способ переработки твердого углеродсодержащего топлива

Формула изобретения

1. Способ переработки твердого углеродсодержащего топлива, включающий стадию газификации твердого топлива в присутствии газифицирующего агента с получением горючего газа и стадию сжигания топлива в потоке окислителя, отличающийся тем, что твердое топливо вначале подвергают термоочистке от соединений серы и азота путем подачи кислорода и горючего газа со стадии газификации в количествах, необходимых для полного окисления соединений серы и азота и стабилизации заданного температурного режима очистки, с последующим отводом отходящего газа со стадии термоочистки на дальнейшую переработку в серную и азотную кислоты, затем очищенное твердое топливо распределяют на три потока X, Y и Z и подают на переработку соответственно: X - на стадию газификации, которую осуществляют с использованием в качестве газифицирующего агента дымовых газов , отводимых со стадии сжигания топлива, и кислорода, подаваемого для стабилизации заданного температурного режима газификации, Y - на стадию сжигания с использованием в качестве окислителя кислорода и Z - дополнительно на стадию парокислородной газификации, причем соотношением вырабатываемых количеств тепла на стадии сжигания, горючего газа на стадии газификации дымовыми газами и синтез-газа на стадии парокислородной газификации управляют путем распределения топлива между стадиями переработки и отводом дымовых газов согласно формулам

X = KY и Z = 1 - (1+K)Y,

где - дымовые газы, отводимые со стадии сжигания топлива и подаваемые на стадию газификации;

K = (4 q₁ + 3 q₂)/(3 q₂) - константа;

q₁ и q₂ - тепловые эффекты реакций соответственно конверсии диоксида углерода и окисления углерода до оксида углерода, кДж/кмоль, при этом 0 < Y < 1/(1+K) и 0 < 1.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стадии газификации топлива дымовыми газами подачу топлива и кислорода на массовую единицу перерабатываемых дымовых газов осуществляют согласно формулам





где удельный расход соответственно топлива и кислорода на массовую единицу перерабатываемых дымовых газов;

q₁, q₂ - тепловые эффекты реакций соответственно конверсии диоксида углерода и окисления углерода до оксида углерода, кДж/кмоль.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что на стадии парокислородной газификации подачу водяного пара G_п и кислорода G_к в дутье и топлива G_т осуществляют согласно массовым соотношениям

G_п/G_к < 9 q₂/(16 q₃);

G_т/G_п (2 q₂ + 4 q₃)/(3 q₂),

где q₂, q₃ - тепловые эффекты реакций соответственно окисления углерода до оксида углерода и конверсии водяного пара, кДж/кмоль.

4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что остатки топлива со стадий газификации подают на стадию сжигания.

5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что отходящий газ со стадии термоочистки перерабатывают в серную и азотную кислоты контактно-нитрозным методом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к комплексной переработке твердого углеродсодержащего топлива и может быть использовано в энергетике и химической промышленности.

Известен способ переработки углеродсодержащего топлива путем его частичного сжигания в псевдоожиженном или стационарном слое в потоке окислителя - кислорода, воздуха или иного кислородсодержащего агента при температуре 700^oC и давлении 1-120 бар с последующим охлаждением неочищенного газа до 100 - 150^oC в охладителе с псевдоожиженным слоем с помощью добавочного твердого топлива, за счет чего достигается уменьшение загрязнения и шлаковования аппаратуры [1].

По такому способу получают тепловую энергию. Однако твердое топливо может быть источником не только тепла, но также окиси углерода, синтез-газа и другой химической продукции.

Известен способ переработки твердого топлива, предусматривающий сероочистку горючих газов, выводимых из устройства для газификации топлива - угля, путем их контакта со слоем зернистого адсорбента, состоящего из феррита цинка и/или оксида железа, с последующей регенерацией адсорбента [2].

Известен также способ переработки твердого топлива путем введения на стадии сжигания серусодержащего топлива мелкодисперсной извести, которая нейтрализует образующиеся в процессе горения топлива серную, соляную и азотную кислоты. В атмосферу отходящие газы поступают после обработки их при температуре ниже точки росы для этих кислот [3].

К недостаткам известных способов следует отнести необходимость использования адсорбентов, дополнительные стадии их регенерации.

