BRPI0807202A2 - Método e dispositivo para a gaseificação de fluxo arrastado de combustíveis sólidos sob pressão - Google Patents
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Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO E DISPOSITIVO PARA A GASEIFICAÇÃO DE FLUXO ARRASTADO DE COMBUSTÍVEIS SÓLIDOS SOB PRESSÃO".
A presente invenção refere-se a um método e um dispositivo 5 para a gaseificação de fluxo arrastado de combustíveis sólidos sob pressão.
Os métodos conhecidos para a gaseificação de fluxo arrastado convertem combustíveis carbonosos pulverizados (contendo C) para o gás bruto de produtos de gaseificação e escória a temperaturas acima do ponto de fluxo da cinza, usando agentes de gaseificação que consistem predomi- 10 nantemente em oxigênio. A fim de fundir a cinza, são essenciais temperatu- ras muito altas na câmara de gaseificação. As temperaturas variam de apro- ximadamente 1400 a 1600°C, dependendo do ponto de fluxo da cinza. Em tais temperaturas altas os gases brutos e a escória devem ser drenados na saída do gaseificador de fluxo arrastado. A demanda de oxigênio específico 15 relacionado aos combustíveis pulverizados é mais alta de aproximadamente 20 a 30 % comparado com métodos de gaseificação que a semelhança dos métodos de leito fluído funcionam a temperaturas obtendo temperaturas de saída dos gases brutos que são mais baixas por aproximadamente 400 a 600 K. Combustíveis de alto conteúdo de cinza com conteúdos de mais do 20 que aproximadamente 20 % da massa relacionado ao combustível seco, e tendo altos pontos de fluxo de cinza de acima de aproximadamente 1400°C não podem ser utilizados com eficiência enérgica nem em condições eco- nomicamente aceitáveis em métodos de gaseificação de fluxo arrastado co- nhecidos. Além disso, a gaseificação de fluxo arrastado tem a desvantagem 25 decisiva que são exigidos esforços operacionais e de planta muito altos a fim de separar a escória dos gases brutos antes do uso adicional dele se, em particular, é planejado utilizar o calor sensível dos gases brutos quentes que saem do gaseificador de fluxo arrastado para geração de vapor de calor de rejeito. Para isto os gases brutos devem ser extremamente resfria- 30 dos/resfriados bruscamente imediatamente depois de terem deixado a câ- mara de gaseificação do gaseificador de fluxo arrastado em uma distância pequena, antes que eles possam ser permitidos a entrar nos trocadores de calor de gás bruto. Muitas versões de resfriamento brusco externo dos gases brutos foram desenvolvidas, com o resfriamento brusco do gás e o resfria- mento brusco químico tendo sido bem sucedido. O uso do resfriamento brusco de gás causa perdas no calor utilizável "(exergy)". O resfriamento 5 brusco químico onde substâncias contendo carbono são misturadas no fluxo de gás bruto quente evita largamente esta desvantagem. Em operação con- tínua, porém, o resfriamento brusco químico envolve esforço tecnológico considerável e desvantagens sérias como a formação de breu e fuligem, e a formação de crostas. A fim de evitar os altos esforços de utilizar o calor de 10 rejeito, alternativamente os gases brutos quentes carregados de escória sa- indo do gaseificador de fluxo arrastado são resfriados bruscamente a água. Isto é fácil e robusto mas é desvantajoso em que o calor de baixa temperatu- ra desenvolvido pela evaporação da água somente raramente pode ser utili- zado na prática.
A DE 26 40 180 B descreve a gaseificação de combustíveis sóli-
dos com diferentes tamanhos de grão (desde pó até granulado grosso) u- sando um leito fixo inferior e uma zona de gaseificação de pó superior, por meio do que é criado um leito fluidizado sobre o leito fixo e ainda acima uma gaseificação de pó é planejada para ser executada. O combustível sólido é 20 para entrar no leito fluidizado. No processo propriamente, é planejado sepa- rar o combustível em proporções de tamanhos diferentes.
