СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОКСА В ХОДЕ ГАЗИФИКАЦИИ С КОСВЕННЫМ НАГРЕВАНИЕМ

Область изобретения

Настоящее изобретение относится к способу производства кокса в ходе газификации с косвенным нагреванием, в котором частицы угля подаются в реактор газификации, и технологический газ, подаваемый в ходе газификации, восстанавливается в нем до синтез-газа, где этот синтез-газ удаляется из реактора газификации. Изобретение также относится к устройству для осуществления этого способа.

Уровень техники

Уголь представляет собой основное вещество, которое является не только нашим наиболее важным источником энергии, но также и важным химикатом во многих типах процессов. Сильный восстановительный потенциал угля используют, например, в металлургических процессах, где железную руду восстанавливают углем. Кроме того, извлечение остаточного оксидного материала из промышленности производства стали представляет собой пример использования угля. Эти процессы в настоящее время основаны, прежде всего, на ископаемом угле, который предварительно обрабатывают, чтобы получить нужную энергию и свойства для процесса, например, в коксовых печах. Выделение двуокиси углерода из процессов этих типов должно иметь возможность быть сниженным, если может быть введен возобновляемый уголь (основанный на биомассе). Этот патент описывает способ производства угля/кокса для применения в качестве, например, восстанавливающего агента при коксовании угля в ходе газификации биомассы с косвенным нагреванием.

Газификация представляет собой способ производства газообразного топлива из твердого топлива. Эту технологию используют для угля, остаточных угольных продуктов, нефтяных остатков, отходов и биомассы. Эти реакции основаны на том, что окислительные газы (например, CO₂ и H₂O) нагревают, и они реагируют с углем ([C] представляет собой восстановительный агент), в ходе чего формируются оксид углерода (CO) и газообразный водород (H₂), и что тепло используют, чтобы проводить реакции, которые являются эндотермическими. Газообразную смесь оксида углерода (CO) и газообразного водорода (H₂) обычно называют синтез-газом.

Обычный путь газификации состоит в сжигании угля сильно субстехиометрическим образом при подаче перегретого пара. Это сжигание дает тепло, и ненужные для оборудования газообразные продукты горения (CO₂ и H₂O). Уголь, который не сгорает, но перегревается, реагирует с отходящими газами и подаваемым паром. Уголь (C) восстанавливает диоксид углерода (CO₂) до оксида углерода (CO) и пары воды (H₂O) до газообразного водорода (H₂). Используемое тепло понижает температуру и уменьшает реакционную способность. Реакционоспособность угля сильно зависит от температуры, поскольку равновесие реакций зависит от температуры. Сжигание на основе газообразного кислорода представляет собой в настоящее время преобладающий способ сжигания в сочетании с газификацией, даже если производят сжигание на основе воздуха.

Проблема газификации угля, остаточных угольных продуктов, нефтяных остатков, отходов и биомассы состоит в том, что они выделяют при реакции не гомогенный материал, а скорее компоненты с различными массами (смолу) и сложные компоненты (ароматические соединения). Эти компоненты не могут надежно реагировать, а скорее должны быть отделены впоследствии, перед тем, как синтез-газ может быть использован или далее очищен до жидких углеводородов или другого топлива.

Эти компоненты с различными массами (смола) и сложные компоненты (ароматические соединения) могут быть разделены при пиролизе угля, остаточных угольных продуктов, нефтяных остатков, отходов и биомассы перед реакцией газификации. Продукты пиролиза, получаемые в настоящее время и состоящие из конденсируемых продуктов и газов, могут быть использованы в качестве топлива в процессе газификации. В газификации описанная выше реакция пиролиза представляет собой часть процесса. Однако компоненты с различными массами (смола) и сложные компоненты (ароматические соединения) находятся в том же реакторе, что и синтез-газ, который желателен для получения в результате этого процесса. Последствие этого состоит в том, что обработка компонентов с различными массами (смола) и сложных компонентов (ароматические соединения) становится ограничивающим фактором для того, чтобы процесс газификации мог стать эффективным без физических проблем, таких как конденсация, образование осадка и тому подобных, с которыми сталкиваются непосредственно в реакторе.

