система производства целевого газа, устройство для извлечения тепла и удаления кислого газа на ее основе и способ получения целевого газа

Формула изобретения

1. Система производства целевого газа, содержащая реактор газификатора, имеющий по крайней мере один псевдоожиженный слой, расположенный в нем, с входным отверстием и выходным отверстием, средство нагрева по крайней мере одного псевдоожиженного слоя в указанном реакторе газификатора до определенной температуры, обеспечивающее струю нагретой жидкотекущей среды для ожижения слоя, поступающую через входное отверстие реактора газификатора, средство для введения остаточных отходов в виде черного щелока в указанный реактор газификатора для получения струи целевого газа, пылесборник, расположенный за указанным реактором газификатора для удаления пыли из струи целевого газа, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит конденсирующий теплообменник для извлечения тепла из целевого газа и удаления из него кислого газа с макрочастицами для очистки целевого газа и рециркулируемых химических веществ от компонента.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанное средство нагрева содержит нагреватель, предназначенный для подачи нагретой жидкотекучей среды в камеру указанного реактора газификатора.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что указанный нагреватель также содержит паро/воздушный нагреватель, отапливаемый очищенным целевым газом, причем на указанный паро/воздушный нагреватель поступает подогретый воздух для сгорания и ожижения паром.

4. Система по п.3, отличающаяся тем, что далее содержит средство утилизации отработанного тепла для извлечения тепла из рабочего газа указанного паро/воздушного нагревателя.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что указанное средство нагрева содержит второй псевдоожиженный слой, расположенный ниже указанного первого псевдоожиженного слоя внутри указанного газификатора для подачи в него нагретой ожижающей среды.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что также содержит по крайней мере один теплообменник, расположенный во втором псевдоожиженном слое для косвенного нагрева псевдоожиженного слоя.

7. Система по п.5, отличающаяся тем, что также содержит по крайней мере один теплообменник, расположенный в первом псевдоожиженном слое для косвенного нагрева псевдоожиженного слоя.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что псевдоожиженный слой имеет рабочую температуру от 800 до 1400^oF.

9. Система по п.1, отличающаяся тем, что псевдоожиженный слой имеет рабочую температуру предпочтительно от 1000 до 1250^oF.

10. Система по п.5, отличающаяся тем, что элемент, выбранный из группы, состоящей из кислорода, зловонного газа, воздуха, пара или их смеси, подается во второй псевдоожижающий слой.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что далее содержит средство для создания определенного повышенного давления в системе свыше одной атмосферы.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что указанное средство создания повышенного давления включает резервуар повышенного давления, окружающий систему.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что также содержит средство для создания повышенного давления для чистого целевого газа для прямого сожжения в турбине.

14. Система по п.1, отличающаяся тем, что псевдоожиженный слой включает материал, выбранный из группы, состоящей из солей натрия, карбоната натрия, солей калия, карбоната калия, солей кальция, карбоната кальция и их смеси.

15. Система по п.1, отличающаяся тем, что также содержит средство извлечения тепла, расположенное за указанным пылесборником для извлечения тепла из целевого газа.

16. Система по п.1, отличающаяся тем, что также содержит средство извлечения тепла, расположенное за указанным реактором газификатора и до указанного пылесборника для извлечения тепла из целевого газа.

17. Система по п.1, отличающаяся тем, что далее содержит средство подогрева целевого газа для транспортировки и сожжения.

18. Способ получения целевого газа, включающий стадии: введение остаточных отходов в виде черного щелока в псевдоожиженный слой реактора газификатора, введение в работу псевдоожиженного слоя для получения струи целевого газа из отходов щелока без образования расплава и удаление пыли из струи целевого газа, отличающийся тем, что псевдоожиженный слой имеет температуру от 800 до 1400^oF, а после удаления пыли извлекают тепло из целевого газа при помощи средства для извлечения тепла; и пропускают целевой газ через конденсирующий теплообменник для дальнейшего извлечения тепла из целевого газа и удаления из него кислого газа вместе с макрочастицами.

19. Способ получения целевого газа по п.18, отличающийся тем, что стадия введения включает следующее: распыление отходов щелока в верхней части реактора газификатора; нагрев отходов щелока целевым газом, концентрацию щелока испарением целевым газом, и охлаждением целевого газа.

20. Способ по п.18, отличающийся тем, что также включает стадию подогрева целевого газа для транспортировки и сожжения.