Наиболее близким техническим решением рассматриваемой задачи является способ переработки твердого углеродсодержащего топлива, включающий двухстадийную переработку - стадию газификации твердого топлива в присутствии газифицирующего агента - воздуха с получением горючего газа и в присутствии газифицирующего агента - воздуха с получением горючего газа и твердых остатков топлива и стадию сжигания последних в котельном агрегате в потоке окислителя, в качестве которого используют воздух, причем горючий газ смешивают с теплоносителем на выходе из поверхностей нагрева, сжигают полученную смесь и направляют полученные продукты сгорания потребителю [4].

Однако область применения данного способа ограничена переработкой топлив с низким содержанием серы и азота либо вовсе свободных от них.

Общий недостаток известных способов заключается в том, что они не обеспечивают комплексной переработки твердого углеродсодержащего топлива и получения одновременно не только тепла, но также химической продукции - окиси углерода (горючего газа), синтез-газа, а также отходящих газов, пригодных для выработки серной и азотной кислот.

Задачей предлагаемого технического решения является комплексная переработки твердого углеродсодержащего топлива, в том числе серу- и азотсодержащего топлива.

Для достижения поставленной задачи предложен настоящий способ переработки твердого углеродсодержащего топлива, включающий стадию термоочистки топлива от соединений серы и азота с последующей переработкой отходящего газа, стадию газификации очищенного топлива газифицирующим агентом - дымовыми газами и кислородом для получения горючего газа, стадию парокислородной газификации очищенного топлива для получения синтез-газа и стадию сжигания очищенного топлива и твердых остатков топлива со стадий газификации в потоке окислителя в котельном агрегате для выработки тепла. Твердое топливо вначале подвергают термоочистке от соединений серы и азота путем подачи кислорода и горючего газа, подаваемого со стадии газификации топлива дымовыми газами, в количествах, необходимых для полного окисления соединений серы и азота и стабилизации заданного температурного режима очистки, отходящий газ со стадии термоочистки направляют на дальнейшую переработку в серную и азотную кислоты, затем очищенное твердое топливо распределяют на три потока x, y и z и подают соответственно: x - на стадию газификации, которую осуществляют с использованием в качестве газифицирующего агента дымовых газов , отводимых со стадии сжигания топлива, и кислорода, подаваемого для стабилизации заданного температурного режима газификации, y - на стадию сжигания с использованием в качестве окислителя кислорода и z - дополнительно на стадию парокислородной газификации, причем соотношением вырабатываемых количеств тепла на стадии сжигания, горючего газа на стадии газификации дымовыми газами и синтез-газа на стадии парокислородной газификации управляют путем распределения топлива между стадиями переработки и отводом дымовых газов согласно следующим формулам:

x = Ky и z = 1-(1+K)y,

где

- дымовые газы, отводимые со стадии сжигания топлива и подаваемые на стадию газификации; K = (4q₁+3q₂)/(3q₂) - константа, q₁ и q₂ -тепловые эффекты реакций соответственно конверсии диоксида углерода и окисления углерода до оксида углерода, кДж/кмоль, при этом:

0 < y < 1/(1+K) и 0 < 1.

На стадии газификации топлива дымовыми газами подачу топлива и кислорода т на массовую единицу перерабатываемых дымовых газов осуществляют согласно следующим формулам:



где

- удельный расход соответственно топлива и кислорода на массовую единицу перерабатываемых дымовых газов; q₁, q₂ - тепловые эффекты реакций соответственно конверсии диоксида углерода и окисления углерода до оксида углерода, кДж/кмоль. На стадии парокислородной газификации подачу водяного пара G_п и кислорода G_к в дутье и топлива G_т осуществляют согласно следующим массовым соотношениям:

G_п/G_к < 9q₂/(16q₃);

G_т/G_п(2q₂+4q₃)/ (3q₂),

где

q₃ - тепловой эффект реакции конверсии водяного пара, кДж/кмоль.

Остатки топлива со стадий газификации подают на стадию сжигания. Способ предусматривает переработку отходящих газов со стадии термоочистки в серную и азотную кислоты, предпочтительно контактно-нитрозным методом.