Os preceitos da DE 26 40 180 B não são adequados para obter uma gaseificação completa, porque quantidades significativas de pó de co- que contendo cinza entra o no gás produto e tem que ser separado dele. 25 Realimentar o pó de coque no processamento não pode ser considerado, já que as proporções de pó contendo cinza muito logo enriqueceria no proces- samento em tal extensão que o processamento pararia. Além disso, outros problemas fundamentais permanecem não-solucionados, particularmente a adaptação do controle de processo para as distribuições de tamanho de 30 grão que frequentemente mudança por acaso e variações do conteúdo de cinza tanto da cinza total quanto das frações de diferentes tamanhos de grão. O leito fixo, por exemplo, "cresceria no" leito fluidizado quando a pro- porção de grão grosso dos combustíveis sólidos se torna muito alta e ne- nhuma quantidade suficiente do agente de gaseificação pode ser alimentada na leito fixo por limitações de equilíbrio e dinâmica de fluído. Pelo menos pelas razões mencionadas a proposta de processo de acordo com a DE 26 5 40 180 B não foi bem sucedida na tecnologia.
Das desvantagens listadas acima o problema da invenção deriva de como desenvolver adicionalmente os fundamentos do processo de gasei- ficação de fluxo arrastado a fim de resolver as sérias desvantagens da ga- seificação de fluxo arrastado, permitindo particularmente a combustíveis de 10 alto conteúdo de cinza tendo altas temperaturas de fluxo de cinza a serem processados sem problemas, os gases brutos saindo do gaseificador para serem alimentados a uma utilização de calor de rejeito sem requerer qual- quer resfriamento brusco externo e as cinzas ou escórias produzidas serem separadas para uma instalação de baixa despesa tecnológica dos gases 15 brutos e descarregados do gaseificador de fluxo arrastado, enquanto deve ser assegurado que os combustíveis pulverizados usados são praticamente completamente gaseificados no gaseificador de fluxo arrastado.
O problema da invenção é resolvido por um método para a ga- seificação de fluxo arrastado de combustíveis sólidos sob pressão onde os 20 combustíveis sólidos são transformados pelo uso de agentes de gaseifica- ção que consistem largamente em oxigênio em um fluxo arrastado para gás bruto e escória como os produtos de gaseificação, por meio do que em um fluxo arrastado para cima circulante interiormente, usando primeiros agentes de gaseificação de oxigênio rico 25 a) a gaseificação praticamente completa dos componentes carbo-
nosos dos combustíveis sólidos e
b) um tratamento térmico de gases brutos depois da gaseificação e também
c) a granulação da cinza em temperaturas acima da temperatura em que acontece o abrandamento da cinza,
por meio do que são formados resíduos de gaseificação contendo carbono, granulados de cinza e gases brutos carregados de pó são drenados a tem- peraturas abaixo da temperatura crítica de sinterização de cinza do fluxo arrastado para cima em uma zona de anteparo e de lá passado para proces- samento adicional, por meio do que os primeiros agentes de gaseificação são injetados no fluxo arrastado de tal modo que um fluxo para cima central 5 quente e um fluxo descendente "fria" o de parede são formados, por meio do que em um leito móvel localizado abaixo do fluxo arrastado pelo uso de se- gundos agentes de gaseificação de baixo oxigênio acontece uma quase completa a totalmente completa oxidação dos resíduos de gaseificação e granulados de cinza contendo carbono que deixam o fluxo arrastado em di- 10 reção descendente a temperaturas abaixo da temperatura de abrandamento de cinza, por meio do que são formados os gases brutos depois da gaseifi- cação e produtos oxidados da parte inferior, por meio do que os segundos agentes de gaseificação são alimentados em uma tal quantidade e composi- ção que por um lado, a temperatura de abrandamento de cinza não será ex- 15 cedida no leito móvel e por outro lado, o leito móvel será regularmente pas- sado, e por meio do que os produtos da parte inferior oxidados são drenados do leito móvel descendente em contracorrente aos segundos agentes de gaseificação e os gases brutos depois da gaseificação são passados para cima do leito móvel no fluxo arrastado.