21. Устройство для извлечения тепла и удаления кислого газа, содержащее входное отверстие для приема струи газа и конденсирующий теплообменник, имеющий инертные поверхности, которые сконструированы таким образом, чтобы охлаждаться и соприкасаться со струей газа, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй конденсирующий теплообменник, имеющий инертные поверхности, которые сконструированы так, чтобы охлаждаться и соприкасаться со струей газа, соединенный с указанным первым конденсирующим теплообменником посредством трубы, средство для распределения реагента в струе газа во втором конденсирующем теплообменнике для мокрой очистки кислого газа из нее, и средство отделения жидкости от струи газа.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что далее содержит очистное средство, расположенное между указанным вторым конденсирующим теплообменником и средством отделения, обеспечивающее противоточный контакт газа/жидкости и дальнейшую мокрую очистку.

23. Устройство по п.21, отличающееся тем, что указанное средство распределения используется для распыления реагента у входа и выхода указанного второго конденсирующего теплообменника.

24. Устройство по п.22, отличающееся тем, что указанное средство распределения используется для распыления реагента на выходе указанного средства очистки.

25. Устройство по п.21, отличающееся тем, что также содержит отстойник, расположенный перед указанным вторым конденсирующим теплообменником для приема конденсированной жидкости и жидкости, отделенной от струи газа.

26. Устройство по п.25, отличающееся тем, что далее содержит средство для рециркуляции конденсированной жидкости и жидкости, отделенной от струи газа для образования реагента.

27. Устройство по п.21, отличающееся тем, что указанный реагент является элементом, выбранным из группы, состоящей из зеленого щелока, кальцинированной соды, каустической соды, аминов, солей щелочи, водорастворимых солей щелочи и их смесей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение касается в общем систем газификации с псевдоожиженным слоем и, в частности, новой и эффективной автономной системы газификации остаточных отходов, например черного щелока.

В целлюлозной промышленности, а также в производстве бумаги процессы извлечения используются для производства пара и для извлечения определенных химических веществ, которые используются в процессе варки целлюлозы.

Обычный способ химического извлечения, который используется в процессе варки целлюлозы для крафт-бумаги начинается с концентрации так называемого черного щелока. Черным щелоком является тот поток, который остается в результате промывки пульпы после варки древесины в варочном щелоке. Этот поток богат ценными химическими веществами, которые извлекаются для получения некоторого количества основного варочного щелока, используемого в варочном котле. Этот щелок также содержит органический материал, оставшийся в процессе варки от древесины. В регенерационной печи черный щелок с концентрацией приблизительно до 60-80% твердого вещества по весу, впрыскивается или вводится в донную часть печи, где образуется расплав. Расплав, который откладывается в донной части печи, может представлять опасность. Если в трубах с водой образуется течь, есть большая опасность взрыва от контакта воды и расплава. Поток расплава выводится и обрабатывается таким образом, чтобы восстановить варочный щелок для процесса варки.

Другие способы газификации черного щелока включают высокотемпературные газификаторы с газификацией в потоке и низкотемпературные газификаторы с псевдоожиженным слоем. Некоторые газификаторы непосредственно вводят тепло в материал самого слоя, другие обеспечивают тепло с помощью специальных средств. Для низкотемпературных газификаторов типично обеспечивать тепло для псевдоожиженного слоя с помощью теплообменных поверхностей, например труб теплообменника, расположенных в материале слоя.

Неотъемлемой частью газификации топлива, содержащего серу, особенно газификации черного щелока является извлечение тепла и удаление серы из топливного целевого газа.

Газификация черного щелока проводится путем нагрева твердых веществ, содержащихся в щелоке, с количеством кислорода ниже стехиометрического. Получаемые продукты газификации - струя газа богатого водородом, окисью углерода, двуокисью углерода и сероводородом и струя солей натрия. Соли натрия состоят в основном из карбоната натрия и небольших количеств сернисто-натриевых и калиевых соединений. Большая часть серы в черном щелоке выделяется в газовую фазу как сероводород в низкотемпературном газификаторе.

Температура получаемого в газогенераторе газа после обычной обработки с использованием утилизационного котла или другого подобного средства равна 300 - 400^oF. Обычная температура мокрой промывки газа находится в пределах 100-180^oF. Таким образом, значительная часть полезного тепла присутствует в получаемом газе. Далее, получаемая газовая струя может содержать значительные количества водяного пара. При охлаждении до необходимой температуры мокрой очистки выделяется значительное количество скрытой теплоты.

