установка для получения синтез-газа из водоугольного топлива

Формула изобретения

Установка для получения синтез-газа из водоугольного топлива, включающая бункер для дробленного угля, резервуар для воды и сообщенный с ними диспергатор для получения водоугольного топлива, вертикально установленный газогенератор с камерой газификации для водоугольного топлива и соединенный с ним сепаратор для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов, отличающаяся тем, что она снабжена распределительным устройством для водоугольного топлива, связанным с диспергатором и с камерой газификации для водоугольного топлива, которая выполнена в виде полого цилиндра, с закрепленными на оси завихрителями потока, в нижней части которого размещены горелки для распыла водоугольного топлива, воды и углекислого газа и снабжена снаружи коаксиально размещенным цилиндрическим кожухом с образованием камеры сжигания для водоугольного топлива, при этом кожух выполнен с крышкой с равномерно установленными на ней по периметру камеры сжигания горелками для подачи и распыла водоугольного топлива и с патрубком для подачи воздуха в камеру сжигания, кроме того, она снабжена теплообменником-сепаратором продуктов сгорания водоугольного топлива, выполненным в виде последовательно установленных секций для отделения золы, воды, азота и секции для отделения углекислого газа, которая сообщена с камерой газификации, распределительным устройством для воды, сообщенным с секцией для отделения воды теплообменника-сепаратора, с диспергатором и камерой газификации, причем камера сжигания для водоугольного топлива связана посредством трубопроводов с теплообменником-сепаратором и распределительным устройством для водоугольного топлива.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, а именно к устройствам для сжигания и термической переработки углей, и может быть использовано на тепловых станциях, в котельных для получения из низкосортного энергетического угля энергии и высококачественного синтез-газа, состоящего из водорода и оксида углерода.

Известен газогенератор для газификации водоугольной суспензии и сжигания твердого или водоугольного топлива, включающий вертикальную реакционную камеру с кипящим слоем твердого или водоугольного топлива, газораспределительную решетку, выполненную с окном в центральной части, средство для подачи твердого топлива, расположенное в нижней части камеры под газораспределительной решеткой, золоотводящее устройство, причем реакционная камера снабжена вертикальной перегородкой, делящей ее на отсеки газификации и сжигания, а на перегородке укреплены наклонные тепловые трубы, размещенные верхними конденсационными частями в отсеке газификации, а нижними, испарительными, в отсеке сжигания топлива, расположенными в окне газораспределительной решетки колошниковыми подпружиненными пластинами; газоплотными экранами, расположенными в отсеках и выполненными в виде вертикальных тепловых труб, соединенных с коллекторами, причем коллектор вертикальных тепловых труб, расположенных в отсеке газификации, сообщен с емкостью для водоугольной суспензии и с трубой для подачи водоугольной суспензии (Патент РФ 1775464, кл. С 10 J 3/54, 1989 г.).

Недостатком известного газогенератора является то, что для целей газификации водоугольного топлива (ВУТ) в нем используется воздух, подаваемый под газораспределительную решетку, в результате чего вырабатываемый генераторный газ содержит значительное количество балластирующего газа азота, что требует очистки от него генераторного газа перед подачей потребителю.

Теплопередача из отсека сжигания в отсек газификации происходит только через разделяющую их перегородку, а не через всю боковую поверхность отсека газификации, что снижает температуру, а значит и скорость протекания реакций газификации ВУТ.

Еще более усугубляет это то, что сжигание ВУТ или угля в кипящем слое проходит при более низких температурах (примерно на 200-300^o), чем при их распыливании, вследствие чего интенсивность процесса газификации ВУТ еще более снижается.

Использование прямоточного нагрева газификационной части газогенератора продуктами сгорания топлива вместо противоточного также является сравнительно неэффективным.

Кроме того, в известном техническом решении не используется энергетический потенциал, содержащийся в дымовых газах от сгорания топлива.

Известен электродуговой плазменный реактор для газификации углей, содержащий камеру с электромагнитной катушкой, стержневые электроды и патрубки для ввода реагентов и вывода продуктов реакции, при этом патрубки для ввода реагентов выполнены в виде размещенных на крышке реактора кольцевых каналов, расположенных по концентрическим окружностям, причем каждый канал снабжен вертикальной трубкой для ввода угля и тангенциальным патрубком для подачи дымовых газов, а на внутренней стенке реактора на одном уровне с электромагнитной катушкой выполнен кольцевой паз, высота которого равна высоте электромагнитной катушки (Патент РФ 2087525, кл. С 10 J 3/18, 1997 г.).

