способ и оборудование для обработки газа, получаемого газификацией твердого топлива под давлением

Формула изобретения

1. Способ обработки неочищенного газа, получаемого газификацией под давлением твердого топлива при температуре от 800 до 1500°С под давлением от 2 до 100 бар (абс.), предпочтительно от 5 до 40 бар (абс.), содержащего в основном H₂, СО, СН ₄, СО₂, N₂, пары воды, а также, в зависимости от типа топлива, небольшие количества одного или нескольких компонентов из H₂S, COS, HCN, NH₃ , C_nH_m и следы карбонилов никеля и железа, компонентов смол, CS₂, меркаптанов, нафталинов, тиофенов и органических сульфидов, причем из получаемого газа после охлаждения до температуры от 15 до 45°С удаляют на предварительной стадии - HCN и NH₃, на первой стадии - H₂ S, COS и любые другие возможно присутствующие серосодержащие соединения, и на второй стадии - CO₂ путем физической сорбции, используя оксигенаты с температурой от +10 до 80°С, а чистый получаемый газ подают на прямое восстановление железной руды в качестве газа-восстановителя и/или топливного газа, отличающийся тем, что газообразную флегму, насыщенную водяными парами и СО ₂, с температурой от 50 до 250°С и давлением от 2 до 8 бар (абс.), отводят из цикла циркуляции газообразной флегмы процесса прямого восстановления железной руды, охлаждают до температуры от 15 до 45°С, повышают давление до величины от 25 до 75 бар (абс.) и, лишенную водяных паров, смешивают с обессеренным получаемым газом перед физической сорбцией СО₂.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что неочищенный получаемый газ перед подачей на предварительную стадию удаления HCN и NH ₃ подвергают процессу конверсии СО.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что водяные пары, содержащиеся в отводимой газообразной флегме, удаляют путем конденсации.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что водяные пары, содержащиеся в отводимой газообразной флегме с температурой от 15 до 45°С и сжатой до давления от 25 до 75 бар (абс.), удаляют путем физической сорбции, используя оксигенат.

5. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что из цикла циркуляции отводят от 10 до 80 об.%, предпочтительно от 10 до 60 об.% газообразной флегмы.

6. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что газовую смесь, состоящую из очищенного получаемого газа и не содержащей CO₂ и водяных паров газообразной флегмы, полученную после удаления СО₂ путем физической сорбции с температурой от 0 до 30°С и давлением от 25 до 75 бар (абс.), после снижения давления до величины от 2 до 8 бар (абс.), преобладающей в цикле циркуляции газообразной флегмы, и нагревания до температуры от 150 до 250°С подают в цикл циркуляции газообразной флегмы.

7. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что тепловая энергия отводимой газообразной флегмы передается к газовой смеси непосредственно после снижения ее давления.

8. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что СО₂, десорбованный путем снижения давления насыщенного оксигената до, практически, атмосферного давления, переводят в сверхкритическое состояние и используют для вытеснения нефти растворителями из тех нефтяных залежей, откуда нефть уже частично извлекли, или для хранения в подземных хранилищах в пористых пластах, кавернах-хранилищах, истощенных месторождениях природного газа или горизонтах соленых вод.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что десорбированный CO ₂ сжимают до давления от 10 до 30 бар (абс.) и охлаждают до температуры от -40 до -5°С.

10. Оборудование для осуществления способа по любому одному или более из пп.1-9, отличающееся тем, что оно содержит: газопромывную колонну первой стадии для приема входящего неочищенного газа после удаления HCN и NH ₃ на предварительной стадии, причем первая стадия предназначена для удаления H₂S, COS и любых других серосодержащих соединений с получением обессеренного газа;

теплообменник, через который проходит входящая газообразная флегма, отводимая с прямого восстановления железной руды;

турбину на валу, содержащую ступень дросселирования и ступень компрессии, причем ступень компрессии предназначена для приема и сжатия газообразной флегмы, которая проходит через теплообменник;

газопромывную колонну второй стадии для приема обессеренного газа с первой стадии и сжатой газообразной флегмы со ступени компрессии турбины на валу и для отделения СО₂, который затем отводят с получением смеси чистого получаемого газа, давление которой может быть затем снижено на ступени дросселирования турбины на валу, причем газовую смесь с пониженным давлением затем пропускают через теплообменник до ее возврата на стадию прямого восстановления железной руды в качестве газа-восстановителя и/или топливного газа.