Сероводород (H₂S) в получаемом газе должен быть удален для получения целевого чистого топливного газа, который годится для сожжения во вспомогательном котле или газовой турбине. H₂S может быть поглощен в растворе карбоната натрия, образованного растворением твердого продукта из газификатора.

Получаемый после мокрой очистки раствор образует "зеленый щелок", подобный тому, который используется в обычном производстве крафт-бумаги и повторно используется в процессе варки целлюлозы.

Специалисты считают, что существующие в целлюлозном производстве химические растворы могут быть использованы для поглощения H₂S. Газы, содержащие H₂S и CO₂, будут вступать в реакцию с растворами солей натрия. Поглощение CO₂ нежелательно, так как образуется бикарбонат натрия, что приводит к увеличению химического подщелачивания и мощности печи для обжига извести. В системах мокрой очистки газа, использующих H₂S/CO₂ соль натрия, показатель скорости реакции ограничен. В патенте США N 4431617, опубликованном 14 февраля 1984 года, и патенте США N 3471249, опубликованном 7 октября 1969 года, описана проблема ограниченного поглощения CO₂. Предпочтительное поглощение H₂S по отношению к CO₂ зависит от скорости газа, температуры мокрой очистки, массообменного устройства, времени сохранения раствора и химического состава раствора.

Наиболее близким к изобретению по пп. 1, 18 является установка производства целевого газа, получаемого в ходе газификации обработанного черного щелока, включающая реактор газификатора с псевдоожиженным слоем и входным и выходным отверстиями, средство для введения отработанного щелока в реактор, средство нагрева псевдоожиженного слоя в реакторе до определенной температуры, предотвращающей образование расплава, и пылесборник, расположенный за реактором для удаления пыли из газа (US N 4312702, кл. D 21 C 11/12, 1982). Ближайшим аналогом п.21 является установка для производства целевого газа, частью которой является устройство для извлечения тепла и удаления кислого газа, содержащее входное отверстие для приема струи газа и конденсирующий теплообменник с охлаждающими поверхностями, соприкасающимися с проходящей струей газа (WO 93/02249, кл. D 21 C 11/12, 1993).

В настоящее время возникла необходимость в системе и способе газификации остаточных отходов щелока, в результате чего можно получить газ с низкой или средней теплотворной способностью, который обеспечивает высокую степень превращения углерода и позволяет использовать небольшое количество подводимого извне тепла. Кроме того, необходимы устройство и способ удаления физической и скрытой теплоты из получаемого газа и управления процессом поглощения для селективного поглощения H₂S. Это устройство и способ должны работать при температуре, не дающей расплава. Предпочтительно система должна быть замкнутой и функционировать автономно в качестве системы обработки отходов щелока и производства газа для котлов, печей, дизельных генераторов или газовых турбин. Кроме того, она должна быть совместима с окружающей средой.

Настоящее изобретение направлено на решение указанных выше проблем предшествующего уровня техники и других проблем, связанных с газификацией остаточных отходов в целлюлозной и бумажной промышленности.

Одной целью изобретения является обеспечение газификатора для черного щелока, в котором используется псевдоожиженный слой, поверх которого распыляется черный щелок.

Другой целью изобретения является обеспечение устройства и процесса для удаления ощутимого (физического) и скрытого тепла из целевого газа и управления процессом поглощения для селективного поглощения H₂S.

Еще целью изобретения является обеспечение газификатора для черного щелока, который производит целевой газ. Еще одной целью изобретения является обеспечение газификатора для черного щелока, который имеет высокую скорость превращения углерода и, если требует, небольшое количество подводимого тепла.

Другой целью изобретения является обеспечение газификатора для черного щелока с возможностью использования двух жидких слоев, который сжигает негазифицированный углерод в псевдоожиженном слое с воздушно-паровым нагревом для пополнения подачи тепла и увеличения в целом термического КПД реактора.

Еще целью изобретения является обеспечение газификатора для черного щелока, который способствует удалению потока отходов в производстве бумаги.

Следующей целью изобретения является обеспечение газификатора для черного щелока, который надежен в работе и экономичен.

Различные признаки новизны, которые характеризуют изобретение указаны в частности в прилагаемых пунктах изобретения, образующих часть этого описания. Для лучшего понимания данного изобретения далее описаны его преимущества и специфические цели, которые достигаются в процессе его применения со ссылкой на сопутствующие чертежи и описание, в котором показан предпочтительный пример его реализации.

