Результат интеллектуальной деятельности: Устройство и способ для введения кислорода в процесс газификации в псевдоожиженом слое под давлением

[0001] Настоящее изобретение относится к способу и устройству для введения кислорода в процесс газификации в псевдоожиженном слое под давлением, который обычно применяют в реакторе газификации согласно способу с применением высокого давления Винклера (способу HTW).

[0002] Способ HTW известен в течение длительного времени и является испытанной и проверенной технологией, посредством которой как твердые, так и жидкие или пастообразные углеродсодержащие топлива превращают в синтез-газ. Применяемыми топливами являются также тяжелые топлива с очень высокой зольностью, а также топлива на основе материалов биомассы и углеродсодержащих отходов. Их вводят в псевдоожиженный слой, который работает как кипящий псевдоожиженный слой, газифицируют посредством кислорода, пара и CO₂. В отличие от других способов газификации, способ HTW осуществляют при умеренных температурах, при которых образующаяся зола не плавится. Это характеризуется технологическим преимуществом, в частности, в случае корродирующих зол.

[0003] Добавку кислорода следует дозировать очень точно, поскольку избыточная дозировка может привести к повышенному выгоранию и, следовательно, к увеличению содержания CO₂ в синтез-газе, чего следует избегать. Кроме того, избыточная дозировка в непосредственном окружении точек подачи кислорода может привести к плавлению частиц золы, в результате чего может происходить спекание с материалом псевдоожиженного слоя, а это может привести к налипанию материала к кислородным фурмам. Поэтому необходима точная, быстрая и тонкая регулировка подачи кислорода, поскольку топлива частично подают периодически под давлением. Это приводит к чрезвычайно жестким требованиям, которым должны удовлетворять кислородные фурмы, обычно применяемые для введения необходимого кислорода в реактор с псевдоожиженным слоем.

[0004] Соответствующие кислородные фурмы описаны, например, в DE 3439404 C2 и DE 4407651 C1, которые соответствуют существующему до настоящего времени уровню техники. В них проблема возможного спекания решается тем, что в точке выхода кислорода предусматривают добавление пара таким образом, чтобы образовать паровую пленку, которая окружает выходящую струю кислорода. Турбулентные потоки, образуемые в это время в струе выходящего газа, характеризуются очень высоким содержанием пара, посредством которого предотвращают перегрев увлекаемых частиц псевдоожиженного слоя и, таким образом, значительно снижает тенденцию к спеканию.

[0005] Однако данная технология предусматривает проблемы при давлениях выше 8-10 бар. Перед добавлением в кислородные фурмы кислород обычно подвергают предварительному нагреву. Однако с целью безопасности может быть предпочтительным отсутствие проведения нагревания выше 180°C, поскольку в этом случае детали оборудования, в частности уплотнения, являющиеся стандартными в промышленности, корродируют. Выше 200°C существуют нормативные лицензионные ограничения при использовании материала. Если предварительно нагретый кислород вводят в кислородную фурму при 180°C и если перегретый пар подают в окружающую трубу под давлением выше 8-10 бар, на стороне пара подводящей кислород трубы образуются конденсаты. Эти конденсаты изменяют режим течения выхода газа в настолько значительной степени, что окружающая паровая пленка уже не образуется вокруг кислородной фурмы. Это приводит к выходу из строя кислородных фурм.

[0006] Поэтому целью настоящего изобретения является обеспечение доступного устройства и способа для введения кислорода в процесс газификации в псевдоожиженном слое под давлением, который также применим для рабочих давлений выше 10 бар и, наряду с высокой безопасностью и доступностью, является эффективным.

