пиролиза/метанизации, содержащего метан, смолы, другие неконденсирующиеся углеводороды, CO, CO₂, H₂ и другие газообразные микрокомпоненты. Поток газа выходит из реактора пиролиза/метанизации при температуре приблизительно 800°С перед проходом через теплообменник 20 для охлаждения газа до приблизительно 550°С; температура на выходе значительно выше, чем точка конденсации испаренных смол, чтобы гарантировать, что большинство смол удерживается в газовой фазе. Температура на выходе теплообменника 20, однако, может быть отрегулирована в соответствии с точкой конденсации испаренных смол, что изменяется благодаря множеству факторов, как например, концентрация смол и давление способа.

Теплообменник 20 дополнительно содержит охладитель 22 для рассеивания любого отведенного тепла от проходящего горячего газа. Охладитель 22 подает поток холодильного агента в теплообменник 20, то есть охлаждающую воду, смесь гликоль/вода или воздух, или он может быть любым подходящим охладителем или газами. Теплообменник 20 может быть ребристым пластинчатым теплообменником, но он может быть любым теплообменником с непрямым контактом, известным специалисту в данной области техники, например, пластинчатыми теплообменниками и теплообменниками с перекрестным током. Для данного примера, внутренние стенки теплообменника, то есть канал газа, могут по желанию быть сконструированы из сплава с высоким содержанием никеля, чтобы дать возможность каталитического крекинга смол при заданной температуре, то есть в диапазоне от 550°С до 800°С. Сплав с высоким содержанием никеля может быть Inconel 617, Nickel Alloy 230 или любым другим содержащим никель сплавом с подходящими термическими, каталитическими и антикоррозионными свойствами.

Охлажденный газ, выходящий из теплообменника, в этом случае при приблизительной температуре 550°С, проходит через высокотемпературную фильтрационную установку 30 для улавливания частиц, чтобы удалять порошок, суспендированный в нем. HTRF представляет собой керамический фильтр, но он может быть любым подходящим фильтром, известным специалисту в данной области техники. Размер сита фильтра зависит от размера частиц и не должен вызывать значительный перепад давления. Фильтрационная установка 30, в сочетании с представленными в другом месте всеми трубопроводами/каналами в установке 10 кондиционирования газа, адекватно изолированы, чтобы свести к минимуму потери тепла и таким образом неконтролируемую конденсацию смол. Так как газ удерживается при температуре значительно выше точки конденсации смол, фильтрационная установка 30 предотвращена от извлечения любых смол на этой ступени. Фильтрационная установка 30 может содержать автоматизированную систему промывания обратным потоком, где нагретый получаемый газ вводится в вентилятор и перемещает любые захваченные частицы из фильтрационной установки 30 в точку выпадения парафина, указанная система обратного промывания представляет собой непрерывный способ, обычно используемый при высокотемпературной фильтрации. Автоматизированная система промывания обратным потоком может также содержать механический очиститель или любые другие механизмы, известные специалисту в данной области техники. Отфильтрованные частицы сразу удаляются в сборной точке 32 для удаления.

С момента выхода из HTRF отфильтрованный газ 34 входит в модуль 40 конденсатора, который в иллюстрированном примере на Фиг.1 состоит из четырех последовательно соединенных индивидуальных установок 41-44 конденсации. Указанные установки 41-44 конденсации могут быть точными копиями друг друга, или они могут быть иметь различные размеры в соответствии с условиями способа. Как обсуждено, смолы, произведенные посредством способа пиролиза, состоят из различных типов смол, из которых все имеют различные точки конденсации и вязкости, и, следовательно, обработка всех смол при равномерной температуре должна привести в результате к трудностям обработки. Эти последовательно соединенные установки конденсации имеют плавно понижающиеся температуры на выходе газа, таким образом вместе они последовательно охлаждают проходящий газ и дают возможность смесям смол со сходными точками конденсации и вязкостями потока конденсироваться и быть извлеченными из данной установки. Количество установок конденсации, требуемое в модуле 40 конденсатора, и температуры на выходе в каждой из установок конденсации зависят от количества факторов, например, пропускной способности газа, давления, коэффициентов теплопередачи в установках конденсации, а также состава и концентрации смол, которые в свою очередь относятся к пропускной способности и типу подаваемого материала, предназначенного для способа пиролиза выше по потоку. В этом конкретном примере, газ охлаждается от 550°С до 400°С в первой установке 41 конденсатора, от 400°С до 250°С во второй установке 42 конденсатора, от 250°С до 100°С в третьей установке 43 конденсатора и от 100°С до 60°С для конечной установки 44 конденсатора.