Отличительными признаками настоящего способа являются:

введение стадий термоочистки и парокислородной газификации в процесс комплексной переработки твердого углеродсодержащего топлива;

осуществление стадии термоочистки топлива от соединений серы и азота путем подачи кислорода и горючего газа со стадии газификации в количествах, необходимых для полного окисления соединений серы и азота и стабилизации заданного температурного режима очистки;

переработка отходящих газов стадии термоочистки в серную и азотную кислоты, предпочтительно контактно-интрозным методом;

управление соотношением вырабатываемых количеств тепла на стадии сжигания, горючего газа на стадии газификации дымовыми газами и синтез-газа на стадии парокислородной газификации путем распределения топлива между стадиями переработки и отводом дымовых газов, согласно приведенным выше формулам;

проведение стадий газификации при определенных выше условиях подачи топлива, кислорода на массовую единицу перерабатываемых дымовых газов и массовом соотношении водяного пара, кислорода в дутье и топлива;

возможность переработки остатков топлива со стадий газификации на стадии сжигания.

Эти признаки придают предлагаемому способу следующие свойства: комплексность переработки исходного топлива; возможность варьирования в широком диапазоне соотношением тепла и химической продукции, вырабатываемых в процессе комплексной переработки топлива и простота управления этим соотношением; использование процесса газификации по разному назначению; для конверсии диоксида углерода и для конверсии водяного пара, что повышает глубину комбинированной переработки топлива; гибкость и маневренность комбинированной и комплексной технологии переработки топлива; автономность и простота управления стадией парокислородной газификации; сохранение постоянным в ходе эксплуатации энергетического КПД котельного агрегата; повышение экологической безопасности.

На чертеже приведена установка для реализации предлагаемого способа.

Установка содержит аппарат 1 термической очистки твердого углеродсодержащего топлива, газификаторы 2 и 3, топку 4 котельного агрегата для сжигания твердого топлива.

Способ осуществляют следующим образом.

Измельченное твердое топливо подают в аппарат 1. Сюда подают также кислород. В аппарате 1 содержащиеся в исходном топливе соединения серы и азота окисляют, образуются окислы серы и азота. Качество очистки угля от вредных соединений путем их окисления зависит от количества кислорода и температуры в аппарате 1. Эти параметры влияют на интенсивность окисления соединений серы и азота и полноту исчерпания этих соединений. Хотя процесс окисления соединений серы и азота экзотермической, однако в общем случае реакционного тепла недостаточно для поддержания в аппарате заданного температурного режима, поэтому в аппарат 1 с выхода газификатора 2 подают часть горючего газа. При этом происходит реакция окисления оксида углерода кислородом, протекающая с значительным тепловыделением.

Таким образом кислород в аппарате 1 расходуют на окисление соединений серы и азота, содержащихся в исходном топливе, и на окисление оксида углерода. Подачу горючего газа и кислорода осуществляют в зависимости от заданного уровня температурного режима и требуемой степени очистки топлива от соединений серы и азота. Заданное значение температуры устанавливают исходя из требуемой степени очистки и скорости проведения процесса. Минимальной температурой, при которой протекают процесс очистки, является 400^oC.

Отходящей из аппарата 1 газ представляет собой смесь диоксида серы, окислов азота, диоксида углерода и паров воды. Эту смесь подают на дальнейшую переработку, где из нее получают серную и азотную кислоты. Переработку отходящего газа ведут предпочтительно контактно-нитрозным методом.

Термоочистка исходного топлива в сочетании с переработкой отходящих газов обеспечивает получение целевой продукции из минеральной составляющей исходного топлива. Поэтому предлагаемый способ характеризуется более полным использованием сырья, что придает ему новое свойство - комплексность переработки.

С выхода аппарата 1 очищенное топливо разделяют на три потока x, y и z и подают соответственно: x - на стадию газификации 2, которую осуществляют с использованием в качестве газифицирующего агента дымовых газов , отводимых со стадии сжигания топлива, и кислорода, подаваемого для стабилизации заданного температурного режима газификации, z - на стадию парокислородной газификации 3, y - на стадию сжигания в топку 4 котельного агрегата.

В газификаторе 2 в среде очищенного топлива осуществляют конверсию диоксида углерода дымовых газов в оксид углерода по уравнению

CO₂ + C = 2CO - q₁.