[0007] Цель достигается посредством кислородной фурмы, содержащей по меньшей мере три трубы, расположенные соосно по отношению друг к другу и по меньшей мере в каждом случае ограничивающие кольцевое пространство, причем

- внешняя труба выполнена с возможностью пропускания перегретого пара и содержит точку подачи пара,

- средняя труба выполнена с обеспечением кольцевого пространства,

- внутренняя труба выполнена с возможностью пропускания кислорода с температурой, не превышающей 180°C, и содержит точку подачи кислорода,

- внутри внутренней трубы установлен датчик температуры, который почти достигает устья внутренней трубы,

- внутренняя труба сходит на конус по типу сопла перед ее устьем,

- внутренняя труба выходит в среднюю трубу, и

- устье средней трубы дополнительно выступает по отношению к устью внешней трубы.

[0008] В одном варианте осуществления средняя труба может быть выполнена в виде заглушенной трубы, закрытой с обеих сторон, и в этом случае выражение "устье", применяемое в предыдущем абзаце, подразумевается в этом ограничивающем случае относящимся только к концу трубы вблизи устья внешней трубы. В другом варианте осуществления средняя труба открыта со стороны устья кислородной фурмы. В дополнительном варианте осуществления средняя труба выполнена с возможностью пропускания сухого газа и содержит точку введения газа. В этом случае, в дополнительном варианте осуществления, возможно условие, при котором средняя труба сходит на конус по типу сопла перед устьем внутренней трубы, выходящей в среднюю трубу.

[0009] Под сухим газом в данном документе понимают, как это принято в технологии сжигания в отличие от технологии получения пара, промышленный газ без фракций пара. Напротив, ниже под влажным газом понимают промышленный газ, содержащий также фракции пара, хотя это и не подразумевает, что образована многофазная смесь. Поэтому перегретый пар должен рассматриваться как влажный газ даже несмотря на то, что он является сухим в том смысле, что не произошло образование влажного пара.

[0010] Цель также достигается, как описано выше, с помощью способа для введения кислорода в реактор газификации с псевдоожиженным слоем, эксплуатируемый согласно способу HTW, посредством кислородной фурмы, при котором

- подают влажный газ во внешнюю трубу под давлением, превышающим давление в реакторе газификации с псевдоожиженным слоем,

- подают кислород во внутреннюю трубу при температуре, не превышающей 180°C, и под давлением, превышающим давление в реакторе газификации с псевдоожиженным слоем,

- происходит выход влажного газа из устья внешней трубы в виде наружного потока вокруг устья средней трубы и выход свободной струи, при этом скорость потока выходящего влажного газа устанавливают выше скорости выходящего газа из внутренней трубы.

[0011] В вариантах осуществления способа возможно условие, при котором сухой газ вводят в среднюю трубу под давлением, превышающим давление в реакторе газификации с псевдоожиженным слоем, и тем самым кислород и сухой газ смешивают перед устьем средней трубы.

[0012] В дополнительных вариантах осуществления способа предусмотрено условие, при котором влажный газ представляет собой перегретый пар или смесь диоксида углерода и перегретого пара.

[0013] В дополнительных вариантах осуществления способа предусмотрено условие, при котором сухой газ представляет собой диоксид углерода, азот или смесь диоксида углерода и воздуха, или смесь диоксида углерода и азота. Также предусмотрено условие, при котором во время эксплуатации не происходит перемещение сухого газа. Кроме того, насколько это необходимо в процессе газификации, возможна эксплуатация без сухого газа, при этом положительные эффекты при температуре влажного газа сохраняются. Минимальная температура подачи сухого газа в среднюю трубу обусловлена точкой росы влажного газа, используемого во внешней трубе, в случае чистого пара она соответствует температуре насыщенного пара.

[0014] Стало очевидно, что настоящее техническое решение особенно выгодно экономически, поскольку линии подачи диоксида углерода могут применяться вследствие потребности обеспечения инертизации кислородных фурм при резких остановках, а введение дополнительной трубы в кислородные фурмы ведет лишь к небольшим затратам. Выбор сухого газа с высокой удельной теплоемкостью и дополнительное экранирование горячего влажного газа от более холодного кислорода предотвращает заметное снижение температуры в несущей пар внешней трубе и, следовательно, конденсацию пара во внешней трубе.