Como combustíveis sólidos, são usados preferencialmente com-
bustíveis sólidos que essencialmente contém combustíveis pulverizados e pós carbonosos. Adicionalmente, também podem ser usadas formas especi- ais de combustíveis sólidos como pastas fluídas de combustível/água ou de combustível/óleo com concentração variável de sólidos. Os combustíveis 25 sólidos podem ser usados para gaseificação de fluxo arrastado na forma seca e/ou em uma ou várias das ditas formas especiais. Os combustíveis sólidos incluem uma grande variedade de carvões, biomassas ou substân- cias de rejeito carbonoso, até uma extensão baixa de combustíveis líquidos ou gasosos ou substâncias residuais.
Os gases brutos drenados do fluxo arrastado são passados para
o processamento adicional preferencialmente a trocadores de calor indiretos e subsequentemente a separadores de pó. Nos separadores de pó os pós contendo C são quase completamente separados dos gases brutos carrega- dos de pó e quase completamente a completamente realimentados no fluxo arrastado.
A invenção aproveita-se da descoberta de que uma gaseificação de fluxo arrastado com um fluxo arrastado circulante interiormente associado com uma gaseificação de leito móvel disposto abaixo da gaseificação de fluxo arrastado torna possível executar a conversão praticamente completa de combustíveis pulverizados para cinzas e escórias oxidadas e para gases brutos de tal modo que os gases brutos carregados de pó podem ser drena- dos do fluxo arrastado a temperaturas correspondentes às temperaturas de saída de gás bruto saindo da gaseificação de leito fluidizado e as cinzas e escórias oxidadas do leito móvel a temperaturas < 600°C, preferencialmente < 500°C, particularmente preferencialmente < 400°C. A extensão vertical do fluxo arrastado varia desde a saída de gás bruto na extremidade superior do gaseificador de fluxo arrastado até a superfície do leito móvel. O leito móvel varia para baixo até a saída de produto da parte inferior que é posicionada na extremidade inferior do reator de gaseificação para a gaseificação de flu- xo arrastado.
Essencial para a invenção é a cooperação de autorregulação dos processos de gaseificar os combustíveis sólidos e aglomerar a cinza para aglomerados granulados grossos no fluxo arrastado circulante, com estabelecer abaixo do fluxo arrastado circulante o leito móvel que inclui a- glomerados predominantemente granulados grossos, por meio do que as propriedades materiais dos combustíveis sólidos podem variar através de uma grande faixa sem exercer influências perturbadoras no processo. Então os preceitos diferem fundamentalmente das propostas para solução descrita na DE 26 40 180 B. Isto é verdade de ambos processos completos (basica- mente o estabelecimento de diferentes zonas de reação quente e "fria" ou das zonas de gaseificação diferentes, isto é leito móvel, leito fluído, fluxo arrastado) e os processos parciais como a alimentação dos combustíveis sólidos (pulverizado versus pó até necessariamente granulado grosso), a saída dos resíduos de gaseificação do leito móvel ou zonas de leito fixo (sa- ida regulada com respeito a cinza de combustível versus regulado no que refere-se a proporção de carvão de granulado grosso), circulação de gás vertical na zona de gaseificação de pó (fluxo central quente para cima versus introdução de gases centralmente descendentes).
5 A gaseificação em um fluxo arrastado circulante é estabelecida
como segue. Como combustíveis sólidos os combustíveis pulverizados a serem gaseificados e os pós contendo C realimentados, e também gases brutos depois da gaseificação e primeiros agentes de gaseificação são intro- duzidos no fluxo arrastado. Os ditos agentes de gaseificação são introduzi- dos em uma tal relação com a quantidade e composição dos combustíveis sólidos supridos que as temperaturas são ajustadas na saída de gás bruto que estão abaixo da temperatura crítica de sinterização de cinza mas pelo menos tão alta que acontece a gaseificação quase completa dos componen- tes contendo C. Os pós levados junto com os gases brutos carregados de pó terão conteúdo de C de < aproximadamente 30 a <80 % em massa. Depois da separação dos gases brutos os pós contendo C são praticamente com- pletamente realimentados no fluxo arrastado e depois da gaseificado. É es- sencial para uma gaseificação quase completa que sejam usados agentes de gaseificação de alto oxigênio. As concentrações de oxigênio dos ditos agentes de gaseificação são ajustadas dentro de uma faixa de valores de 21 a 100 % em vol., preferencialmente de 40 a 70 % em vol., se hidrogênio é usado com relações vapor/oxigênio de 0 a 1,5 kg/m3 (em condições nor- mais), correspondentemente. Os valores altos das concentrações de oxigê- nio se aplicam aos combustíveis pulverizados com alto conteúdo de cinza e altas temperaturas de fluxo de cinza.