Используя установку 50 конденсации на Фиг.2(a)-(d), как пример, установки 41-44 конденсации могут быть вертикально смонтированными двойными шнековыми экструдерами, заключенными в охлаждающую рубашку 52. Однако, установка 50 конденсации может быть любым динамическим теплообменником с механическим скребковым средством для конденсированных смол, например, одним или многочисленными шнековыми экструдерами и теплообменниками с очищаемой поверхностью. При работе, газ входит в экструдер через вход 50а газа, где более низкая температура заставляет испаренные смолы конденсироваться и отлагаться на внутренних поверхностях цилиндра 54. Конденсированные смолы затем механически транспортируются к отверстию 58 извлечения на торце цилиндра 54 посредством скребков 56 шнека. Газ с по меньшей мере частью испаренных удаленных смол, входит в экструдер через выход 50b газа. Более того, вертикальная конфигурация также помогает стекать любым конденсированным смолам посредством гравитации. Конденсированные смолы могут поддерживаться в жидкой среде и дренирующем состоянии посредством регулирования температуры холодильного агента.

Установка 50 конденсации, как показано на Фиг.2(с) и 2(d), содержит два снабженных валом шнековых винта 56, где угол, шаг и скорость вращения определяются в соответствии с условиями способа, чтобы дать возможность достаточной площади контакта газ/стенка, а также турбулентности в потоке газа с тем, чтобы содействовать теплопередаче на охлаждающих стенках цилиндра, еще свести к минимуму сопротивление потока, которое иначе приведет к перепаду давления. В некоторых вариантах осуществления полый винтовой стержень и скребки применяются для циркуляции холодильного агента внутри; это сильно повышает площадь теплопередачи и, в результате, установка 50 конденсации может быть сконструирована при более компактном размере.

При работе, скребки шнека чистят стенки цилиндра, вытирая любые конденсированные смолы с поверхности стенок цилиндра, тем самым повышают эффективность теплопередачи. Под действием гравитации смолы транспортируются механически по направлению к отверстию 58 извлечения, размещенному в самой нижней точке установки 50 конденсации. В некоторых вариантах осуществления поверхность скребков шнека покрыта составленным антипригарным слоем, стабильным при соответствующей температуре способа с тем, чтобы любые конденсированные смолы могли стекать прямо из скребков шнека. Некоторые примеры составленного антипригарного покрытия представляют собой Тефлон, эмалевые покрытия, твердый хром или любой другой технический хромовый, керамический, полимерный композит, химический Никелевый/Полимерный композит, термический нанесенный/полимерный композит или любые другие покрытия, известные специалисту в данной области техники.