Устройство и способ регенерации активного угля предварительно известны из патента США №4007014. Это устройство содержит ретортный реактор и внутренний реактор, в которые подают активированный уголь, где подаваемый активированный уголь реактивируют тем, что реакторный газ в форме водяного пара приводят в контакт с активированным углем, проходящим далее во внутренний реактор. Чтобы этот реакторный газ был способен входить во внутренний реактор, реактор снабжают отверстиями в поверхности его рубашки, то есть происходит обмен газа между ретортным реактором и внутренним реактором. Это противоречит одному из основных принципов настоящего изобретения.

Способ и устройство для получения синтез-газа ранее известны из SE 532711, где происходит косвенное нагревание реактора через горелки, присутствующие в реакторе.

Задачи и признаки настоящего изобретения

Первостепенная задача настоящего изобретения состоит в обеспечении способа и устройства, посредством которых проблемы с очисткой синтез-газа и физически ограничивающими явлениями, как описано выше, могут быть отрегулированы с использованием реактора газификации с косвенным нагреванием.

Одновременное коксование угля в ходе газификации с косвенным нагреванием означает, что тепло для коксования может быть получено из реактора в ходе процесса газификации. Нагревающий реактор, разработанный для этой цели и с отдельным потоком, располагается в реакторе газификации. Нагревающий реактор для угля косвенно нагревается облучением внутри реактора газификации. Уголь подают в верхнюю часть этого реактора внутреннего нагревания, чтобы термически обрабатывать до высокой температуры в реакторе газификации перед тем, как уголь, который теперь является коксованным, выгружают в нижней части реактора. Газы идут вверх через реактор, а уголь вниз. Это противоточное перемещение выравнивает температуру и различия в составе в реакторе. Более тяжелые компоненты, подобные ароматическим соединениям, могут быть расщеплены на меньшие молекулы посредством высокой температуры в реакторе. Горючие газы от коксования возвращают и смешивают с горючими газами, которые выходят от пиролиза биомассы. Полный объем горючего газа может быть использован для нужд нагревания при сушке, пиролизе, коксовании и газификации. Если производят любой избыток, он может быть успешно использован для дальнейших энергетических нужд или тому подобного.

Задачи и признаки настоящего изобретения реализуются способом и устройством, которые характеризуются признаками, раскрытыми в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Предпочтительный вариант выполнения настоящего изобретения описан ниже со ссылкой, сделанной на Фиг.1, где показана блок-схема для предпочтительного способа в соответствии с настоящим изобретением, причем эта блок-схема также схематично показывает узлы, которые образуют устройство для осуществления способа согласно настоящему изобретению.

Подробное описание предпочтительного варианта выполнения способа по изобретению

На Фиг.1 схематически показано множество узлов, которые образуют устройство для выполнения способа согласно настоящему изобретению. Линии, трубы и т.д., которые соединяют эти узлы устройства вместе, не описаны или не показаны подробно. Линии, трубы и т.д. формируются подходящим образом для выполнения их функции, то есть транспортировки газов и твердых веществ между узлами устройства.

На Фиг.1 показан реактор газификации с косвенным нагреванием 1, который является, как правило, футерованным керамикой реактором. Этот реактор формируют таким образом, что он может газифицировать и коксовать частицы C угля в двух отдельных потоках C₁ и C₂. Следовательно, внутренний реактор 4 для коксования угля вводили в реактор газификации 1. Твердые частицы угля подают частично во внутренний реактор 4 через поток C₂, и частично в реактор газификации 1 через поток C₁ вместе с технологическим газом P через вводное сопло 5. Частицы угля C приходят от пиролиза, который предшествует газификации. Размер частиц угля C в потоке C₁ предпочтительно достаточен для того, чтобы они могли быть перенесены потоком поступающего газа с технологическим газом P в реактор газификации 1. Частицы угля во внутреннем реакторе 4 обычно больше, чем таковые во внешнем реакторе газификации 1. Технологический газ P может быть водяным паром или регенерированным, или очищенным отходящим газом A от стадии сжигания. Коксование во внутреннем реакторе уменьшает количество угля в том потоке, в котором формируются горючие газы, подобные газу пиролиза, но с составом, который контролируется температурой реактора, которая теперь значительно выше. Повышение температуры от 300°C до 700°C для угля во внутреннем реакторе 4 выше температуры в предшествующем пиролизе, как ожидается, для снижения содержания твердого компонента угля на 10-35%.

