РЕАКТОР ГАЗИФИКАЦИИ И СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ В ПОТОКЕ

Изобретение относится к способу и устройству газификации как мелкоизмельченного топлива, например пылевидного топлива из угля, нефтяного кокса, биологических отходов или биотоплива, так и жидкого топлива, как нефть, смола, остатки с рафинирования и другие жидкие остатки, которые можно распылить в газификаторе, для получения неочищенного синтез-газа, который состоит в основном из моноксида углерода и водорода и в дальнейшем называется сырым газом.

Способы и устройства этого типа известны в большом числе. Например, известны конструкции со стоком шлака снизу и выпуском газа сверху. Документ US 3963457 описывает газификатор Копперса-Тотцека с горизонтальными, расположенными напротив друг друга горелками, с выпуском шлака снизу, выпуском газа и охлаждением газа сверху и способ с возвращением охлажденного газа. Документ EP 0400740 B1 описывает газификатор Shell с горизонтальной горелкой, выпуском шлака снизу, выпуском газа сверху и охлаждением газа вверху, выполненный с вертикальной смесительной насадкой. В US 4936871 описан газификатор Копперса с выпуском газа сверху и направленным вверх охлаждением газа, выполненный также с вертикальной смесительной насадкой. Документ US 5441547 описывает газификатор PRENFLO также с выпуском газа сверху и направленным вверх охлаждением газа, также выполненный с вертикальной смесительной насадкой, а кроме того, с отклонением и теплообменником внизу. В US 4950308 описывается газификатор Круппа-Копперса с горизонтальными горелками, выпуском шлака внизу, выпуском газа вверху и, кроме того, выполненный со струйным охлаждением и газовым охлаждением. Большинство газификаторов Копперса-Тотцека имели водяное охлаждение, которое приводило к охлаждению до примерно 1000°C, что было слишком далеко от точки росы образованного газа, причем форсунками создавался водяной душ.

Недостатками этих технологий были большая высота конструкций, а также недостаточная пригодность для дальнейшего охлаждения полученного сырого газа. Если бы захотели использовать водяное охлаждение с избытком воды, чтобы достичь охлаждения синтез-газа до точки росы, возникла бы опасность, что вода может попасть в находящиеся внизу области горелок, что с точки зрения техники безопасности было бы очень рискованно. Кроме того, возникли бы термодинамические недостатки, если бы вода для охлаждения попала в реакционную зону газификатора.

Известны также конструкции с газификатором, у которого выход сырого газа и шлака проводится через одно отверстие в дне и который выполнен с водяным охлаждением с погружной трубой. Например, в документе US 4247302 описывается газификатор Texaco с расположенной вверху горелкой и расположенным снизу общим выходом газа и шлака. Под газификатором находится разделительный резервуар, из которого шлак падает вниз в шлаковую ванну, а синтез-газ течет сбоку в резервуар охлаждения газа. Недостатком является то, что требуется несколько резервуаров и имеется склонность к забивке, так как должны перемещаться горячие, еще не застывшие частицы шлака, в частности, в трубопроводе от разделительного резервуара к резервуару охлаждения.

В US 4494963 описан газификатор Texaco с расположенными вверху горелками и общим выходом для газа и шлака внизу. Ниже газификатора находится жидкостное охлаждение, состоящее в основном из трубы, смачиваемой охлаждающей жидкостью, например водой, и погруженной в ванну. Похожий способ описан также в EP 0278063 A2. В документе EP 0374324 A1 описывается, как такая погружная труба дополнительно смачивается жидкостью изнутри. Другие примеры похожих конструктивных форм представлены в публикациях US 4992081 и US 5744067.

Благодаря использованию смачиваемой жидкой пленкой погружной трубы предотвращаются отложения. Эта жидкая пленка прилипает к стенке, движется вертикально, охлаждает и предотвращает образование отложений. Но недостатком такой идеи является то, что температура на выходе с охлаждения зависит от величины и времени пребывания газовых пузырьков в водяной бане, на что, в свою очередь, влияет несколько факторов, например расход газа, давление, содержание твердой фазы в водяной бане, из-за чего происходят колебания температуры на выходе, и нельзя достичь эффективного отделения летучей золы. Кроме того, нижний конец погруженной трубы попеременно контактирует с горячим газом и водой, что ведет в быстрой усталости материала и образованию отложений.