На фиг. 1 - схематическое изображение системы согласно настоящему изобретению; на фиг. 2 - вид в разрезе реактора в примере реализации настоящего изобретения; на фиг. 3 - вид в разрезе возможного примера реализации реактора настоящего изобретения; на фиг. 4 - вид в разрезе участка низкотемпературного извлечения тепла и мокрой очистки примера реализации настоящего изобретения; на фиг. 5 - вид подобный фиг.1, схематично изображающий средство для создания повышенного давления (105) в системе свыше 1 атм.

Описание предпочтительных примеров реализации изобретения. Обычно газификация черного щелока выполняется с использованием газификатора для нагревания твердых частиц щелока с количеством кислорода ниже стехиометрического. Продуктами газификации являются струя топливного газа, богатая водородом и окисью углерода и струя солей натрия. Из-за хорошо известной возможности бурной реакции расплава и воды желательно, чтобы газификатор работал при низких температурах во избежание получения расплава.

Когда газификация выполняется при температуре ниже точки плавления солей натрия, соли существуют в реакторе в виде твердой фазы. Соли натрия главным образом состоят из карбоната натрия с небольшими количествами серно-натриевых соединений. Предусмотрено, что другие щелочные соли могут включать соли калия, как например карбонат калия. Большая часть серы в черном щелоке выделяется в газовую фазу, как например сероводород в низкотемпературном газификаторе. Реактор псевдоожиженного слоя, в котором предпочтительно используется гранулированный карбонат натрия или карбонат кальция в качестве начального твердого материала слоя хорошо подходит для проведения низкотемпературных реакций газификации.

Если в зону реакции не подается кислород помимо того, что находится в твердом сухом материале и водяной фазе щелока, процесс называется пиролизом. Расчеты равновесия однако показывают, что в условиях пиролиза остаются огромные количества не вступившего в реакции углерода в получаемом потоке карбоната натрия и эндотермическая реакция требует подвода значительного количества тепла.

Для газификации остаточного углерода требуется дополнительный источник кислорода. Этот кислород можно получать из воздуха, пара, в качестве чистого кислорода, двуокиси углерода, зловонного газа или комбинации этих газов. Лучше всего для газификации твердой фазы черного щелока использовать кислород (O₂), однако по экономическим соображениям используется смесь воздуха и пара. Прямое добавление воздуха в слой приведет к разбавлению целевого газа азотом, но это также пополняет часть требуемого тепла от частичного сжигания части твердой фазы черного щелока.

Использование пара приводит к увеличению теплотворности целевого газа за счет необходимого подводимого извне тепла, оптимальным сочетанием воздуха и пара для получения целевого газа с количеством тепла в пределах 70-300 британских тепловых единиц на сухой стандартный кубический фут при минимальной подводимой извне теплоте зависит от щелока.

Без воздуха или кислорода все реакции газификации являются эндотермическими, в зону газификации требуется добавочное количество тепла. При достаточно высокой фракции стехиометрического кислорода сжигание некоторых продуктов газификации в реакторе производит достаточно тепла для поддержания процесса, но это приводит к получению целевого газа с низкой теплотворностью. Большая фракция общего тепла может быть добавлена через газифицирующую среду, т.е. воздух или пар, нагретый извне для слоя газификатора, но существует предел температуры воздуха/пара для избежания плавления солей натрия. Остаточное тепло добавляется косвенным путем через теплообменник, расположенный внутри слоя.

Как показано на фиг. 1, система по данному изобретению содержит реактор газификации черного щелока, включающий реактор, обозначенный позицией 10, в который подают партию черного щелока разбрызгиванием или впрыскиванием. Паровоздушный нагреватель (14) подает тепло на газификатор (10). Черный щелок - это отходы щелоков не только от древесных источников, но также соломы, бамбука, бегасса. Любой углеродистый или целлюлозный щелок может использоваться в системе по данному изобретению.

Газ, получаемый от газификации щелока выходит из реактора (10) и через трубу (16) поступает в мультициклонный пылесборник (18), где пыль из струи газа удаляется и возвращается в реактор через трубу (20), которая имеет вращающееся уплотнение.

Горячий целевой газ проходит через трубу (22) в утилизационный котел (24), который извлекает тепло из горячей газовой струи для получения насыщенного пара низкого давления. Конденсирующий теплообменник (26), который будет описан более подробно в дальнейшем, является косвенным противоточным конденсирующим теплообменником, который используется для извлечения как ощутимого, так и скрытого тепла из струи получаемого газа, служит в качестве вторичного сборника пыли/частиц и удаляет некоторое количество сероводорода из целевого газа.