где

q₁ - тепловой эффект реакции конверсии диоксида углерода, кДж/кмоль.

Тепла, подводимого извне в газификатор 2 с дымовыми газами и топливом, в общем случае недостаточно для поддержания требуемой температуры процесса. Поэтому в аппарат подают еще кислород и за счет тепловыделения реакции окисления части углерода топлива, протекающей в условиях дефицита окислителя по уравнению

2C + Q₂ = 2CO + q₂,

стабилизируют температурный режим в газификаторе, где q₂ - тепловой эффект, кДж/кмоль. Такой прием обеспечивает проведение процесса конверсии диоксида углерода в автотермическом режиме.

При избыточной подаче дымовых газов в газификатор получаемый на выходе аппарата горючий газ содержит балласт - невосстановленный диоксид углерода. Для получения чистого горючего газа путем полного восстановления подаваемых в газификатор 2 дымовых газов и проведения процесса в режиме компенсации эндотермического эффекта реакции (1) необходимо соблюдение соотношения расходов топлива, кислорода и дымовых газов. Подачу топлива , кислорода на массовую единицу перерабатываемых дымовых газов на стадии газификации ведут согласно следующим условиям:



В газификаторе 3 в атмосфере парокислородного дутья наряду с реакцией (2) имеет место реакция конверсии водяного пара

C + H₂O = CO + H₂ - q₃,

где q₃ - тепловой эффект конверсии водяного пара, кДж/кмоль.

В газификаторе 3 возможно протекание также следующей реакции

CO + H₂O = CO₂ + H₂ - q₄,

где q₄ - тепловой эффект конверсии оксида углерода, кДж/кмоль.

Скорость реакции (3) восстановления водяного пара пропорциональна температуре в зоне газификации. В то же время скорость реакции (4) уменьшается с ростом температуры. Оптимальной температурой для конверсии оксида углерода является область 400 - 500^oC. Поэтому в аппарате поддерживают более высокую температуру.

Стремление к полной конверсии водяного пара и получению синтез-газа без примесей диоксида углерода ведет к подъему температуры в газификаторе 3. Этого можно добиться за счет тепла, подводимого в аппарат с дутьем и топливом, а также тепла реакции (2). В общем случае тепла извне может быть недостаточно для проведения процесса в заданном температурном режиме. Поэтому кислород является фактором, с помощью которого за счет реакции (2) стабилизируют автотермический режим процесса.

Вместе с тем содержание кислорода в дутье согласно реакции (2) влияет не только на температуру в зоне газификации, но также на количество получаемого здесь оксида углерода, а следовательно на соотношение водорода и оксида углерода в продуктовом газе. Поэтому изменением количества кислорода в дутье можно управлять как температурой в зоне реакции, так и составом синтез-газа.

Диапазон варьирования подачи кислорода ограничен рамками осуществления газификации в автотермическом режиме. Данное обстоятельство накладывает ограничение на массовое соотношение водяного пара G_п и кислорода G_п, и топлива G_т на стадии парокислородной газификации, которое соответствует следующим условиям:

G_п/G_к<9q₂/(16q₃);

G_т/G_п(2q₂ + 4q₃)/(3q₂)

Результат газификации зависит от времени контактирования твердой и газовой фаз, состава газифицирующего дутья, а также температурного режима. В ходе эксплуатации любой из этих факторов может стать причиной неполного превращения углерода в газификаторе. Данное обстоятельство учтено в предлагаемом способе тем, что остаток непереработанного топлива с выхода газификаторов 2 и 3 направляют (пунктирные линии на фиг. 1) на дожигание в топку котельного агрегата.

В топке 4 котельного агрегата для окисления углерода горючей массы - топлива, подаваемого из аппарата 1, и остатков топлива из газификаторов 2 и 3 используют кислород, подачу которого определяют из условия полного выгорания топлива. Полученное в топке тепло используют в котельном агрегате для производства пара.

Дымовой газ, отводимый из котельного агрегата, представляет собой диоксид углерода. Часть дымовых газов используют на стадии газификации, а остальное количество дымовых газов выводят в атмосферу на выхлоп.