Альтернативно, модуль 40 конденсации может дополнительно содержать вертикально смонтированные теплообменники с очищающей поверхностью (SSHE), например, HRS Unicus Series SSHE, как показано на Фиг.3(a)-Фиг.3(d). Иллюстрированные примеры по существу представляют собой кожухотрубные теплообменники с внешним скребковым механизмом; они являются взаимозаменяемыми с экструдером, показанным на Фиг.2(a)-2(d), то есть последовательно соединенные установки 41-44 конденсации могут быть комбинацией SSHE и экструдеров 50. Он содержит охлаждающую рубашку 62, чтобы обеспечить регулирование температуры для по меньшей мере одной трубы 61 теплообменника; пример, показанный на Фиг.3(а) и 3(b) содержит многочисленные трубы 61, соединенные вместе, где равномерная температура охлаждения налагается на многие трубы 61. При использовании горячий газ охлаждается, и он проходит через трубу 61, в связи с чем испаренные смолы могут конденсироваться на внутренних поверхностях стенки трубы перед тем, как они стекают по направлению к отверстию 68 извлечения. По меньшей мере один скребок предусмотрен с целью удаления смол. Например, как показано на Фиг.3(d), скребок может быть плунжером кольцевой формы, движущимся взад и вперед возвратно-поступательно в осевом направлении, или он может быть механически транспортирующим средством, известным специалисту в данной области техники, как например, поршни и щетки. При работе, смолы, отлагающиеся на стенках трубы, вытираются посредством скребка, и вместе с потоком газа они стекают вниз через отверстие 67 плунжера, как показано на Фиг.3(d), в результате, свободные от смол стенки трубы могут затем обеспечить поверхность с улучшенным коэффициентом теплопередачи, следовательно, давая возможность большему количеству смол конденсироваться в данной установке. Вдобавок, движение взад и вперед скребков также возбуждает турбулентность в потоке газа, чтобы содействовать массо- и теплопередаче. В данном примере, как показано в динамике по Фиг.3(с), здесь имеются три соосных плунжера 66, представленных в одной трубе 61, приводимых в движение посредством общего вала; однако, количество плунжеров 66, которое должно быть установлено в одной трубе 61, зависит от условия способа и вязкостей смол. Более того, ход каждого из плунжеров 66 в возвратно-поступательном цикле, то есть дистанция конкретного плунжера 66, равен или более, чем разделение между двумя примыкающими плунжерами, чтобы гарантировать, что вся длина трубы 66 полностью очищена, как продемонстрировано в динамике по Фиг.3(с).

В случае SSHE, оборудованного множеством труб 61, как например показано на Фиг.3(а), входящий газ сначала разделяется на части перед подачей в каждую из индивидуальных труб, используя газовый манифольд. Более того, рычажный механизм может быть предусмотрен, чтобы механически соединять все валы в каждой из многочисленных труб 61 с тем, чтобы все плунжеры в SSHE двигались взад и вперед в синхронизации друг с другом.

Чтобы гарантировать эффективную чистку смол, плунжеры 66 в форме кольца находятся по существу в контакте со стенками трубы 61. Даже хотя конденсированные смолы могут действовать, как смазка, предполагается высокий уровень износа на контактных поверхностях между стенками труб и поршнями 66. Следовательно, указанные контактные поверхности по желанию покрываются теплопроводными износостойкими покрытиями, как например, нитридом бора, для улучшения долговечности и продолжения срока службы движущихся частей.

По желанию, охлаждающие рубашки 52, 62, показанные на Фиг.2(a)-(b) и Фиг.3(а) могут быть дополнительно разделены на различные регулируемые по температуре зоны 52a,b,c, 62a,b,c посредством перегораживания различных секций охлаждающей рубашки для циркуляции холодильного агента при различных температурах. Это осуществляет более реактивное и точное регулирование температуры вдоль длины цилиндра благодаря более узким пределам температуры в каждой из регулируемых по температуре зон; он также дает гибкость за счет колебаний в потоке газа и условий смол.

Точки извлечения жидкости могут быть обеспечены на конце каждой из регулируемых по температуре зон в одной установке конденсации; своевременное удаление смолы посредством регулирования температуры гарантирует, что любые конденсированные смолы не уменьшат вязкость вдоль цилиндра посредством немедленного удаления смол из способа охлаждения. Более того, использование SSHE 60 по Фиг.3(е) в качестве примера, но равно применимого к двойному шнековому экструдеру 50, включение множества отверстий 68а, 68b, 68с извлечения в одну установку конденсации, причем каждая имеет соответствующие регулируемые по температуре зоны 62а, 62b, 62с с индивидуальным регулированием охлаждения, исключает необходимость во множестве установок конденсации. Например, в случае, где пропускная способность газа понижается, кондиционирование газа может взамен быть выполнено с использованием только первой установки 41 конденсации, оборудованной вышеупомянутым множеством регулируемых по температуре зон и отверстий для извлечения жидкости; очищенный газ на выходе первой установки 41 конденсации может обходить последующие установки 42-44 конденсации и подаваться прямо в скруббер 90 ниже по потоку.

