Результат интеллектуальной деятельности: Способ газификации различных видов топлива в политопливном газогенераторе

Изобретение относится к области энергетики и химической промышленности при комплексной переработке углеродсодержащих материалов, таких как: угли, торф, горючие сланцы, а также углеродсодержащие техногенные материалы, такие как: отходы углеобогащения, отходы деревообработки, твердые коммунальные отходы. Предлагаемый способ позволяет также комплексно перерабатывать различные виды жидкого топлива, включая низкосортные виды мазутов, отходы нефтепереработки, грунт, содержащий нефть и нефтепродукты. Изобретение может также найти применение в черной и цветной металлургии и предназначено для извлечения черных и цветных металлов, содержащихся в твердом и жидком видах топлива.

Известен способ получения генераторных газов из углей в печи барботажного типа РОМЕЛТ (Газификация угля в шлаковом расплаве / А.В. Баласанов, В.Е. Лехерзак, В.А. Роменец, А.Б. Усачев; под ред. А.Б. Усачева. - М.: «Институт Стальпроект», 2008. - 288 с.). В газификаторах типа РОМЕЛТ твердое топливо загружается в шлаковую ванну, барботируемую кислородсодержащим дутьем. Частицы твердого топлива замешиваются в шлаке, в котором протекают процессы испарения и конверсии паров воды, выделения летучих, газификации коксового остатка. Отходящие из печи генераторные газы состоят, в основном, из СО и Н₂ и содержат менее 10% СО₂, H₂O и N₂. В газогенераторе РОМЕЛТ возможна подача газообразного топлива с получением генераторных газов. Также возможна комплексная переработка твердого топлива с частичным извлечением ряда черных и цветных металлов в металлическую фазу, образованную на базе углеродистого расплава железа (Процесс Ромелт / Под ред. В.А. Роменца. - М.: ИД. «Руда и Металлы», 2005. - 400 с.). К недостаткам газогенераторов на базе печей РОМЕЛТ относятся следующие: значительный (до 5% и выше) вынос твердого топлива с отходящими газами, невозможность комплексной переработки жидкого топлива.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является Способ металлургической многоцелевой газификации твердого топлива. Патент РФ 2422538. Изобретение относится к области прямого получения железа и к металлургической газификации твердого топлива и может применяться в металлургии, энергетике, для уничтожения отходов и в других отраслях промышленности. Способ металлургической многоцелевой газификации твердого топлива по патенту РФ 2422538 может использоваться для получения из твердого топлива горючего газа, который используется для получения тепла, пара или электроэнергии путем сжигания его в энергетическом котле или в газовой турбине; кроме того, получаемый газ может использоваться как технологическое топливо в различных производствах; оксидные конденсированные продукты газификации могут использоваться для производства строительных материалов; можно вместе с газификацией перерабатывать различные виды бытовых и промышленных отходов. Многоцелевой характер способа определяется разнообразием путей его возможного применения.

В способе по патенту РФ 2422538 возможно также частичное извлечение черных и цветных металлов в металлическую фазу. Основными недостатками способа металлургической многоцелевой газификации твердого топлива являются: высокий (до 5% и более) пылеунос твердого топлива, невозможность переработки жидкого топлива. Помимо этого, в указанном патенте отсутствует возможность газификации жидкого топлива.

Из практики сжигания жидкого топлива в факеле известно, что специфической особенностью горения жидких видов топлива является большой химический недожог. Каждое горючее, представляющее собой углеродистое соединение, имеет свойственную ему величину химического недожога, которая составляет: для спирта - 5,3%; для керосина - 17,7%; для бензина - 12,7%; для бензола - 18,5% (Хзмалян Д.М., Каган Я.А. Теория горения и топочные устройства: Учебное пособие для Вузов. Под ред. Хзмаляна Д.М. - М., «Энергия», 1976 - 488 с.).

Процесс возникновения химического недожога можно представить следующим образом. Парообразные углеводороды при движении внутри конусообразного факела до фронта пламени при нахождении в области высоких температур при отсутствии кислорода, подвергаются термическому разложению вплоть до образования свободного углерода и водорода.