В котельных агрегатах, работающих на твердом топливе, происходит загрязнение экранов и конвективных поверхностей сульфатными отложениями. Это ведет к тому, что в ходе эксплуатации падает эффективность теплообмена и снижается энергетический КПД. В предлагаемом способе в топку котла подают сухое и очищенное от соединений серы топливо. Поэтому в атмосфере котла отсутствуют пары воды и окислы серы. Такой прием исключает условия образования сульфатотложений на поверхности теплообменной аппаратуры. Следствием является сохранение высокой эффективности теплообмена и постоянство энергетического КПД котельного агрегата.

В предлагаемом способе твердое топливо перерабатывается в тепловую энергию и одновременно получают синтез-газ - ценное химическое сырье, а также горючий газ. Количество получаемого тепла на стадии сжигания, горючего газа на стадии газификации и синтез-газа на стадии парокислородной газификации зависит от количества топлива, перерабатываемого на каждой из стадий процесса. Управляют выработкой продукции путем распределения очищенного топлива между стадиями процесса. Такой прием обеспечивает возможность варьирования в широком диапазоне соотношением видов продукции процесса комплексной переработки топлива. Сущность этого варьирования заключается в перераспределении потенциала исходного топлива между вырабатываемым теплом и продуктовыми газами.

Распределяют топливо в соответствии с условием

x + y + z = 1,

где x, y, z - доля топлива, подаваемого соответственно на стадии 2, 4 и 3. Согласно вышеприведенному условию возможно варьирование этих величин. Между тем стадии сжигания и газификации связаны. Это необходимо учитывать при получении в газификаторе 2 чистого горючего газа. Другими словами величины x и y не могут варьироваться независимо. Они взаимосвязаны через дымовые газы, подаваемые из котельного агрегата в газификатор. Поэтому управляют соотношением вырабатываемых количеств тепла, горючего газа и синтез-газа путем изменения расхода дымовых газов в газификатор 2 и топлива в топку 4 котельного агрегата. Остальные потоки топлива x и z определяют из следующих формул:



где K = (4q₁ + 3q₂)/(3q₂) - константа; - дымовые газы, подаваемые в газификатор. Диапазоны допустимого изменения величин y и , определяющих распределение очищенного топлива между стадиями переработки, следующие:

.

В табл. 1 приведены данные, иллюстрирующие широкие возможности распределения топлива между стадиями переработки. Данные получены для величины K = 2,072, рассчитанной по следующим значениям тепловых эффектов реакций: q₁ = 175699 кДж/кмоль; q₂ = 218907 кДж/кмоль [5].

Важным свойством, присущим многопродуктовому способу переработки топлива, является простота аккумулирования вырабатываемой продукции путем накопления горючего газа и синтез-газа в газгольдерах. Данное свойство в совокупности с возможностью управления соотношением видов вырабатываемой продукции придают предлагаемому способу гибкость и маневренность.

Пример. Исходное топливо - 100 кг угля, содержащего, мас.%: углерода 91, воды 5, серы 3 и азота 1, предварительно осушают, а далее 95 кг сухого угля подают в аппарат 1. Сюда подают 11,8 кг кислорода, а также с выхода газификатора 2 3,93 кг горючего газа. Термоочистку ведут при температуре 500^oC.

С выхода аппарата 1 газ, содержащий следующие компоненты, кг: диоксид углерода 6,16, диоксид серы 6,0, оксиды азота 3,28, водяные пары 5, направляют на стадию переработки, где из окислов серы и азота получают серную и азотную кислоты.

Очищенный уголь в количестве 91 кг разделяют на три потока x, z, y и подают их на переработку соответственно в аппараты 2, 3 и 4. Газификацию угля в аппарате 2 ведут при температуре 900^oC, а сжигание угля в топке 4 парового котла - при температуре 1200^oC. Дымовые газы на выходе котла имеют температуру 500^oC. Тепло выводимых с установки дымовых газов, синтез-газа и горючего газа используют для нагрева исходных реагентов до температуры 200^oC (теплообменная аппаратура на схеме не показана).

В нижеследующих таблицах приведены данные распределения топлива по стадиям переработки (табл. 1), данные материального и теплового балансов и показатели процессов для установки (табл. 2), а также для газификаторов 2 и 3 (табл. 3 и 4).