Каждая из установок 41-44 конденсации содержит сепаратор газ/жидкость для отделения любых унесенных капелек смолы из потока охлажденного газа. Сепаратор газ/жидкость, размещенный на выходе 50b, 60b газа представляет собой гравитационный сепаратор, но он может быть любым сепаратором газ/жидкость, известным специалисту в данной области техники, например, циклонный сепаратор и фильтры. Любые унесенные смолы, собранные в сепараторе газ/жидкость, объединяются с протекающими вниз смолами, удаленными посредством механического скребкового средства, то есть шнека 56 или скребка 66; вместе со смолами, стекающими в отверстие 58, 68 для извлечения, которое содержит регулирующее устройство потока жидкости для регулирования извлечения смол из установки 50, 60 конденсации. Например, если лужа смолы дает возможность накапливаться на дне установки 50, 60 конденсации, оно образует барьер природного газа для предотвращения утечки газа через отверстие 58, 68 для извлечения. Устройство для регулирования потока жидкости может быть обратными клапанами, вращающимися клапанами, поршневыми насосами, шнековыми экструдерами или любыми другими подходящими регулирующими устройствами потока, подходящими для обеспечения одностороннего прохода для уходящих смол и газонепроницаемого уплотнения, которые могут быть собраны для дополнительной обработки или для удаления.

Многочисленные установки конденсации, работающие при той же самой температуре холодильного агента, могут быть соединены параллельно для того, чтобы обрабатывать повышенную пропускную способность всего газа. Как таковая, площадь контакта газ/стенка для данного количества потока газа поддерживается. Например, как показано на Фиг.4(а) и Фиг.4(b), поток 34 отфильтрованного газа может быть разделен на несколько второстепенных потоков газа, используя систему 46 коллектора газа перед подачей указанных второстепенных потоков газа во множество первых установок 41 конденсации, которые параллельно соединены, охлажденный газ, выходящий из множества первых установок 41 конденсации, может сначала быть подан непосредственно в соединительные многочисленные вторые установки 42 конденсации, как показано на Фиг.4(а), или они могут быть воссоединены в буферном резервуаре 47 для балансирования давления перед подачей во множество вторых установок 42 конденсации через еще другие системы коллектора газа, как показано на Фиг.4(d). Аналогичные устройства могут быть обеспечены для третьих установок 43 конденсации и конечных установок 44 конденсации.

Так как температура охлаждения в конечной установке 44 конденсации может быть всего лишь температурой окружающей среды, или в некоторых случаях ниже, чем температура окружающей среды, предполагается, что большинство водяного пара будет конденсироваться вместе с любыми остающимися испаренными смолами. Следовательно по желанию, может быть предусмотрен датчик на выходе извлечения конечной установки 44 конденсации для контроля уровней влаги в конденсированных смолах. В зависимости от ее влагосодержания, извлеченные жидкости из конечной установки 44 конденсации могут быть размещены или обработаны отдельно от смол, извлеченных в предыдущих установках 41-43 конденсации.

Охлажденный газ на выходе из конечной установки 44 конденсации проходит в систему 90 очистки газа, чтобы удалить любые неконденсированные ароматические углеводороды, HCl, аммиак, H₂S или другие газообразные примеси. Система 90 очистки газа может содержать любой или комбинацию водяных скрубберов, масляных скрубберов, каустических скрубберов или других систем очистки газа, известных специалисту в данной области техники. Впоследствии, получаемый газ затем обезвоживается, используя осушитель или любое другое подходящее средство перед его сжатием и хранением, или он может быть использован непосредственно для пользователей топлива ниже по потоку, как например генераторы или двигатели.