Известны также конструкции газификаторов, у которых как образующийся синтез-газ, так и шлак проводятся вниз и для охлаждения предусмотрено распылительное охлаждение. Такой газификатор описан, например, в документе DE 4001739 A1. Ниже газификатора вода на разных уровнях разбрызгивается в виде распылительного конуса на горячий газ. Охлажденный газ покидает зону охлаждения сбоку, а шлак падает в водяную баню. Похожая технология описана также в WO 98/45388 A2.

Документ DE 102005048488 A1 описывает систему с несколькими расположенными симметрично горелками в голове реактора, причем образующийся сырой газ и шлак вместе охлаждаются в охлаждающем устройстве, посредством разбрызгивания воды до точки росы, которая лежит между 180°C и 240°C, или частично охлаждаются с использованием отходящего тепла. В DE 102005041930 A1 описывается, как шлак и сырой газ вместе выводятся через шлюз вниз, причем одна или несколько расположенных по кругу форсунок впрыскивает конденсационную воду, шлак выводится через водяную баню. Отделение пыли проводится на выходе камеры охлаждения. В DE 102005041931 A1 описано, кроме того, частичное охлаждение посредством расположенных в рубашке форсунок с конденсационной водой, с охлаждением до примерно 700-1100°C; к охлаждению примыкает котел-утилизатор.

Документ DE 19751889 C1 описывает способ газификации, в котором выходящие из газификатора горячие сырые газы охлаждаются с помощью охлаждающих сопел. Зола покидает реактор через интенсивно охлаждаемую линию выпуска шлака и в охлаждающем сопле охлаждается и промывается. Охлаждающее сопло имеет кромку для стекания шлака; интенсивное перемешивание достигается благодаря сужению в охлаждающем сопле. Затем шлак выгружается через шлюз и очищается от сажи. В EP 0084343 A1 описан работающий ниже водяной бани газификатор угля с двухступенчатым охлаждением, причем первое охлаждение находится сразу за газификатором. Похожий способ описан в документе US 20070062117 A1. В DE 102005048488 A1 также описан газификатор, который работает напротив водяной бани, и в котором охлаждение проводится посредством распыления воды.

Недостатком этих способов является то, что текущая вниз струя горячего газа и капельные водяные струи из форсунок создают в камере охлаждения интенсивную циркуляцию, из-за чего капли воды распределяются по всей камере. При этом капли воды так интенсивно охлаждают шлак вблизи шлаковыпускного отверстия, что его поверхность застывает, и образуются сталактиты. Мелкие частицы шлака и капли воды образуют отложения на стенках, которые не смачиваются водяной пленкой, то есть на сухих стенках, крышке, форсунках, в частности в местах, которые попеременно бывают влажными и сухими. Всегда, когда вода у стенок испаряется, образуются отложения из примесей. Сталактиты и отложения приводят в дальнейшем к серьезным производственным проблемам.

Описаны также способы газификации, в которых образованный синтез-газ и шлак проводятся вниз отдельно друг от друга. Например, документ DE 19718131 A1 описывает, как образующийся при газификации газ и расплав, в частности расплав соли как особая форма шлака, выводятся отдельно. При этом синтез-газ охлаждается в отводящем устройстве путем впрыскивания воды или раствора соли через форсунки. Расплав проводится в собственную ванну и обрабатывается соответствующим образом.

Поэтому задачей изобретения является разработать не имеющий описанных выше недостатков простой и экономичный способ газификации, а также подходящее для этого устройство получения сырого газа путем газификации жидкого или тонкоизмельченного твердого топлива кислородсодержащими газообразными агентами газификации под давлением от 0,3 до 8 МПа при температуре в диапазоне от 1200 до 2000°C в охлаждаемом реакторе, на стенках которого осаждается жидкий шлак и который находится в резервуаре высокого давления.