Наличие высоких температур (свыше 3000-4000^oК) требует изготовления внутренних стенок плазмореактора из материалов, устойчивых к воздействию углекислого газа, водяного пара и кислорода, входящего в состав дымовых газов, поскольку предполагаемая защита стенок реактора стекающим шлаком неэффективна, а в случае малозольных углей просто будет отсутствовать. В целом это снижает надежность работы предлагаемого электродугового плазменного реактора для газификации углей.

Недостатком также является малая эффективность процесса газификации в плазменном реакторе, поскольку непосредственно на газификацию угля используется только 31,5% дымовых газов, а остальные 68,5% представлены балластом (азотом), который не только не участвует в процессе газификации, но является тепловым балластом как при его нагреве в процессе газификации, так и охлаждении после завершения процесса получения синтез-газа.

Эффект балластировки дымовых газов также связан с повышенным расходом воздуха при сжигании углей, служащих источником дымовых газов, поскольку в этом случае коэффициент избытка воздуха составляет 1,35-1,4, и по этой причине исходный дымовой газ содержит существенное количество кислорода, которое составляет 4-6% (объемных).

Кроме того, по завершении процесса газификации полученный синтез-газ имеет низкую теплоту сгорания, поскольку продукты газификации забалластированы азотом, от которого они должны быть очищены перед передачей потребителю.

Принципиальным недостатком всех высокотемпературных (свыше 3000-4000^oК) реакторов для газификации углей является то, что хотя среднемассовая температура процесса лежит в области значительно более низких температур около 2000^oК, в процессе смешения и охлаждения в реагирующей смеси в небольших количествах образуются вредные вещества циан (CN) и синильная кислота (HCN), которые сохраняются в продуктах газификации.

Известна установка плазмотермической переработки водоугольного топлива в синтез-газ, включающая бункер для угольной пыли, резервуар для окислителя, смеситель, диспергирующее устройство, насос для перекачки водоугольной суспензии, подогреватель, газодувку, дымовую трубу, газификационную колонну, теплообменник первой ступени газификационной колонны, закалочное устройство для синтез-газа, плазмореактор, теплообменник второй ступени газификационной колонны, распределитель газифицируемой смеси, плазменные источники, теплообменник для прокачивания горячего синтез-газа, устройство очистки синтез-газа, горелки и топочное устройство газификационной колонны (Патент РФ 2047650, кл. С 10 J 3/18).

Недостатком известного технического решения является сложность установки, в которой процесс подогрева водоугольной суспензии протекает в две стадии, вначале в подогревателе предварительного подогрева водоугольной суспензии до 500-600^oК, а затем в нижней части трубчатого теплообменника первой стадии газификации со сжиганием в теплообменнике части синтез-газа, а процесс газификации водоугольной суспензии протекает в три стадии, вначале в закалочном устройстве, являющимся выходной частью плазмореактора, затем в верхней части теплообменника, а затем в собственно плазмореакторе, а также необходимость использования для реализации третьего этапа газификации высокотемпературного плазмореактора, использование которого требует применения специальных материалов, стойких к воздействию высокой температуры (2500-3000^oК) в химически агрессивной среде (СО₂, Н₂О и т.д.).

В известной установке также завышены затраты энергии на производство синтез-газа, что связано с вводом парогазоугольной взвеси, состоящей из окиси углерода, углекислого газа, водорода, паров воды и непрореагировавших частиц угля, в плазмореактор, в котором в качестве реагента используются пары воды, что приводит к дополнительной балластировке газообразных продуктов газификации водяным паром и простейшими углеводородами, образующимися при высоких температурах 2500-3000^oК.

Используемая в установке схема взаимодействия плазменных струй пара со струями газифицируемой смеси, организация возврата непрореагировавших частиц органической части угля в реакционную зону до их полного превращения в газ в равной степени касается и твердых частиц, входящих в состав минеральной части угля, которые не реагируют с паровой фазой и вследствие чего будут накапливаться в высокотемпературной зоне плазмореактора. Вследствие высоких температур, создаваемых в плазмореакторе (2500-3000^oК), и длительности пребывания в ней окислы металлов, входящих в состав минеральной части угля, расплавятся и станет возможным их химическое взаимодействие с углеродом с образованием металлов, их карбидов и окиси углерода, на что будет потрачена значительная часть энергии и что в целом понизит калорийность синтез-газа за счет обогащения его окисью углерода.