Если технологический газ P представляет собой регенерированный отходящий газ A, он может содержать пары воды (H₂O) и диоксид углерода (CO₂). Технологический газ P подогревают от тепла, выделяемого из отходящего синтез-газа S в теплообменнике 2. Реакция, которая происходит в реакторе газификации 1, протекает, когда поток C₁, который вводят через входное сопло 5, восстанавливает содержимое в технологическом газе P (H₂O и CO₂) до синтез-газа S (H₂ и CO), что расходует тепло, подаваемое в процесс горелками Br 1-Br n. Реакция коксования происходит параллельно во внутреннем реакторе 4 при подаче тепла от горелок Br 1-Br n через продолжающийся процесс газификации.

Реактор газификации 1 косвенно нагревается горелками Br 1-Br n (где n обозначает число горелок, необходимых для реактора газификации 1). Внутренний реактор 4 нагревается также косвенным образом с помощью горелок Br 1 - Br n. Тепло подают в реакцию газификации с помощью облучения горелками Br 1 - Br n, где сжигание происходит внутри облучающих труб, то есть отдельно от потока газификации. Не происходит прямого обмена газа в реакторе газификации 1 между горелками Br 1 - Br n и технологическим газом Р или продуктами его реакции. Внутренний реактор 4 также не имеет обмена газом с процессом газификации, продолжающимся в реакторе газификации 1.

Горелки Br 1 - Br n обеспечивают топливом F, предпочтительно, из более ранней стадии пиролиза материала, содержащего уголь. Агент окисления O в форме воздуха, причем воздуха, обогащенным газообразным кислородом или чистым кислородом, подают на сжигание. Теплообменник 3 извлекает тепло из отходящих газов A и подогревает вводимый агент окисления O. Отходящие газы A идут на очистку дымового газа, где требования относительно эмиссии для этого процесса выполняют циклонами, каталитической очисткой, фильтрами (электрическими или текстильными) и скрубберами, как требуется поступающим содержащим уголь материалом.

Уголь C приходит из более ранней стадии пиролиза и содержит остатки золы. При регулировании температуры в реакторе газификации 1 до температуры либо ниже (либо выше) температуры плавления золы, та может предпочтительно быть удалена последующим высокотемпературным циклоном (или в форме потока, например, в виде шлака).

Отходящий синтез-газ S может быть использован в качестве энергетического газа для целей сжигания или в качестве основы для дальнейшей очистки до жидких топлив (по Фишеру-Тропшу для типичных моторных топлив, производства этанола или подобного).

Давление в реакторе газификации 1 может регулироваться от атмосферного давления до намного более высоких давлений (>100 бар (g)).

Температуру в реакторе газификации 1 и внутреннем реакторе 4 контролируют так, чтобы достигать лучшего выхода синтез-газа S и кокса PC. Типичное значение лежит в интервале 750-1300°C.

Альтернативное выполнение косвенного нагревания технологического газа P и угля C может быть устроено в системе труб внутри реактора, в котором происходит сжигание, и в этом случае эта система труб становится реактором газификации 1 и внутренним реактором 4. Может быть рассмотрен такой дизайн, чтобы была печь, скорее чем что-нибудь еще, но с заметно более высокой температурой.

Геометрию реактора газификации 1 контролируют исходя из требования времени реакции в процессе газификации, которая в этой его части контролируется выбранной температурой. Геометрию внутреннего реактора 4 контролируют исходя из массового расхода угля на коксование и требования нагревания и продолжительности выдержки для угля, подлежащего коксованию при температуре, выбранной для реактора 1. Геометрия может быть вращательно симметрической в трубчатой форме, где может быть достигнут очень компактный процесс газификации, до более пространного дизайна, подобного печи, и тогда без требования вращательной симметрии. Размер реакторов может быть разработан от мелкого масштаба до очень большого промышленного масштаба.

Синтез-газ S (H₂ и CO) из реактора газификации 1 содержит до 60% газообразного водорода, а остальное - оксид углерода, диоксид углерода или метан, исходя из состава поступающего технологического газа P.

Степень термической эффективности реактора газификации косвенного нагревания с внутренним реактором для коксования угля становится очень высокой, и, включая предыдущую стадию пиролиза и необходимую сушку, может достигать термической эффективности до 80% для такого устройства.