[0015] Настоящее изобретение поясняется более подробно ниже с помощью 2 схем. На фиг. 1 в этом случае схематически показан разрез через кислородную фурму, устье которой выходит в псевдоожиженный слой реактора газификации HTW, не показанного, а на фиг. 2 показана принципиальная схема линий подачи кислорода, диоксида углерода и пара.

[0016] Кислород 1 направляют во внутреннюю трубу 2, в которой установлено устройство 3 для измерения температуры. Температура составляет до 180°C, а давление на входе составляет до примерно 28 бар. Точное значение давления определяют с помощью регулятора расхода, с помощью которого в реактор подают точное количество кислорода, необходимое в данный момент для газификации. Диоксид 5 углерода при 230°C добавляют в среднюю трубу 4. Перегретый пар 7 с давлением примерно 29 бар и температурой 410°C вводят во внешнюю трубу 6. Посредством данного пара нагревается диоксид углерода до температуры примерно 270°C, при этом кислород аналогично немного нагревается. Поскольку точка росы пара в этом случае не достигается, пар не конденсируется и не образуются капли в устье 8 внешней трубы таким образом, что вокруг конца кислородной фурмы может образовываться однородная пленка пара.

[0017] Кислород внутренней трубы и диоксид углерода средней трубы соединяют в точке 9 смешивания в общий газовый поток, при этом точка подачи уже находится внутри псевдоожиженного слоя в реакторе газификации HTW. Смесь направляют в виде свободной струи 10 в псевдоожиженный слой, при этом пленка пара защищает кислород от образования завихрений вокруг конца сопла и тем самым предотвращает возможный локальный перегрев, приводящий к размягчению и спеканию золы на конце сопла. Поэтому реактор с псевдоожиженным слоем может работать под давлением 28 бар.

[0018] На фиг. 2 показана принципиальная схема с линиями подачи кислорода 11, диоксида 12 углерода и перегретого пара 13, а также с наиболее важными клапанами отключения и регулировки. В случае аварии диоксид углерода может быть подан в линию кислорода через продувочный клапан 14 и в линию пара через регулировочный клапан 15. Как правило, оба клапана закрыты. В зависимости от необходимого количества кислорода регулировочный клапан 16 служит для подачи кислорода, регулировочный клапан 17 служит для регулировки количества диоксида углерода, а регулировочный клапан 18 служит для введения пара. Кислород 11 также может быть распределен на другие уровни сопла посредством распределителя 19 кислорода.

[0019] Настоящее изобретение иллюстрируют следующие расчеты и примеры конструкций:

- в примере 1 во внешнюю трубу подают пар, а в среднюю трубу подают азот;

- в примере 2 во внешнюю трубу подают пар, а в среднюю трубу подают диоксид углерода;

- в примере 3 во внешнюю трубу подают смесь, состоящую из равных частей по массе диоксида углерода и пара, а в среднюю трубу подают диоксид углерода;

- в примере 4 во внешнюю трубу подают пар, а среднюю трубу оставляют без какого-либо потока.

[0020] Во всех примерах во внутреннюю трубу подают кислород, при этом ее внутренний диаметр составляет примерно 25 мм и внутри нее установлена термопара толщиной 11 мм. Все указания размеров являются приблизительными показателями, полученными из конструктивных расчетов.

Во всех случаях температура насыщенного пара влажного газа внешней трубы ни в какой точке не достигается в средней трубе, и поэтому конденсация происходить не может.

[0021] Настоящее изобретение не ограничено иллюстрированными примерами, а также, кроме того, в случае различных ситуаций загрузки или рабочих ситуаций возможна гибкая адаптация соответствующих потоков к требованиям.

Перечень условных обозначений:

1 кислород

2 внутренняя труба

3 устройство для измерения температуры

4 средняя труба

5 диоксид углерода

6 внешняя труба

7 пар

8 устье внешней трубы

9 точка смешивания

10 свободная струя

11 кислород

12 диоксид углерода

13 пар

14 продувочный клапан

15 регулировочный клапан

16 регулировочный клапан

17 регулировочный клапан

18 регулировочный клапан

19 распределитель кислорода