Извлеченная смола имеет высокую теплотворную способность, которая может быть подвергнута крекингу или реформингу в другие формы топлива посредством дополнительного пиролиза, газификации, сжигания или должна быть использована, как получаемый продукт. Во втором варианте осуществления в соответствии с настоящим изобретением, как показано на Фиг.5, смолы, конденсированные в каждой из установок конденсации модуля 40 конденсации сливаются в термически разделенное на зоны транспортирующее средство 92, аналогичное установкам 41 конденсации, например, двойной шнековый экструдер 50 или SSHF 60 для того, чтобы нагревать и испарять конденсированные смолы для дальнейшей обработки. Термически разделенный на зоны двойной шнековый экструдер 92, как иллюстрировано на Фиг.5, содержит температурные зоны, каждая из которых соответствует установке 41-44 конденсации, например, температура постепенно возрастает от 92а до 92d. В иллюстрированном примере температуры в зоне 92а, 92b, 92с, 92d составляют 60°С, 100°С, 250°С, 400°С, соответственно, соответствуя температуре на выходе смол в каждой из соединительных установок конденсации. Поток транспортируемых смол следует за возрастающим градиентом температуры от 92а до 92d по направлению к конечной термически регулируемой зоне 93 и отверстию 94 для извлечения. Это гарантирует, что смолы, собранные в каждой из термически регулируемых зон находятся в жидком состоянии для транспортирования в последующие зоны; благодаря более высокой температуре в указанных последующих зонах они могут испаряться. Это будет давать возможность эффективного транспортирования смол, либо в жидкой, либо в газообразной фазе, до конечной термически регулируемой зоны 93, чтобы гарантировать, что все смолы испарены перед точкой 94 извлечения для дальнейшей обработки. В этом варианте осуществления дополнительная термически регулируемая зона 93 имеет температуру, регулируемую до 550°С, аналогично температуре отфильтрованного газа 34. Повторное нагревание конденсированных смол имеет много преимуществ. Например, как газ, поток смол может быть приведен в движение посредством одной разницы давления и сводит к минимуму трудности способа, с которыми можно иначе столкнуться при жидких смолах. Вдобавок, введение нагретой и испаренной смолы в реакционные камеры пиролиза и метанизации помогает стабильности способа, так как оно предотвращает чрезмерный перепад температур в указанных камерах. В некоторых вариантах осуществления часть топливного газа, выходящая перед способом пиролиза, то есть при температуре >800°С, может быть использована, как источник тепла в экструдере 92 для испарения конденсированной смолы; в связи с этим понижения холодопроизводительности теплообменника 20.

Более того, так как температура конденсации конечной установки 44 конденсации, в некоторых вариантах осуществления, может быть при температуре окружающей среды или ниже нее, большое количество водяного пара в газе может конденсироваться и быть слито вместе со смолами из конечной установки конденсации; в случаях, где проникновение воды является вредным, то есть способ сгорания, или измеренное влагосодержание является избыточным, поток конденсированных смол в конечной установке 44 конденсации может быть отброшен взамен подачи в термически разделенный на зоны двойной шнековый экструдер 92.

Изобретение описывает способ для извлечения конденсирующегося пара из подаваемого газа, содержащий стадии, на которых: i)охлаждают подаваемый газ на первой поверхности (41) конденсации, причем указанную первую поверхность конденсации регулируют по температуре до первой температуры для конденсации части конденсирующегося пара в подаваемом газе, так что подаваемый газ разделяют на предварительную конденсированную фракцию и технологический газ, причем удаляют предварительную конденсированную фракцию на первой поверхности конденсации с помощью механического скребкового средства (56, 66); и ii) охлаждают технологический газ на второй поверхности (42) конденсации, причем вторую поверхность конденсации регулируют по температуре до второй температуры для конденсации дополнительной части остающегося конденсирующегося пара в технологическом газе, так что технологический газ разделяют на последующую конденсированную фракцию и получаемый газ, причем удаляют последующую конденсированную фракцию на поверхности конденсации с помощью механического скребкового средства (56, 66); причем предварительная сконденсированная фракция имеет более высокую температуру точки конденсации, чем последующая конденсированная фракция; и причем предварительная конденсированная фракция имеет более высокую вязкость, чем последующая конденсированная фракция при любой заданной температуре ниже второй температуры, причем способ дополнительно содержит стадии, на которых: а) собирают удаленную последующую конденсированную фракцию на первом местоположении (92с), причем первое местоположение регулируют по температуре до второй температуры; и b) собирают удаленную предварительную конденсированную фракцию на втором местоположении, причем второе местоположение регулируют по температуре до первой температуры. Также раскрывается система (10) кондиционирования газа для извлечения конденсирующегося пара. Технический результат в получении очищенного газа за счет обеспечения улучшения производительности и надежности работы конденсатора за счет механической очистки поверхности конденсатора от накопления отложений (смолы) на поверхностях конденсации, благодаря их улучшенной текучести. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 13 ил.