Расчет материального и теплового балансов газификаторов и топки котла приведен для разных вариантов распределения очищенного угля между стадиями его переработки и отвода дымовых газов. В частности приведены варианты расчетов 1 и 3, 6 и 8, 10 и 12 из табл. 1. Полученные в результате расчетов данные сведены в табл. 2, а также приведены в табл. 3 и 4. Последние по сравнению с табл. 2 дополнительно содержат показатели, которые характеризуют стадии переработки топлива.

Для табл. 1 и 2 имеет место различие в значениях величин x и z. Так, в табл. 1 для варианта 3 эти величины таковы: x = 0,4144; z = 0,3856. В табл. 3 и 4 этому случаю соответствуют следующие значения: x = 0,5823; z = 0,2187. Такое расхождение величин обусловлено тем, что в примере при расчете процессов для каждого аппарата учтено тепло входных и выходных потоков. В то же время распределение топлива для табл. 1 получено без учета этого тепла.

Как следует из анализа данных табл. 2 изменение дымовых газов, отводимых с выхода котельного агрегата в газификатор 2, и перераспределение топлива между аппаратами установки существенно влияет на результаты переработки топлива. Эффективность воздействия распределения топлива между стадиями процесса на соотношение компонентов вырабатываемой продукции характеризуют опыты, полученные при фиксированном значении . Например, в опыте 1 при = 1 выработка тепла в котельном агрегате для производства пара наименьшая и равна 147,76 МДж. Этот показатель возрастает при том же значении за счет изменения нагрузки на аппараты 3 и 4. Так в опыте 3 количество топлива, подаваемого в аппарат 4, увеличено до 18,2 кг. В итоге количество тепла на выработку пара возросло до 591,05 МДж. Одновременно количество синтез-газа уменьшилось с 175,5 кг до 47,53 кг.

Варьирование величиной влияет также на перераспределение количеств вырабатываемого газа. В опыте 6 величина = 0,5. В аппарате 4 сжигают 18,2 кг угля, а в аппаратах 2 и 3 подвергают газификации соответственно 26,5 кг и 46,31 кг угля. На выходе установки получают 79,13 кг горючего газа и 94,68 кг синтез-газа. В опыте 10 при той же нагрузке на топку котла и = 0,1 распределение топлива между газификаторами 2 и 3 таково, что количество горючего газа уменьшилось до 12,61 кг, а выработка синтез-газа наоборот возросла до 161,75 кг.

Наибольшее количество тепла на выработку пара получено в опыте 12 - 2068,6 МДж. Однако здесь выхлоп дымовых газов в атмосферу наибольший из всех опытов и составляет 210,21 кг. В опытах 1 и 3 выхлоп вовсе отсутствует.

Удельные расходы топлива и кислорода, подаваемых в газификатор 2 на массовую единицу перерабатываемых дымовых газов, не должны быть ниже пороговых величин, определенных условиями:



Значения этих пороговых величин согласно расчету равны 0,565 и 0,389. Как следует из табл. 3, во всех опытах эти условия строго соблюдаются.

Влияние состава парокислородного дутья на процесс газификации в аппарате 3 раскрывают данные, содержащиеся в табл. 4. От соотношения компонентов в дутье зависит состав получаемого синтез-газа и температура в аппарате. Наиболее наглядно это следует из данных опытов 12 - 1...12 - 3, большему содержанию кислорода в дутье соответствует более высокая температура в газификаторе. При этом содержание водорода в получаемом синтез-газе наоборот падает. В этих опытах нагрузка на аппарат по углю неизменна, что позволяет судить о чувствительности состава получаемого синтез-газа к содержанию кислорода в парокислородном дутье.

Во всех опытах табл. 4 массовое соотношение водяного пара G_п и кислорода G_к в дутье не превосходит порогового значения, определяемого условием

G_п/G_к<9q₂/(16q₃),

и составляет 0,928 (при q₃ = 132680 кДж/кмоль [5]). В то же время массовое соотношение топлива G_т к водяному пару G_п в дутье не ниже порогового значения, определяемого условием

G_т/G_п(2q₂ + 4q₃)/(3q₂)

и составляет 1,4748. Как следует из табл. 4, во всех опытах эти условия строго соблюдаются.