Свечение пламени обусловливается нахождением в нем частиц свободного углерода, которые, раскалившись за счет выделяемого при горении тепла, излучают свет. Часть свободного углерода не успевает сгорать и в виде сажи уносится продуктами сгорания, образуя коптящий факел. Присутствующие в продуктах сгорания углерод и СО обусловливают значительную величину химического недожога. Чем больше содержание углерода в жидком топливе и чем меньше он насыщен водородом, тем больше образование чистого углерода, ярче факел, больше химический недожог. Особенно высокий недожог наблюдается в тяжелых сортах жидкого топлива типа мазута. Поэтому сжигание низкосортных видов жидкого топлива нерационально по традиционной технологии в факеле.

Значительный недожог в еще большей степени присущ процессам генерации горючих газов, реализуемых при недостатке кислорода. Прямая газификация жидкого топлива в барботажных печах типа РОМЕЛТ будет приводить к значительному уносу из реакционной зоны образующегося сажистого углерода.

Указанные недостатки можно устранить, применив предлагаемый способ газификации различных видов топлива в политопливном газогенераторе.

Техническим результатом является снижение пылевыноса из газификатора (с 5% до 2%) и снижения недожога жидкого топлива (с 15-18% до 1-2%).

Технический результат достигается следующим образом, включающим подачу частиц твердого топлива в ванну оксидного расплава, подачу в ванну сбоку газообразного окислителя струями, отвод конденсированных реакционных продуктов в жидком виде, отвод и охлаждение газообразных реакционных продуктов, отличающимся тем, что твердое топливо загружается на поверхность расплава в виде брикетов, состоящих из твердого и жидкого топлива, причем жидкое топливо вводится в брикеты на стадии брикетирования, при этом весовое отношение количества жидкого топлива к твердому топливу в брикетах поддерживается в пределах 0,01-0,50. Нижний предел обусловлен тем, что введение 1% мазута в угольные брикеты (отношение мазут/уголь = 0,01) практически не влияет на состав отходящего газа, однако снижает вынос пыли с 76 до 57 кг/час. Верхний предел обусловлен тем, что при увеличении доли мазута в брикетах выше 0,5 увеличивается вынос пыли и снижается прочность брикетов.

Пример.

В качестве твердого топлива использовали энергетический уголь марки «ОС». Технический состав угля: зола - 10%, летучие - 14,5%, влага - 10%, сера - 0,5%. В качестве жидкого топлива использовали высокосернистый мазут марки М 100. Технический состав мазута: зола - 0,2%, влага - 1%, сера - 2,5%, углерод - 85,0%, кислород - 1,3%, водород - 10%. Газифицируемое твердое топливо подается в шлаковую ванну в виде брикетов. Мазут добавлялся в брикеты. Был также проведен эксперимент с подачей мазута на поверхность шлаковой ванны. В качестве флюса использовали известняк. Объем дутья на барботажных фурмах - 4000 нм³/час. Содержание кислорода в дутье - 65%. Температура шлаковой ванны находилась в пределах 1450-1500°C. Результаты экспериментов приведены в табл. 1.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что введение 1% мазута в угольные брикеты (отношение мазут/уголь = 0,01) практически не влияет на состав отходящего газа, однако снижает вынос пыли с 76 до 57 кг/час. Этот эффект объясняется тем, что мазут выступает в качестве связующего и упрочняет брикеты. Точное дозирование мазута при его введении в брикеты в количестве менее 1% практически невозможно, так как находится за пределами точности весоизмерительного оборудования.

По мере увеличения доли мазута в угольных брикетах увеличивается вынос пыли за счет описанного выше недожога. При газификации мазута происходит выделение мельчайших частиц углерода, которые покидают пространство печи с отходящими газами, не вступая в реакцию с кислородом. Значительное увеличение выноса пыли наблюдается при увеличении доли мазута в брикетах выше 0,5. Так, введение мазута в угольные брикеты в количестве 0,52 приводит к скачкообразному росту выноса пыли до 112 кг/час. Дальнейшее увеличение доли мазута в брикетах приводит также к значительному снижению прочности брикетов и кратному увеличению выноса пыли. Подача чистого мазута на газификацию (последний столбец таблицы) приводит к недопустимому выносу пыли, состоящей в основном из сажистого углерода.