Средство извлечения тепла из целевого газа может быть расположено за реактором газификатора и до указанного пылесборника.

Любое остаточное количество сероводорода, если таковое имеется, удаляется в любом подходящем газоочистителе (28). Газопромывная башня (28) снабжена насадкой с большой удельной площадью или другим массообменным средством и надлежащими известными в данной области техническими средствами. Дно башни (28) представляет собой внутренний отстойник для рециркулированного зеленого щелока (30).

Когда газ выходит из башни (28), он подогревается в подогревателе (32), где он подается в одну из нескольких позиций. Чистый целевой газ может направляться для сожжения (34), может быть сожжен в факеле в вентиляционной трубе (36) и/или использован для обеспечения системы (38) теплом.

Чистый целевой газ (38) смешивается с нагретым воздухом для горения, который подается через воздухоподогреватель (40) с паровым змеевиком.

Вентилятор (42) подает воздух для горения в паровоздушный нагреватель (14). Воздух газификатора вводится вентилятором (44) и нагревается в воздухонагревателе (46) с паровым змеевиком и смешивается с паром и далее нагревается в паровоздушном нагревателе (14). Утилизационный котел (48) извлекает тепло из этого процесса сгорания для использования пара в системе. Дымовой газ удаляется через трубу (50).

Черный щелок (52) (фиг. 2) подается вблизи верхней части реактора (10) при помощи средства подачи (12) в низкотемпературном слое (54) газификатора, где происходит реакция газификации. В то время как средство подачи (12) описано как сопло-распылитель, возможно любое другое средство для введения черного щелока в жидком и сухом виде. Предпочтительно щелок впрыскивается над слоем, но возможно также прямо в слой. Слой (54) газификатора содержит соли натрия, предпочтительно карбонат натрия, который образуется из черного щелока (52) и действует в пределах рабочей температуры от 900 до 1400^oF, предпочтительно приблизительно 1200^oF. Эта температура предотвращает образование расплава.

Черный щелок (52) поступает в концентрации от 40 до 80 вес.% твердой фазы, предпочтительно от 65 до 75 вес.% твердой фазы и разбрызгивается или впрыскивается выше уровня (56) псевдоожиженного слоя (54), где черный щелок (52) контактирует с горячим газом (58), выходящим из слоя (54), где происходит реакция газификации. Если используется сухой черный щелок (в виде порошка) он может подаваться пневматическим способом прямо в слой (54) газификатора. Черный щелок (52) далее концентрируется при охлаждении газа (58). Это увеличивает продуктивность процесса, так как тепло, используемое для испарения воды, подается при более низкой температуре, чем тепло, добавляемое в слой (54) через перфорированную тарелку (60) с колпачками или теплообменником, который может быть расположен в слое (54). Целевой газ (58) после выхода из реактора (10) обрабатывается как описано на фиг. 1.

Материал слоя (54) имеет температуру плавления приблизительно от 1400^o F - 1550 ^o F в зависимости от количества серы, калия и примеси хлорида в черном щелоке (52). Таким образом, если в слое находится теплообменник (62), его поверхность должна сохраняться ниже этого температурного уровня для предотвращения плавления макрочастиц на поверхности нагревателя и образования расплава. Это происходит потому, что локализированное плавление в теплообменнике (62) вызывает прилипание частиц к поверхности теплообменника (62) и снижает таким образом эффективность теплообменной поверхности, что может привести к полнейшей дефлюидизации слоя (54).

Когда теплообменник (62) используется как видно на фиг. 3, он нагревает материал слоя (54) косвенным путем и должен работать с температурой поверхности наиболее близкой к нижнему пределу плавления, чтобы максимально увеличить разницу температур между нагревающей поверхностью (62) и материалом слоя (54).

При разбрызгивании черного щелока (52) над слоем (54) черный щелок удаляет некоторое количество пыли из целевого газа (58), что способствует очистке газа. Однако большая часть частиц пыли, отмучившихся из слоя (54) и содержащаяся в целевом газе (58), собирается в сепараторе частиц, таком как мультициклон (18), и рециркулируется обратно в слой (54).

Соли натрия, т.е. продукт реакции черного щелока (52), удаляются из слоя (54) газификатора главным образом как карбонат натрия с некоторым количеством сульфида натрия и сульфата натрия через сливную трубу (64) и растворяются в резервуаре (66), как видно лучше всего на фиг. 2. Кроме того, остаточный, не вступивший в реакцию углерод также удаляется из слоя (54).