11. Оборудование по п.9, отличающееся тем, что турбина на валу соединена с генератором, который может быть использован в качестве электродвигателя.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к способу и оборудованию для обработки неочищенного газа, получаемого газификацией твердого топлива при температуре от 800 до 1500°С под давлением от 2 до 100 бар (абс.), предпочтительно, от 5 до 40 бар (абс.), содержащего, главным образом, Н₂, СО, СН₄ , СО₂, N₂, пары воды, а также - в зависимости от типа топлива - небольшое количество одного или нескольких компонентов из H₂S, COS, HCN, NH₃, C _nH_m и следы HCN, карбонилов никеля и железа, компонентов смол, CS₂, меркаптанов, нафталинов, тиофенов и органических сульфидов, из какового получаемого газа необязательно, после конверсии СО, после охлаждения до температуры от 15 до 45°С, на предварительной стадии - HCN и NH₃, на первой стадии - H₂S, COS и любые другие, возможно присутствующие серосодержащие соединения, и на второй стадии - СО₂ удаляют путем физической сорбции, используя оксигенаты с температурой от +10 до 80°С, а чистый получаемый газ подают на прямое восстановление железной руды в качестве газа-восстановителя и/или топливного газа.

Способом газификации под давлением твердые топлива, такие как торф, бурый уголь, кокс, каменный уголь, биомасса и т.п. с зольностью до 50% масс. и влагосодержанием до 50% масс., при использовании смеси паров воды и кислорода или воздуха, подаваемой противоточно под давлением от 1 до 100 бар (абс.) и при температуре ниже температуры плавления зольного остатка, содержащегося в соответствующем топливе, могут быть газифицированы с образованием неочищенного получаемого газа (Ullmann's Encyclopaedia of Industrial Chemistry, Vol. A 12, VCH Verlagsgesellschaft mbH, Weinheim 1989, p. 218-226; Lurgi Handbuch, Lurgi Gasellschaften, Frankfurt am Main 1970, 2^nd chapter 2.1). Из неочищенного получаемого газа с давлением от 5 до 40 бар (абс.) при помощи, так называемого, способа Rectisol® (публикация фирмы № 1676е/07.02/10; Lurgi Ol Gas Chemie GmbH, Frankfurt 2002) содержащиеся в этом газе нежелательные компоненты СО₂ , СН₄, пары воды, N₂, Ar, H₂ S, COS, HCN, NH₃, карбонилы никеля и железа, компоненты смол, CS₂, меркаптаны, нафталины, тиофены, органические сульфиды и C_nH_m могут быть абсорбированы в нескольких зонах холодным оксигенатом, таким как CH₃ OH или DME, при этом СО₂ удаляют в последней зоне. Насыщенный оксигенат регенерируют путем редуцирования, вакуумирования или нагревания и, затем, используют снова. Нежелательные компоненты могут быть извлечены из отходящих газов или конденсатов.

Неожиданно было обнаружено, что описанный выше способ очистки неочищенного газа, получаемого газификацией твердого топлива, каковой способ основан на способности холодных оксигенатов, особенно СН₃ОН, удалять все газообразные примеси из неочищенного получаемого газа за одну технологическую стадию, также может быть использован для удаления СО₂ из циркулирующей газообразной флегмы, образующейся при прямом восстановлении железной руды и насыщенной СО₂ и водяным паром. В зависимости от того, какой способ прямого восстановления используется, температура газообразной флегмы составляет от 50 до 250°С, а давление соответствует диапазону от 2 до 8 бар (абс.).

В ходе прямого восстановления железную руду в форме гранул размером от 3 до 15 мм или, также, крупнокусковую руду размером от 3 до 20 мм нагревают во вращающейся печи до температуры восстановления получаемым газом, выступающим в роли восстановителя, и восстанавливают непосредственно до губчатого металлического железа. В результате реакции получаемого газа с железной рудой образуются СО₂ и водяные пары, которые необходимо непрерывно удалять из циркулирующей газообразной флегмы путем отделения СО₂, по возможности, вместе с соединениями серы, содержащимися в газообразной флегме, посредством хемосорбционной промывки газа и конденсации водяных паров.

Целью настоящего изобретения является освобождение газообразной флегмы, циркулирующей в процессе прямого восстановления железной руды, от водяных паров и осуществление промывки газа с физической сорбцией СО₂, содержащегося в газообразной флегме.