Aquele valor de temperatura é definido como a temperatura críti- ca de sinterização de cinza tsp abaixo da qual a temperatura deve cair de forma que na borda livre e no resfriamento dos gases brutos carregados de pó não causem cozimento ou tamponamento. Os exemplos numéricos típi- 30 cos não-representativos da temperatura crítica de sinterização de cinza tsP são 700°C, por exemplo, para biomassas, 1000°C, por exemplo, para carvão lignítico e 1100°C, por exemplo, para carvão duro. Com carvões Iigniticos tendo uma temperatura crítica de sinterização de cinza de, por exemplo, 1000°C se dá uma gaseificação quase completa, se as temperaturas na saí- da de gás bruto são 900 a 950°C (faixa de temperatura de 50 a 100 K). Des- te modo a invenção utiliza a diferença de temperatura entre ambas estas 5 temperaturas características, relevantes para a maioria dos combustíveis pulverizados. Enquanto a temperatura crítica de sinterização de cinza tsp está abaixo da temperatura requerida para gaseificação, tal como com al- gumas biomassas, agregados que levantam as temperaturas de fusão e de sinterização devem ser adicionalmente adicionados a fim de elevar a tempe- 10 ratura crítica de sinterização de cinza tsp acima da temperatura de gaseifi- cação. Os agregados que elevam a temperatura de sinterização podem ser alimentados tanto junto com os combustíveis sólidos quanto separados dos combustíveis sólidos.
O fluxo arrastado circulante interiormente é estabelecido como 15 segue. Os combustíveis sólidos são, como os primeiros agentes de gaseifi- cação, introduzidos localmente separados deles dentro da câmara de gasei- ficação na zona da parte inferior do fluxo arrastado; também a introdução na forma de pastas fluídas é adequado. Dependendo do potencial térmico do gaseificador de fluxo arrastado e os combustíveis a serem alimentados, são 20 providos um ou vários bocais, distribuídos preferencialmente sobre a perife- ria do gaseificador de fluxo arrastado e preferencialmente distribuídos em um plano de bocal. Os primeiros agentes de gaseificação são injetados atra- vés de bocais de agente de gaseificação com a injeção sendo alinhada vas- tamente horizonta e vastamente radial ao eixo de fluxo da câmara de gasei- 25 ficação, acontecendo a velocidades de entrada de >10 a aproximadamente 80 m/s. Os bocais de agente de gaseificação são também preferencialmente posicionados em um plano de bocal. É também possível executar a entrada localmente separada dos combustíveis e dos agentes de gaseificação sobre um ou vários queimadores de pó.
A gaseificação no fluxo arrastado circulante interiormente habilita
a usar carvões de cozinhar e inchamento e carvões de alta cinza com tem- peraturas de fluxo de cinza mais altas devido às velocidades de aquecimen- f
to muito rápido e a distribuição rápida na câmara de reação. Para assegurar que é decisivo que se desenvolvam temperaturas na zona de chama que excedem as temperaturas de fluxo de cinza por aproximadamente 1000 K e até mais.