В резервуаре (66) может использоваться фильтр, установленный в трубе (68), для отбора углерода из продукта реакции. Углерод в свою очередь рециркулируется в слой (54).

На фиг. 2 показан предпочтительный пример реактора (10) газификатора, который содержит барботирующий псевдоожиженный слой и сконструирован предпочтительно как, по существу, цилиндрический сварной контейнер, изготовленный из нержавеющей стали с наружным оребрением. Реактор (10) содержит входную камеру (11), распределительную тарелку (60) с колпачками барботирования и дренажное отверстие (64) для удаления твердых продуктов реакции. Реакционная зона (13) содержит слой (54) и по крайней мере один канал (20) для рециркуляции. Возможно наличие смотрового окна (70) и спускного канала (72). Реактор (10) также включает зону сушки (15) большего диаметра с устройством (12) для разбрызгивания черного щелока, подающими соплами (74) и выходом (16) для целевого газа.

Как упоминалось ранее, в предпочтительном примере реализации горячее ожижающее средство (19) поступает в камеру (11) под давлением в пределах от 6 до 12 фунтов на кв.дюйм (избыточного давления), предпочтительно 8 фунтов на кв.дюйм, и температурой от 800 до 1250^oF. Ожижающее средство нагревает и сжижает слой (54) в предпочтительном диапазоне температуры от 1000 - 1250^oF.

Скорость сжижения равна приблизительно от 3 до 8 футов в секунду, предпочтительно 6 футов в секунду. Ожижающее средство (19) включает кислород, воздух, пар, двуокись углерода, зловонный газ или их смесь.

Фиг. 3 является еще одним примером реализации реактора (10) газификатора. В этом примере реализации изобретения имеются два псевдоожиженных слоя (54), (76), действующих последовательно относительно потока газа. Псевдоожиженный слой (76) обеспечивает оживающее средство (19) и может использоваться совместно с паровоздушным нагревателем (14) или заменять его.

Ожижающие газы для реакций газификации поступают в процесс в виде относительно холодных струй в нижнем псевдоожиженном слое (76). Воздух (2) подается в слой (76) как ожижающий газ приблизительно при температуре 250^oF. Воздух при такой температуре получают в воздушном нагревателе (46) с паровым змеевиком (при давлении 50 фунтов на кв. дюйм). Отработанный пар (3) также направляется на реактор (10) для слоя (76). Технологический пар (3) получают в утилизационном котле (48) для дымового газа. Обе струи, как воздуха (2), так и струя пара (3), слишком холодны и не могут прямо подаваться в слой (54) газификации. Значительная фракция общей подводимой теплоты необходима только для доведения их до температуры слоя. Таким образом, предпочтительно в слое (76) используется теплообменник (78). Любые другие внешние подходящие способы подогрева также допустимы.

Струя воздуха (2) и струя пара (3) нагреваются до рабочей температуры слоя (76) приблизительно равной 1000 - 1400^oF, но в некоторых случаях может снижаться до 800^oF, благодаря использованию косвенной отдачи тепла, обеспечиваемой теплообменником (78). Ожижающая струя (19) быстро охлаждает или нагревает до рабочей температуры верхний псевдоожиженный слой(54), но не нагревает верхний слой (54) выше температуры плавления частиц.

В нижнем псевдоожиженном слое (76) используются инертные материалы, такие как сульфат кальция, песок или окиси алюминия, которые имеют высокую температуру плавления. Так как нет опасности плавления материала слоя, температура поверхности нижнего теплообменника (78) может быть значительно выше, чем температура верхнего теплообменника (62). Если требуется, подводимая теплота (79) нижнего наружного теплообменника (78) может поступать от сгорания фракции газа (58) внутри теплообменика (78) или от другого известного источника, например горелки для природного газа.

Любое количество не вступившего в реакцию углерода, удаленное фильтром в растворительном резервуаре (66), может возвращаться путем рециркуляции обратно в систему. Рециркуляция углерода обеспечивает повышение продуктивности процесса газификации в реакторе (10). Эта рециркуляция не только решает проблему избавления от отстоев, но также сохраняет высокий КПД реактора (10).

Настоящее изобретение обеспечивает сохранение хорошей теплотворности струи целевого газа (58), получаемого в реакторе (10) при его работе в качестве воздушного и/или паровоздушного газификатора, который требует минимального количества подвода теплоты в псевдоожиженные слои, благодаря такому смешению воздуха и пара.