Изобретение решает эту задачу тем, что

- получаемый синтез-газ образуется в первой реакционной камере, расположенной вверху реактора,

- в верхнюю часть которой подаются входные компоненты,

- на боковых стенках которой осаждается жидкий шлак, который может свободно стекать без застывания при этом поверхности шлака,

- и в нижней части которой предусмотрено отверстие с кромкой для стекания, из которого может как отводиться вниз полученный синтез-газ, так и стекать опускающийся жидкий шлак,

- снизу к отверстию примыкает вторая камера, в которой синтез-газ удерживается сухим и охлаждается, и

- вторая камера ограничена водяной пленкой, которая создается подходящими устройствами и свободно падает как водяная завеса,

- снизу ко второй камере примыкает третья камера, в которой происходит охлаждение путем подачи воды в синтез-газ,

- снизу к третьей камере примыкает водяная баня, в которую падают стекающие и уже застывшие или еще жидкие частицы шлака,

- и под или сбоку от третьей камеры, но выше водяной бани образованный и охлажденный синтез-газ отводится из резервуара высокого давления.

При этом газификация предпочтительно проводится во взвеси при низком насыщении частицами, менее 50 кг/м³ (т.е. не в псевдоожиженном слое), посредством кислородсодержащих агентов газификации, при повышенном давлении и при температурах выше температуры плавления шлака, причем образующийся газ и осаждающийся на стенках шлак выходят из газификатора через отверстие в дне. Под дном газификатора продукты газификации текут через горячую сухую зону, которая с помощью свободно падающей водяной завесы отделена от зоны охлаждения, чтобы предотвратить циркуляцию содержащего капли холодного газа из зоны охлаждения в окрестность кромки для стекания шлака.

В вариантах осуществления изобретения предусматривается, что в качестве твердого топлива может применяться уголь, нефтяной кокс, биологические отходы, биотопливо или синтетические материалы в измельченной форме. Диаметр твердого топлива не должен превышать 0,5 мм. Сначала твердый материал в одном или нескольких параллельных шлюзовых устройствах с помощью неконденсирующегося газа, такого как N₂ или CO₂, доводится до давления, которое на 2-10 бар выше давления в газификаторе. Затем твердые материалы пневматически проводятся из одного или нескольких питающих баков в газификатор, предпочтительно как аэрозольный транспорт. В качестве жидкого топлива могут использоваться нефть, смола, остатки с рафинирования или водные суспензии. Большинство видов жидкого топлива может закачиваться в газификатор насосом, лишь в случае абразивных жидкостей следует отдавать предпочтение шлюзованию и повышению давления сжимаемым газом. Возможна также смесь твердого и жидкого топлива. В газификатор могут вводиться также горючие газы или газы, содержащие вредные вещества. При высоких температурах газификации вредные вещества термически разлагаются, причем твердые продукты реакции врастают в стекловидный шлак, а газообразные продукты покидают газификатор в виде простых молекул, как H₂, CO, N₂, HCl или H₂S.

В следующих вариантах осуществления изобретения предусмотрено проводить реакцию газификации в пылевом или капельном облаке. Подача топлива и агентов газификации в газификатор может проводиться через по меньшей мере две горелки, установленные с отдельными креплениями на боковой стенке первой реакционной камеры, альтернативно или дополнительно подача топлива и агентов газификации в газификатор может также проводиться через по меньшей мере одну горелку, находящуюся на крышке реактора газификации. Агенты газификации перед вводом в реактор могут быть снабжены крутящим моментом с помощью направляющей перегородки или благодаря особой конструкции горелки.

В следующих вариантах осуществления изобретения предусмотрено, что вторая камера снизу ограничена конусообразной водяной пленкой, которая, как водяная завеса, падает свободно и разрывается только направленной вниз струей полученного синтез-газа. Предпочтительно водяная пленка, которая отделяет вторую камеру от третьей камеры, ускоряется с помощью выполненной конической наклонной площадки для воды. Для этого следует предусмотреть, чтобы наклонная площадка для воды была защищена экраном от тепловых нагрузок и пылевой нагрузки. Этот экран может представлять собой охлаждаемое устройство, которое отделяет вторую камеру от внешнего пространства и которое из этого внешнего пространства снабжается газообразной охлаждающей средой или водой для смачивания.