Наиболее близкой к заявляемой установке (прототипом) является известная установка для получения синтез-газа из водоугольного топлива, которая содержит бункер для дробленного угля, резервуар для воды и сообщенный с ними диспергатор для получения водоугольного топлива, вертикально установленный газогенератор с камерой газификации для водоугольного топлива и соединенный с ним сепаратор для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов. Установка содержит также насос для подачи водоугольного топлива, трубчатый охладитель для синтез-газа и сепаратор для отделения сконденсировавшейся воды (Патент РФ 2190661, кл. С 10 J 3/46, 2000 г.).

В указанной установке в качестве водоугольного топлива используют коллоидную дисперсную топливную систему со средним поверхностным размером частиц дисперсной фазы не более 1 мкм.

Температуру теплоносителя в межтрубном пространстве реактора поддерживают в диапазоне 400-1000^oС, а температуру в трубах - в диапазоне 200-800^oС.

Недостатком известной установки является низкая эффективность процесса получения синтез-газа, а именно:

- приготовление коллоидной дисперсной топливной системы в интерактивном механохимическом реакторе (диспергаторе) сопровождается измельчением не только органической, но и минеральной (зольной) части угля со средним поверхностным размером частиц дисперсной фазы не более 1 мкм, что значительно повышает энергозатраты на измельчение угля в целом, а использование интерактивного механохимического реактора для приготовления топливной системы удорожает установку в целом;

- использование прямоточного трубчатого охладителя для охлаждения синтез-газа вместо противоточного также является неэффективным;

- независимый нагрев теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство реактора, до 1000^oС при наличии горячего воздуха, охлаждающего синтез-газ после трубчатого охладителя, приводит к лишним затратам энергии на нагрев дисперсной топливной системы;

- рекомендуемый диапазон температуры газификации 200-800^oС не обеспечивает эффективное проведение этого процесса в случае использования низкореакционных углей, например антрацита.

Целью изобретения является повышение эффективности работы установки для получения синтез-газа из водоугольного топлива.

Указанная цель достигается тем, что установка получения синтез-газа из водоугольного топлива, включающая бункер для дробленного угля, резервуар для воды и сообщенный с ними диспергатор для получения водоугольного топлива, вертикально установленный газогенератор с камерой газификации для водоугольного топлива и соединенный с ним сепаратор для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов, в отличие от прототипа снабжена распределительным устройством для водоугольного топлива, связанным с диспергатором и с камерой газификации для водоугольного топлива, которая выполнена в виде полого цилиндра с закрепленными на оси завихрителями потока, в нижней части которой размещены горелки для распыла водоугольного топлива, воды и углекислого газа, и снабжена снаружи коаксиально размещенным цилиндрическим кожухом с образованием камеры сжигания для водоугольного топлива, при этом кожух выполнен с крышкой с равномерно установленными на ней по периметру камеры сжигания горелками для подачи и распыла водоугольного топлива и с патрубком для подачи воздуха в камеру сжигания, кроме того, она снабжена теплообменником-сепаратором продуктов сгорания водоугольного топлива, выполненным в виде последовательно установленных секций для отделения золы, воды, азота и секции для отделения углекислого газа, которая сообщена с камерой газификации, распределительным устройством для воды, сообщенным с секцией для отделения воды теплообменника-сепаратора, с диспергатором и камерой газификации, причем камера сжигания для водоугольного топлива связана посредством трубопроводов с теплообменником сепаратором и распределительным устройством для водоугольного топлива.

В предлагаемой установке в сравнении с прототипом эффективность работы установки повышается за счет того, что при принятой цилиндрической компоновке камеры газификации водоугольного топлива (ВУТ), снаружи которой расположена коаксиальная камера сжигания водоугольного топлива, создаются условия для организации противоточного теплообмена между продуктами сжигания водоугольного топлива и газифицируемыми компонентами. Завихрители потока, расположенные в камере газификации, способствуют перемешиванию газифицируемых компонентов, выравнивая профили температур по поперечному сечению камеры газификации, что также способствует повышению эффективности процесса газификации.

Отличительной особенностью установки является также наличие теплообменника-сепаратора продуктов сгорания, выполненного в виде последовательно установленных секций для отделения золы, воды, углекислого газа и азота. Такое исполнение теплообменника-сепаратора позволяет углекислый газ, выделенный из продуктов сгорания водоугольного топлива, направить в камеру газификации, где он используется как один из газифицирующих агентов. Использование углекислого газа позволяет сократить расход ВУТ, которое направляется на газификацию.