Другим способом увеличения теплотворности целевого топливного газа (58) является использование чистого кислорода (4) по возможности в качестве газифицирующей среды вместо воздуха (2). Использование кислорода увеличивает теплотворную способность целевого газа. Использование чистого кислорода (4) в качестве дополнения к воздушной струе (2) приводит к образованию воздуха, обогащенного кислородом, увеличению теплотворности целевого газа (58), сохраняя адекватную реакцию псевдоожижения в реакторе (10).

Использование чистого кислорода (4) для обогащения газифицирующей воздушной струи (2) целесообразно для многих целлюлозных фабрик. На этих фабриках широко используется кислородное отбеливание, которое заменяет отбеливание хлором. Использование кислорода в аэрации сточных вод не является необычным явлением. Кроме того, потребность в дополнительном количестве кислорода для газификации требует создания воздушного сепаратора на участке целлюлозно-бумажного производства, что в целом удешевит получение кислорода для бумажной фабрики.

Другим источником воздуха для газификатора (10) является источник (5) зловонного газа, такой как высокообъемный отходящий газ с низкой концентрацией, представляющий собой струю из вентиляционных каналов и вытяжных колпаков фабрики.

Струя газа (5) содержит низкие концентрации многих зловонных газов, таких как меркаптаны, и обычно насыщена водяным паром. От этих газов обычно избавляются их сжиганием или они используются в печах для обжига извести, но обычно из-за высокого содержания влаги они используются для отбора тепла. Так как в настоящем изобретении используются как пар, так и воздух, зловонные газы (5) помогают решить проблему отходов на целлюлозных фабриках.

Кроме того, в качестве источника кислорода для реактора (10) может быть использован источник низкообъемного пара высокой концентрации. Это создает возможность дополнительного захвата серы и снижения количества добавляемой в производство свежей серы.

Настоящее изобретение обеспечивает разделение подводимой извне косвенной теплоты между низкотемпературным слоем (54) газификатора и высокотемпературным паровоздушным нагревателем (14) или нижним ожижающим слоем (76). Настоящее изобретение использует смесь воздуха (2), пара (3) и кислорода (4) для получения целевого газа (58) с высоким показателем британских тепловых единиц. Фильтрация и рециркуляция углерода обеспечивает эффективное превращение углерода и невысокую потребность в подводимой извне теплоте.

При сгорании негазифицированного углерода (80) в нижнем псевдоожиженном слое (76) пополняется количество косвенно подводимой теплоты и увеличивается КПД реактора (10) в целом. Кроме того, настоящее изобретение улучшает производительность производственного процесса целлюлозно-бумажной фабрики, благодаря использованию газификатора (10) для освобождения от отходящего газа (5) (высокообъемного с низкой концентрацией), вырабатываемого фабрикой.

Возвращаясь к фиг. 1, целевой газ (58) выходит из газификационного реактора (10) и сразу поступает в конденсирующий теплообменник (26).

Одной из особенностей этого изобретения является использование конденсирующего теплообменника (26) в качестве установки для извлечения тепла и мокрой очистки сероводорода целевого газа, образующегося в результате газификации топлив, содержащих серу, в частности черного щелока от производства пульпы и бумаги. В предпочтительном примере реализации изобретения все поверхности, соприкасающиеся с целевым газом, покрыты инертным веществом или оболочкой, как например политетрафторэтилен (PT EF), или другим фторопластиком, например фторированным этилен пропиленом (FEP) или тетрафторэтиленом (TFE). Другие инертные материалы, такие как стекло, графит, сплавы, металлы и прочие инертные покрытия, также могут быть использованы. Это обеспечивает окружающую среду, где может выполняться низкотемпературное извлечение тепла, без опасения коррозии со стороны нагрева. Поэтому физическое (ощутимое) и скрытое тепло можно извлечь и добавить к процессу для увеличения КПД цикла. Оболочка также помогает предотвратить накипеобразование в зоне конденсации.

Как показано на фиг. 4, целевой газ (58) течет через два теплообменника (82, 84), расположенных последовательно, после чего идет очистная секция (28) окончательного удаления сероводорода и сепаратор (96) воды/реагента. В результате получают чистый сухой целевой газ.

Целевой газ поступает в первый теплообменник (82) приблизительно при температуре 500^oF или ниже и охлаждается приблизительно до 200 - 300^oF. В качестве охлаждающей жидкости может использоваться питательная вода для котла (83) или отработанная вода. Подогретая питательная вода может использоваться в тех местах, где необходимо получение технологического пара. Отработанная вода также может использоваться в разных местах системы по необходимости или для подогрева целевого газа в подогревателе (32).