Из сплошной пленки, будь то пленка, прилегающая к ускорительной площадке, или водяная завеса в свободном падении, не выходят никакие капли воды, и поверхность водяной пленки на много порядков ниже, чем спектр создаваемых форсунками капель, благодаря чему эффект охлаждения, обусловленный преимущественно испарением, является слабым. Так самым окрестность кромки для стекания шлака остается свободной от капель воды и горячей, так что затвердение шлака непосредственно у кромки для стекания можно исключить, что является преимуществом изобретения. Так как газовая атмосфера во второй камере остается поэтому сухой, там на стенках не образуется никаких отложений из-за испарения воды.

В следующих вариантах осуществления изобретения предусмотрено, что третья камера снабжена вертикальной перегородкой и образованный синтез-газ сначала течет вниз через образованную перегородкой внутреннюю область, затем меняет направление и течет вверх через образованную перегородкой наружную область, прежде чем он покинет резервуар. Перегородка должна снаружи и изнутри смачиваться водой.

В следующих вариантах осуществления изобретения предусмотрено, что в находящейся внизу водяной бане создается рециркулирующий поток. Предпочтительно следует подкислять всю использующуюся воду. Кроме того, можно предусмотреть, чтобы вода возвращалась из водяной бани подходящим перекачивающим средством в третью камеру и использовалась для образования водяной пленки.

Изобретение относится также к реактору газификации для осуществления описанного способа, содержащему

- первую реакционную камеру, расположенную вверху реактора,

- в верхней части которой находится устройство подачи входных компонентов,

- боковые стенки которой выполнены с трубами с внутренним охлаждением, как мембранная стенка или змеевики, по которым может свободно стекать жидкий шлак без застывания при этом поверхности шлака,

- и в нижней части которой предусмотрено отверстие с кромкой для стекания,

- снизу к отверстию примыкает вторая камера, в которой синтез-газ удерживается сухим и охлаждается струйным охлаждением, и

- предусмотрено устройство для создания конусообразной водяной пленки,

- снизу ко второй камере примыкает третья камера, в которой предусмотрены устройства подвода воды,

- снизу к третьей камере примыкает приемное устройство для водяной бани, которое также содержит устройство выпуска водно-шлаковой смеси,

- и под или сбоку от третьей камеры предусмотрено устройство выпуска синтез-газа из реактора.

В следующих вариантах осуществления изобретения предусмотрено, что по меньшей мере две горелки на боковой стенке первой реакционной камеры закрепляются отдельными креплениями. Горелка в камере предпочтительно ориентирована по секущей с углом к горизонтали до 20° и углом к вертикали до 45°. Далее, можно предусмотреть, чтобы по меньшей мере одна горелка была установлена на крышке реактора газификации.

В следующих вариантах осуществления изобретения между второй и третьей камерами предусмотрена выполненная конической наклонная площадка для воды, причем между второй реакционной камерой и площадкой для воды установлено устройство экранирования.

В следующем варианте осуществления изобретения предусмотрено, что в третьей камере установлена вертикальная перегородка.

В следующем варианте осуществления изобретения предусмотрено, что приемное устройство для водяной бани содержит центральный резервуар для сбора шлака и кольцевое пространство для наполненной мелкой пылью воды.

Далее изобретение поясняется более подробно на трех примерах.

Фиг. 1 схематически показывает реактор газификации согласно изобретению в продольном разрезе.

Фиг. 2 показывает альтернативную конструкцию нижней части реактора газификации согласно изобретению.

Фиг. 3 показывает следующую конструкцию реактора газификации согласно изобретению.

Однако изобретение не ограничено этими тремя примерами осуществления.