Кроме того, такая конструкция теплообменника-сепаратора позволяет направить конденсат водяного пара, входящего в состав продуктов сжигания ВУТ, частично или полностью на приготовление ВУТ, а оставшуюся часть конденсата водяного пара направить на газификацию ВУТ.

Использование конденсата водяного пара, содержащегося в продуктах сжигания ВУТ, позволяет сократить общее количество воды, которое затрачивается на сжигание и газификацию ВУТ в установке.

Распределительное устройство для ВУТ, в которое направляется ВУТ, приготовленное в диспергаторе, позволяет в заданном соотношении регулировать количество ВУТ, направляемого на газификацию и сжигание.

Распределительное устройство для конденсата водяного пара, в которое направляется конденсат из секции для отделения воды теплообменника-сепаратора, позволяет в заданном отношении регулировать количество конденсата, направляемого на газификацию и на приготовление ВУТ.

Расходы ВУТ, направляемого на сжигание и газификацию, связаны между собой таким образом, что при газификации ВУТ полностью используется двуокись углерода и часть конденсата водяного пара, входящих в состав дымовых газов, получаемых при сжигании ВУТ. Оставшаяся часть углерода, входящая в состав газифицируемой части ВУТ, газифицируется за счет воды, входящей в состав газифицируемого ВУТ. Регулируя количество конденсата водяного пара, направляемого на газификацию и на приготовление ВУТ, можно в достаточно широких пределах регулировать количество сжигаемого и газифицируемого ВУТ. Таким образом, процесс газификации всегда автоматически сбалансирован по исходным компонентам, что повышает степень эффективности использования дымовых газов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена принципиальная схема предлагаемой установки для получения синтез-газа из водоугольного топлива.

Установка содержит бункер 1 для дробленного угля, резервуар 2 для (свежей) воды и сообщенный с ними диспергатор 3 для получения ВУТ, распределительное устройство 4 для ВУТ, связанное посредством трубопровода 5 с диспергатором 3 и посредством трубопровода 6 с камерой газификации 7 для ВУТ. Камера газификации 7 для ВУТ выполнена в виде полого цилиндра, в нижней части которого размещены горелки 8 для подачи и распыления ВУТ, воды и углекислого газа. На оси камеры газификации 7 закреплены завихрители потока 9. Снаружи камеры газификации 7 коаксиально размещен цилиндрический кожух с образованием камеры сжигания 10 для ВУТ. Кожух камеры сжигания выполнен с крышкой 11 с установленными на ней по периметру камеры сжигания 10 для ВУТ горелками 12 для подачи и распыления ВУТ и с патрубком 13 для подачи воздуха в камеру сжигания 10 для ВУТ.

Кроме того, установка содержит теплообменник-сепаратор продуктов сгорания ВУТ, выполненный в виде последовательно установленных секции для отделения золы 14, секции для отделения воды 15, секции для отделения углекислого газа 16 и секции для отделения азота 17. При этом секция для отделения углекислого газа 16 сообщена посредством трубопровода 18 с камерой газификации 7 для ВУТ.

Установка также содержит распределительное устройство 19 для конденсата водяного пара (воды), которое посредством трубопровода 20 сообщено с секцией для отделения воды 15, посредством трубопровода 21 - с диспергатором 3 для получения ВУТ и посредством трубопровода 22 - с камерой газификации 7 для ВУТ. При этом камера сжигания 10 для ВУТ связана посредством трубопровода 23 с распределительным устройством 4 для ВУТ и посредством системы сборных трубопроводов 24 с секциями 14-17 теплообменника-сепаратора.

Камера газификации 7 для ВУТ соединена посредством трубопровода 25 с сепаратором 26 для разделения газообразных продуктов газификации и минеральных отходов.