Целевой газ затем направляется на второй теплообменник (84), который работает в конденсирующем режиме. Целевой газ охлаждается ниже температуры адиабатического насыщения. В этой секции происходит удаление макрочастиц и сероводорода. Вокруг образуемой газом массы макрочастиц формируются капли и конденсируются на охлажденных покрытых фторопластиком трубах. Реагент (88) в виде типичного зеленого щелока вводится, например, разбрызгиванием (90) в очистной секции (28) и, как подобает, на входе (92) и выходе (91) второго теплообменника (84). Другими подходящими реагентами являются кальцинированная сода, каустическая сода, амины, соли щелочи или их смеси. Удаление сероводорода происходит в этой секции конденсирования. Отстойник (98) принимает конденсированную жидкость и щелок для подачи в резервуар (100) через трубу (102), где происходит его рециркуляция через насос (104).

Вода предпочтительно при температуре 80^oF или ниже или воздух (85) используются в качестве охлаждающей среды в теплообменнике (84). Температура и количество воды может варьироваться для регулирования температуры газа с целью оптимального удаления сероводорода и уменьшения нежелательного поглощения CO₂.

За конденсирующей секцией может следовать очистная секция (28), где происходит противоточный контакт газа - жидкости и окончательное удаление сероводорода. В этой секции могут использоваться башня с насадкой, тарелки и другие массообменные средства или инертный теплообменник, как было описано ранее, для обеспечения массообменной поверхности нужного размера.

В верхнюю зону разбрызгивания (90) подается свежая добавка химических веществ (94) для оптимизации химических процессов и максимально эффективного удаления сероводорода.

Сепаратор (96), например циклонный сепаратор, или туманоуловитель следуют за очистной секцией для удаления туманоподобных веществ или жидкостей из целевого газа (58), который выходит из этой секции для обработки способом, описанным на фиг. 1.

Систему по данному изобретению можно увеличить за счет использования давления. Если система находится под давлением, конструктивные решения соотношения мощности и объема улучшаются. Подвергнуть давлению всю систему можно двумя способами. Согласно первому способу вся система состоит из сосудов повышенного давления для каждой подсистемы или компонента. Второй способ заключается в использовании компонентов низкого давления (или подсистем), окруженных резервуаром (сосудом) (105) повышенного давления большего размера для создания среды под высоким давлением. Работа под высоким давлением целесообразна и часто необходима в случае использования в газовой турбине. Разумеется, экспортируемый целевой газ может быть подвергнут давлению (сжат) перед использованием в газовой турбине.

Другие преимущества настоящего изобретения включают (но этим не ограничены) следующее.

Система по данному изобретению автономна, т.е. способна работать в равномерном режиме без остановок и запусков. Система получает черный щелок, воздух и электричество для вентилятора/нагнетателя и выпускает зеленый щелок и целевой газ. Забор питательной воды и получение пара минимальны. Система приспособлена для различных видов щелока (из дерева, бегасса, соломы и т.д.) и может использоваться для получения целевых газов различного качества. Обычно в процессе (см. пример реализации на фиг. 2) кипящий реакционный слой не вступает в контакт ни с какой поверхностью нагрева. Некоторые нагреватели могут использоваться для запуска. Низкотемпературное выполнение системы исключает образование расплава и возможной реакции между расплавом и водой, снижает возможность загрязнения и уменьшает потребность охлаждения емкости газификатора. Помимо вентиляторов, нагнетателей и вращающихся уплотнений нет других движущихся механических устройств. Настоящее изобретение включает подогрев целевого газа для транспортировки. Здесь для подогрева сжигают в котле газ с низкой теплотворностью.

Эта система не ограничивается также следующими преимуществами. В ней сочетается извлечение тепла и удаление сероводорода. Ощутимое и скрытое тепло извлекаются для более эффективного выполнения цикла. В результате удаляются мельчайшие частицы. Происходит селективное поглощение сероводорода путем регулирования условий очистки, например температуры и химического состава. Этому селективному поглощению способствует также регулируемое восполнение химических веществ. В системе обеспечения теплообменные и массообменные поверхности устойчивы к коррозии со стороны нагрева. Система также предусматривает теплообменные и массообменные поверхности стойкие к накипеобразованию. В системе обеспечена возможность нагрева питающей воды котла для улучшения эффективности процесса.

Несмотря на детальное описание примеров реализации изобретения, раскрывающих принципы работы системы, понятно, что могут быть и другие варианты реализации данного изобретения, не выходящие за пределы его сути.