Достижение этой цели состоит в том, что газообразную флегму, насыщенную водяными парами и СО₂ , с температурой от 50 до 250°С и давлением от 2 до 8 бар (абс.) отводят из цикла циркуляции газообразной флегмы процесса прямого восстановления железной руды, охлаждают до температуры от 15 до 45°С, повышают давление до величины от 25 до 75 бар (абс.) и, лишенную водяных паров, смешивают с обессеренным получаемым газом перед физической сорбцией СО₂. При этом газообразная флегма, отводимая из цикла циркуляции газообразной флегмы процесса прямого восстановления железной руды при низком давлении от 2 до 8 бар (абс.), может быть сжата до давления от 25 до 75 бар (абс.), необходимого для физической сорбции СО ₂, и, таким образом, СО₂ может быть отделен одновременно от обессеренного получаемого газа и газообразной флегмы. При такой процедуре более нет необходимости в осуществлении хемосорбционной промывки и промывки водой непосредственно в цикле циркуляции газообразной флегмы процесса прямого восстановления железной руды. Кроме того, одновременная физическая сорбция СО ₂ из газовой смеси, состоящей из обессеренного получаемого газа и отводимой газообразной флегмы, не содержащей водяных паров, позволяет осуществить жидкостное связывание СО₂. Энергию, необходимую для повышения давления отводимой газообразной флегмы, получают при дросселировании газовой смеси. Также возможно использование этого избытка энергии для производства электроэнергии.

Водяные пары, содержащиеся в отводимой газообразной флегме, удаляют путем конденсации.

В рамках дальнейшего развития настоящего изобретения, удаление содержащихся в отводимой газообразной флегме, охлажденной до температуры от 15 до 45°С и сжатой до давления от 25 до 75 бар (абс.), водяных паров осуществляют путем физической сорбции с использованием оксигенатов.

Целесообразно отводить из цикла циркуляции процесса прямого восстановления железной руды от 10 до 80% об., предпочтительно, от 10 до 60% об. газообразной флегмы.

Дальнейшее развитие способа настоящего изобретения предусматривает снижение давления газовой смеси, полученной после физической сорбции СО₂, имеющей температуру от 0 до 30°С и давление от 25 до 75 бар (абс.), до величины от 2 до 8 бар (абс.), соответствующей давлению циркулирующей газообразной флегмы, нагревание до температуры от 150 до 250°С и подачу в цикл циркуляции газообразной флегмы процесса прямого восстановления железной руды.

Целесообразно осуществлять нагревание газовой смеси с пониженным давлением и температурой от 0 до 30°С путем передачи тепловой энергии от отводимой газообразной флегмы к этой газовой смеси.

В отдельном варианте осуществления настоящего изобретения предусматривается, что СО₂, десорбованный путем снижения давления насыщенного оксигената до, практически, атмосферного давления, переводят в сверхкритическое состояние и используют для вытеснения нефти растворителями из тех нефтяных залежей, откуда нефть уже частично извлекли, или для хранения в подземных хранилищах в пористых пластах, кавернах-хранилищах, истощенных месторождениях природного газа или горизонтах соленых вод. С этой целью десорбированный СО₂ сжимают до давления от 10 до 30 бар (абс.) и охлаждают до температуры от -5 до -40°С. В других случаях использования достаточно повысить давление десорбированного СО₂ до 40 бар (абс.).

Оборудование для осуществления настоящего способа включает установку, состоящую из турбины на валу с компрессорным узлом, в котором содержащую СО₂ газообразную флегму, из которой удалена большая часть водяных паров, сжимают до давления очищенного получаемого газа, и дросселирующим узлом, в котором уменьшают давление полученной газовой смеси, и генератора, соединенного с турбиной. В случае возможного дефицита энергетического баланса между отводимой газообразной флегмой и газовой смесью, подаваемой в цикл циркуляции газообразной флегмы, генератор также может быть использован в качестве электродвигателя для компенсации.

Далее настоящее изобретение более подробно поясняется со ссылкой на технологическую схему и пример осуществления, схематически показанный на чертеже.