Установка работает следующим образом. Предварительно измельченный уголь, например молотковой дробилкой (не показана), из бункера 1 подают в диспергатор 3, куда для получения водоугольного топлива подают свежую воду из резервуара 2. Готовое ВУТ по трубопроводу 5 поступает на распределительное устройство 4 для ВУТ, откуда по трубопроводу 6 его подают на сжигание в камеру сжигания 10, а по трубопроводу 23 - в камеру газификации 7. Распыление ВУТ в камере сжигания 10 производят воздухом, подаваемым по патрубку 13, горелками 12, установленными на крышке 11 кожуха камеры сжигания 10. Распыление ВУТ и воды в камере газификации 7 производят углекислым газом в горелках 8. Продукты сжигания ВУТ поступают по кольцу в камеру сжигания 10, нагревая наружную стенку камеры газификации 7. Для интенсификации процесса газификации внутри камеры газификации 7 установлены завихрители потока 9, которые отбрасывают реагирующую смесь по направлению к стенке камеры газификации 7, которая нагревается потоком продуктов сжигания ВУТ, обтекающим ее снаружи. При необходимости интенсификации теплообмена между продуктами сжигания ВУТ в камере сжигания 10 и газифицируемым ВУТ, находящимся в камере газификации 7, в наружной стенке камеры газификации могут быть установлены тепловые трубки (не показаны). Продукты сжигания ВУТ по системе сборных трубопроводов 24 поступают в теплообменник-сепаратор, где с помощью способов, описанных в книге (Хоффман Е. Энерготехнологическое использование угля. - М.: Энергоатомиздат, 1983 г.), производят в секции отделения золы 14 - отделение золы, в секции отделения воды 15 - отделение воды, в секции отделения углекислого газа 16 - отделение углекислого газа, в секции отделения азота 17 - отделение азота. Воду из секции отделения воды 15 по трубопроводу 20 направляют в распределительное устройство для воды 19, откуда частично или полностью по трубопроводу 21 направляют на приготовление ВУТ в диспергаторе 3, а оставшуюся часть воды по трубопроводу 22 направляют в камеру газификации 7. Углекислый газ из секции отделения углекислого газа 16 по трубопроводу 18 направляют в камеру газификации 7. Азот сбрасывают в атмосферу. Продукты газификации по трубопроводу 25 направляют в сепаратор для разделения 26, откуда зольные продукты направляют в отвалы, а топливный газ, состоящий из водорода и окиси углерода, - потребителю.

Количество ВУТ, направляемого на сжигание в камеру сжигания 10 и камеру газификации 7, определяется из условия, что углерод, входящий в состав ВУТ, направляемого на газификацию, полностью газифицируется за счет воды, входящей в состав ВУТ, а также двуокиси углерода и части воды, входящих в состав дымовых газов, направляемых из теплообменника-сепаратора.

Например, если условно принять, что уголь состоит из чистого углерода, его массовая концентрация в ВУТ равна S, а вода из дымовых газов полностью направляется на приготовление ВУТ, то расходы ВУТ, направленного на сжигание (Q_f) и газификацию (Q_g), связаны соотношением

Q_g(1-12*(1-S)/(18*S))=Q_f.

Если принять, что S=0,6, то на сжигание направляется 5/14, а на газификацию 9/14 общего расхода ВУТ, а при S=0,5 эти доли составляют 1/4 и 3/4 соответственно.

Если условно принять, что вода из дымовых газов полностью направляется на газификацию ВУТ, то расходы ВУТ, направленного на сжигание (Q_f) и газификацию (Q_g), связаны соотношением

Q_g(1-12*(1-S)/(18*S))/(1+12*(1-S)/(18*S))=Q_f

В этом случае на сжигание направляется 5/18, а на газификацию только 13/18 общего расхода ВУТ, а при S=0,5 эти доли составляют 1/6 и 5/6 соответственно.

В каждом случае окончательно соотношение между величинами Q_g и Q_f определяется экспериментально с учетом массовой концентрации угля в ВУТ, зольности конкретного угля.

Основные конструктивные размеры установки определяются дисперсностью угля, входящего в состав ВУТ, линейной скоростью их газификации, которая определяется экспериментально и зависит от температуры, давления и состава газифицирующих агентов и линейной скорости движения газифицируемой смеси в камере газификации. Время пребывания газифицируемой смеси в камере газификации, определенное как отношение ее длины к линейной скорости движения в ней газифицируемой смеси, должно быть больше времени химического реагирования частиц угля, определяемого как отношение характерного размера частиц максимальной крупности к линейной скорости их газификации.

Таким образом, предлагаемая установка для получения синтез-газа позволяет в достаточно широких пределах регулировать соотношение между сжигаемым и газифицируемым ВУТ.

Предлагаемая установка совместного сжигания и газификации водоугольного топлива, включающая использование в качестве газифицирующего агента дымовые газы, поэтапно была опробована на полигоне ГУП НПО "Гидротрубопровод". В дальнейшем намечено разработать проект демонстрационной установки.