Газификация топлива осуществляется кислородсодержащим агентом газификации в реакционной камере 2 под давлением (0,3-8 МПа) и при температурах выше температуры плавления золы, при 1200-2500°C. Охлаждаемый реакционный резервуар 3 защищает резервуар высокого давления 4 от высоких температур. В кольцевое пространство 32 в непрерывном режиме подводится небольшой поток холодного газа, например азота. Пространство защищено от проникновения горячего газа уравнительным резервуаром 30. Однако при более быстром повышении давления в реакционной камере 2 горячий газ может также проникнуть в кольцевое пространство 32. Чтобы защитить резервуар высокого давления 4 от нагревания при временном или обусловленном неисправностью втекании горячего газа, его внутренняя стенка является теплоизолированной. Топливо, реагенты и, факультативно, удаляемые отходы подаются через по меньшей мере две расположенных сбоку горелки 5.

Жидкий шлак, осажденный на стенках реакционного резервуара 3, течет вдоль стенки к выпускному отверстию 6, отделяется от кромки для стекания 7 и падает в виде капель или струи в водяную баню 21. Образующийся газ, содержащий пыль, течет из реакционной камеры 2 также через отверстие 6 сначала через горячую сухую камеру 8 во влажную камеру охлаждения 15. Чтобы избежать рециркуляции холодного газа, содержащего капли, из камеры охлаждения 15 в горячую камеру 8, водораспределителем 28 и конической ускорительной площадкой 11 создается водяная завеса 12, которая концентрически втекает в газовое пространство. Эта водяная завеса 12 разрывается только вытекающей из отверстия 6 вниз струей горячего газа или шлака.

Охлаждаемый изнутри охлаждающей средой или снаружи прилипшей водяной пленкой и, факультативно, очищаемый колотушкой экран 9 защищает ускорительную площадку 11 и находящую над ней камеру 10 от высоких термических нагрузок и от пыли, благодаря чему в этой камере по существу предотвращается образование отложений. Водяная завеса 12 толщиной несколько миллиметров распадается на капли, которые испаряются или улетучиваются и интенсивно охлаждают горячий газ. Приток воды, который образует водяную пленку на ускорительной площадке 11 или водяную завесу 12, всегда больше, чем количество воды, израсходованное при улетучивании или испарении. Избыток воды помогает увлажнить перегородку 14 камеры охлаждения 15 и вымыть твердые частицы из газа.

Вертикальные стенки в этой области могут дополнительно смачиваться водой из подвода 27 воды путем перелива, а также посредством форсунок 16. С форсунками, которые создают спектр мелких капель, можно также сделать более интенсивным охлаждение газа и вымывание летучей золы. Чтобы не создавать никакой опорной поверхности для отложений в камере охлаждения 15 при высокой пылевой нагрузке, форсунки 16 там встроены в стенку 14. Через зазор 19 охлажденный газ проводится в кольцевое пространство 17. Изменение направления газа на 180° и низкая скорость подъема в кольцевом пространстве 17 благоприятствуют отделению крупных частиц летучей золы и водяных капель. В кольцевое пространство 17 через форсунки 18 также впрыскивается струя воды, главным образом для вымывания пыли.

Благодаря выпуску газа 13 через штуцер течение газа в камере охлаждения и кольцевом пространстве является асимметричным, что вызывает локально повышенные скорости в кольцевом пространстве 17 и повышенный унос летучей золы. При равномерном впрыскивании водяной струи в кольцевое пространство 17 висящие в газе капли воды вызывают почти одинаковое падение давления по всему сечению кольца, что способствует выравниванию течения газа в кольцевом пространстве 17.

Ниже изменения направления течения через зазор 19 в водяной бане 21 установлен резервуар 23 для сбора шлака. Он выполнен с расположенными концентрически форсунками 26, так что более крупные частицы шлака могут дополнительно интенсивно охлаждаться. Эти форсунки 26 снабжаются водой через кольцевой распределитель 25, который находится снаружи резервуара 23 для сбора шлака и в водяной бане 21 с помощью подобного соплу возбудителя вызывает циркулирующее течение 24, так что отложения предотвращаются.

Через выпуск 22 шлака проводится через шлакодробилку в бункер для шлака, в котором он с помощью технологической воды охлаждается до примерно 60°C и затем выводится из процесса через экстрактор шлака.