1. Способ для извлечения конденсирующегося пара из подаваемого газа, содержащий стадии, на которых:

i) охлаждают подаваемый газ на первой поверхности (41) конденсации, причем указанную первую поверхность конденсации регулируют по температуре до первой температуры для конденсации части конденсирующегося пара в подаваемом газе, так что подаваемый газ разделяют на предварительную конденсированную фракцию и технологический газ, причем удаляют предварительную конденсированную фракцию на первой поверхности конденсации с помощью механического скребкового средства (56, 66); и

ii) охлаждают технологический газ на второй поверхности (42) конденсации, причем вторую поверхность конденсации регулируют по температуре до второй температуры для конденсации дополнительной части остающегося конденсирующегося пара в технологическом газе, так что технологический газ разделяют на последующую конденсированную фракцию и получаемый газ, причем удаляют последующую конденсированную фракцию на поверхности конденсации с помощью механического скребкового средства (56, 66);

причем предварительная сконденсированная фракция имеет более высокую температуру точки конденсации, чем последующая конденсированная фракция; и причем предварительная конденсированная фракция имеет более высокую вязкость, чем последующая конденсированная фракция при любой заданной температуре ниже второй температуры, причем способ дополнительно содержит стадии, на которых:

а) собирают удаленную последующую конденсированную фракцию на первом местоположении (92с), причем первое местоположение регулируют по температуре до второй температуры; и

b) собирают удаленную предварительную конденсированную фракцию на втором местоположении, причем второе местоположение регулируют по температуре до первой температуры.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий стадии, на которых:

a) после сбора удаленной последующей конденсированной фракции на первом местоположении (92с) транспортируют последующую конденсированную фракцию механически от первого местоположения до второго местоположения, так что последующая конденсированная фракция нагревается и/или испаряется на втором местоположении для образования нагретой последующей фракции;

b) после сбора удаленной предварительной конденсированной фракции и образования нагретой последующей фракции на втором местоположении транспортируют предварительную конденсированную фракцию и нагретую последующую фракцию механически от второго местоположения до третьего местоположения (93), причем третье местоположение регулируют по температуре до температуры выше, чем первая температура для нагревания и/или испарения нагретой последующей фракции и предварительной конденсированной фракции, для образования концентрированного конденсирующегося пара; и

с) извлекают концентрированный конденсирующийся пар из третьего местоположения.

3. Способ по п. 1 или 2, в котором подаваемый газ представляет собой продукт газификации угля или пиролиза углеродистого сырья; и причем конденсирующийся пар содержит углеводород, который имеет негазовую фазу при стандартных температуре окружающей среды 25°С и давлении 1 атм.

4. Способ по п. 3, в котором подаваемый газ содержит метан и в котором конденсирующийся пар содержит смолы.

5. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий стадию регулирования температуры подаваемого газа при помощи теплообменника (20) подаваемого газа перед стадией охлаждения подаваемого газа; причем подаваемый газ перед первой стадией охлаждения по существу свободен от по меньшей мере одной конденсированной фракции.

6. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий стадию фильтрования подаваемого газа при помощи фильтра (30) перед стадией охлаждения указанного подаваемого газа.

7. Способ по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий стадию очистки получаемого газа при помощи скруббера, причем очищенный получаемый газ по существу сушат с использованием устройства осушки газа.

8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором стадию ii) повторяют на дополнительных поверхностях (43, 44) конденсации, используя получаемый газ предшествующей стадии, как нагнетаемый газ, и сбор конденсированных фракций на регулируемых по температуре местоположениях повторяют на дополнительных местоположениях, используя конденсированную фракцию с дополнительных поверхностей конденсации и/или нагретую конденсированную фракцию предыдущей стадии, как подаваемый материал.