В не показанном устройстве для газификации под давлением из битуминозного угля (который считается не содержащим воду и золу) производится 200000 кг/ч неочищенного получаемого газа состава 27,8% об. СО ₂, 23% об. СО, 28,6% об. Н₂, 9,1% об. СН ₄, 0,4% об. C_nH_m, 0,4% об. N ₂, который после удаления HCN и NH₃ на не показанной предварительной стадии и охлаждения до температуры в диапазоне от 25 до 45°С, предпочтительно, 35°С, под давлением в диапазоне от 15 до 40 бар (абс.), предпочтительно, 27 бар (абс.) подают по трубопроводу (1) на первую ступень (2) газопромывной колонны. В газопромывной колонне H₂S и COS, а также любые другие серосодержащие соединения, удаляют путем абсорбции из неочищенного получаемого газа холодным СН₃ОН и выводят из процесса по трубопроводу (3) при температуре 30±5°С и давлении 1,5±0,5 бар (абс.). С первой ступени (2) газопромывной колонны обессеренный получаемый газ с температурой в диапазоне от 0 до 30°С, предпочтительно, 18°С подают при, приблизительно, том же давлении по трубопроводу (4) на вторую ступень (5) промывки газа, где СО₂ отделяют путем абсорбции холодным СН ₃ОН и выводят из процесса по трубопроводу (6) при температуре 30±5°С и давлении 1,5±0,5 бар (абс.).

Существует возможность уменьшения давления СН₃ОН, насыщенного поглощенным СО₂, и сжижения десорбированного СО₂ путем переведения его в сверхкритическое состояние и использования для других целей. В остальных случаях использования достаточно повысить давление десорбированного СО₂ до 40 бар (абс.).

Газовую смесь, выходящую со второй ступени (5) промывки газа с температурой в диапазоне от 0 до 30°С, предпочтительно, 23°С и давлением в диапазоне от 25 до 75 бар (абс.), предпочтительно, 32 бар (абс.), образованную очищенным получаемым газом и не содержащей СО₂ и водяных паров газообразной флегмой, по трубопроводу (7) подают на ступень дросселирования (8) турбины на валу (9), где давление этой газовой смеси снижается до значений диапазона от 2 до 8 бар (абс.), предпочтительно, 4 бар (абс.) при температуре - в зависимости от состава данной газовой смеси - в диапазоне от 0 до 30°С. На ступень компрессии (10) турбины на валу (9) по трубопроводу (11, 11') подают газообразную флегму, насыщенную СО₂ и водяным паром, с давлением в диапазоне от 2 до 8 бар (абс.), предпочтительно, 4 бар (абс.) и температурой в диапазоне от 50 до 250°С, предпочтительно, 135°С, отводимую из цикла циркуляции газообразной флегмы процесса прямого восстановления железной руды, каковая газообразная флегма проходит через теплообменник (12), через который проходит и газовая смесь. В теплообменнике (12) большая часть водяных паров, содержащихся в газообразной флегме, подаваемой по трубопроводу (11), конденсируется, конденсат выводится из процесса по трубопроводу (13). Газообразную флегму, выходящую со ступени компрессии (10) по трубопроводу (14), которая после компрессии находится под давлением в диапазоне от 25 до 75 бар (абс.), предпочтительно, 34 бар (абс.) и имеет температуру в диапазоне от 15 до 45°С, предпочтительно, 24°С, после охлаждения подают на вторую ступень (5) промывки газа. Вторая ступень (5) включает колонну обезвоживания, в которой из газообразной флегмы оставшиеся водяные пары удаляют путем охлаждения и сушки с использованием СН₃ОН. Перед подачей на вторую ступень (5) промывки газа газообразная флегма, необязательно, может быть пропущена через теплообменник (15), расположенный на трубопроводе (14) с тем, чтобы предварительно снизить температуру газообразной флегмы. Газовую смесь, выходящую со ступени дросселирования (8) турбины на валу (9) по трубопроводу (16, 16') с температурой в диапазоне от 0 до 30°С, предпочтительно, 10°С, направляют в теплообменник (12). В результате теплообмена с отводимой газообразной флегмой газовая смесь, подаваемая на прямое восстановление железной руды, нагревается до температуры в диапазоне от 150 до 250°С, предпочтительно, 280ºС и имеет давление в диапазоне от 2 до 8 бар (абс.), предпочтительно, 6 бар (абс.). С валом турбины (9) соединен генератор (17), который, в случае необходимости, может быть использован в качестве электродвигателя.