В типичном режиме работы 50 кг/с высушенного и измельченного бурого угля газифицируется при 40 бар и 1500°C, что соответствует химическому превращению 1 ГВт. При этом получается 85 кг/с сырого газа, причем образуется 1 кг/с летучей золы и 3 кг/с жидкого шлака. Для охлаждения испаряют 70 кг/с воды, в водяную завесу 12 вводят 140 кг/с воды, причем неиспарившаяся вода вместе с водой для смачивания поверхностей, которые должны оставаться влажными, стекает в водяную баню 21, выводится через штуцер 20 для слива воды и с помощью циркуляционного насоса подается к различным точкам загрузки 16, 18, 25, 27, 28 в области охлаждения. Для отделения летучей золы в кольцевом пространстве 17 на двух уровнях установлено в сумме 24 форсунки 18 в форме полного конуса с полным пропусканием воды 160 кг/с. Эта вода также течет в водяную баню 21.

Фиг. 2 показывает альтернативную конструкцию второй и третьей камер. При этом предусмотрена особо крутая ускорительная площадка 11. Поэтому можно обойтись без экранирования ускорительной площадки 11, так же как без перегородки в третьей камере. Падающая свободно водяная завеса 12 отделяет горячую и не содержащую капель центральную камеру 8 от холодной влажной камеры 15, вследствие чего предотвращается циркуляция содержащего капли сырого газа в окрестности кромки 7 для стекания шлака и тем самым предотвращается интенсивное охлаждение шлака, свисающего с кромки 7 для стекания шлака. Овальные пунктирные линии на фиг. 2 показывают раздельную циркуляцию в горячей и во влажной камерах. Падающая водяная завеса 12 имеет лишь пренебрежимо малую радиальную компоненту скорости, таким образом горячая сухая камера 8 закрыта только расширением вытекающей из выпускного отверстие 6 струи газа, вследствие чего эта камера длиннее, чем при впрыскиваемой радиально водяной пленке. Факультативно вода может разбрызгиваться форсунками 18, которые установлены между поверхностью падения водяной пленки и резервуаром высокого давления. Интенсивное радиальное впрыскивание охлаждающей воды должно осуществляться только ниже линии пересечения поверхности падения водяной пленки с боковой поверхностью газовой струи, вытекающей из выпускного отверстия 6 через расширение.

Фиг. 3 показывает следующую конструкцию с выпрямителем потока 33 в выходной области газификатора, чтобы уменьшить крутящий момент, образующийся в газификаторе и усиливающийся из-за сужения выхода вследствие эффекта пируэта. Благодаря этому можно устранить действующие на частицы шлака центробежные силы и избежать тенденции к загрязнению стенок горячей камеры 8. При этом кромка 7 для стекания шлака 7 находится под выпрямителем потока 33. Факультативно можно также предусмотреть дополнительную, установленную выше, кромку для стекания 7a, которая выполнена как кольцо для стекания или как желоб для стекания, с которого может стекать основная часть шлака.

В другом примере осуществления шлак собирается в пучок и несколько струй шлака проводятся в горячий центр потока. Таким образом шлак остается на большом удалении от стенок камеры охлаждения 15.

Вода для ускорительной площадки 11 проводится в оборотный канал 28a, из которого она вытекает тангенциально через несколько щелей. За каждой щелью сечение канала уменьшается на сечение щели, так что во всем канале и всех щелях устанавливается приблизительно равная скорость. Вода, вытекающая из щелей, сначала поступает в оборотный канал 28a и оттуда через сход с регулируемой толщиной в следующий канал, откуда через щель вода вытекает на ускорительную площадку 11 и после ускорения образует свободно падающую водяную завесу 12. Применяется каскад каналов, чтобы создать равномерное вытекание воды.

Кольцевые пространства 17 и 32 разделены разделительной перегородкой 31 и компенсатором. Выравнивание давления между этими пространствами осуществляется через уравнительную линию 34, которая может быть размещена внутри или снаружи резервуара высокого давления 4. В верхнее кольцевое пространство 32 вводится продувочный газ, чтобы при нормальной работе предотвратить проникновение влажных газов.

Список позиций для ссылок