9. Система (10) кондиционирования газа для выполнения способа по любому из предшествующих пунктов, содержащая по меньшей мере одну установку (40) конденсации, первое местоположение (92с) и второе местоположение (92d); причем установка конденсации содержит первую поверхность (41) конденсации, механическое скребковое средство для удаления конденсированных фракций с первой поверхности (56, 66) конденсации, вторую поверхность (42) конденсации и механическое скребковое средство для удаления конденсированных фракций со второй поверхности конденсации; причем каждая из первой поверхности конденсации и второй поверхности конденсации индивидуально регулируются по температуре; причем первая поверхность конденсации соединена со вторым местоположением и вторая поверхность конденсации соединена с первым местоположением.

10. Система (10) кондиционирования газа по п. 9, в которой термически регулируемое транспортирующее средство (92) предусмотрено для нагревания и/или испарения предварительной конденсированной фракции и последующей конденсированной фракции, удаленной из по меньшей мере одной установки конденсации, чтобы образовать концентрированный конденсирующийся пар, причем термически регулируемое транспортирующее средство представляет собой нагревательный экструдер или теплообменник с нагревательной очищаемой поверхностью, причем термически регулируемое транспортирующее средство содержит первое местоположение (92с), второе местоположение (92d) и третье местоположение (93) для нагревания и испарения конденсированной фракции, удаленной из по меньшей мере одной установки конденсации; причем первое местоположение, второе местоположение и третье местоположение последовательно соединены друг с другом; и причем температура возрастает постепенно от первого местоположения до третьего местоположения.

11. Система (10) кондиционирования газа по п. 9 или 10, содержащая по меньшей мере две установки конденсации (41, 42), причем по меньшей мере две установки конденсации содержат первую установку конденсации, как первую поверхность (41) конденсации, и вторую установку конденсации, как вторую поверхность (42) конденсации.

12. Система (10) кондиционирования газа по п. 11, в которой по меньшей мере две установки (41, 42) конденсации последовательно соединены; и причем каждая из по меньшей мере двух установок конденсации индивидуально регулируется по температуре.

13. Система (10) кондиционирования газа по любому из пп. 9-12, в которой установка (40) конденсации представляет собой экструдер, содержащий механическое скребковое средство (56, 66) для транспортирования и удаления предварительной конденсированной фракции и последующей конденсированной фракции с поверхности (41, 42) конденсации.

14. Система (10) кондиционирования газа по п. 13, в которой механическое скребковое средство представляет собой спиральные шнеки(56); причем указанный экструдер содержит нагревающие/охлаждающие рубашки (52), чтобы обеспечить регулирование температуры.

15. Система (10) кондиционирования газа по п. 14, в которой спиральные шнеки (56) содержат не прилипающее покрытие для эффективного выпуска предварительной конденсированной фракции и последующей конденсированной фракции из спиральных шнеков.

16. Система (10) кондиционирования газа по любому из пп. 9-12, в которой установка (40) конденсации представляет собой теплообменник (60) с очищенной поверхностью, содержащий механическое скребковое средство (56, 66) для транспортирования и удаления предварительной конденсированной фракции и последующей конденсированной фракции с поверхности (41) конденсации.

17. Система (10) кондиционирования газа по п. 16, в которой механическое скребковое средство (56, 66) содержит один или более поршень (66) или скребок (56); причем теплообменник (60) с очищенной поверхностью содержит цилиндр, заключенный в нагревающие/охлаждающие рубашки (62), чтобы обеспечить регулирование температуры.

18. Система (10) кондиционирования газа по п. 17, в которой контактные поверхности между одним или более поршнем (66) или скребком (56) и цилиндром, содержащие износостойкое покрытие для защиты указанной контактной поверхности.

19. Система (10) кондиционирования газа по п. 18, в которой износостойкое покрытие представляет собой нитрид бора.

20. Система (10) кондиционирования газа по любому из пп. 9-19, в которой установка (40) конденсации содержит разделительное средство газ/жидкость для отделения любой конденсированной фракции от газа.