Devido a que os agentes de gaseificação entram na câmara de
gaseificação em velocidades rápidas de fluxo, zonas de chama são desen- volvidos na frente dos bocais de agente de gaseificação tendo temperaturas até > 2000°C que criam um fluxo superior quente, preferencialmente na for- ma de um fluxo central. Nas zonas de chama e na zona quente de um fluxo 10 central em desenvolvimento a cinza amolece, derrete e aglomera. Isto en- grossa o tamanho do grão da cinza (aproximadamente 1 a 5 mm), até que os aglomerados do fluxo arrastado se movem para baixo no leito móvel. Com altura crescente nas zonas de chama, ou o fluxo central, respectiva- mente, alargam até que eles enchem toda a seção transversal da câmara de 15 gaseificação aproximadamente na forma de um fluxo de tubo na saída de gás bruto na última. Ao mesmo tempo devido às reações endotérmicas o fluxo esfria no caminho de fluxo até a saída de gás bruto, alcançando tempe- raturas que correspondem às temperaturas quando as reações de gaseifica- ção endotérmicas param. O fluxo central quente é cercado por um fluxo de 20 parede "fria" descendente onde também as reações endotérmicas dominam. O fluxo de parede inclui as partículas que devido a gravidade caem fora das zonas de chama e o fluxo central, afundando para baixo, e é fortemente car- regado com sólidos. Na extremidade mais baixa do fluxo arrastado o fluxo de parede se remistura com o fluxo para cima enquanto partículas mais grossas 25 acomodam-se. Deste modo a zona de reação do fluxo arrastado circulante interiormente inclui uma ou várias zonas de reação quente central onde pro- cedem predominantemente as reações de oxidação exotérmica e a granula- ção da cinza acontece, e perto da cabeça do gaseificador, da parede do ga- seificador e a superfície da leito móvel uma zona de reação "fria" onde as 30 reações de gaseificação endotérmicas dominam e a parte maior da conver- são de C acontece. A zona do fluxo de tubo na extremidade superior da câ- mara de gaseificação até um certo ponto forma uma zona de anteparo para o requerido desvanecimento das temperaturas antes que o gás bruto flua para fora.
Já quando os combustíveis pulverizados introduzidos passam através das zonas de reação quente pela primeira vez a maioria da parte da 5 cinza é granulada e descartada para baixo no leito móvel. Devido às condi- ções vantajosas para a granulação da cinza nas zonas de reação central quente a quantidade dos pós arrastados pela diminuição dos gases bruto carregados de pó para um nível muito baixo, correspondendo a uma ou duas vezes a quantidade da cinza introduzida com os combustíveis pulverizados. 10 Devido ao estabelecimento específico das reações de gaseifica-
ção e as condições de reação direcionando o fluxo são criadas em um espa- ço confinado que permite drenar gases brutos com baixas cargas de pó do gaseificador de fluxo arrastado em temperaturas abaixo da temperatura críti- ca de sinterização de cinza tsp que sem qualquer esforço adicional podem 15 ser passados para processamento adicional em geradores de vapor de calor de rejeito para usar calor de rejeito. Se se tornar necessário para combustí- veis pulverizados difíceis por causa de um perigo não completamente evitá- vel de contaminação e obstrução pelos gases brutos carregados de pó dre- nados do gaseificador de fluxo arrastado, para executar um resfriamento 20 adicional, então é injetado na cabeça do gaseificador de fluxo arrastado pre- ferencialmente vapor da água ou água, dependendo se é requerido um res- friamento intenso (> aproximadamente 200 K, preferencialmente >100 K) ou um resfriamento menos intenso (< aproximadamente 200 K, preferencial- mente <100 K). Durante este resfriamento adicional, vantajosamente, acon- 25 tece uma conversão de reação endotérmica devido a reações de gaseifica- ção (conversão de resfriamento brusco).
O leito móvel é adaptado para os requisitos do fluxo arrastado como segue. Os segundos agentes de gaseificação são supridos conside- rando quantidade e composição de tal modo que por um lado, a temperatura 30 de amolecimento da cinza não será excedida e por outro lado, o leito móvel é passado regularmente, isto é, nem semelhante a canal nem semelhante de leito de fluído. O conteúdo de baixo oxigênio assegura que a cinza e granu- lados de cinza são quase completamente oxidados depois, enquanto evitan- do amolecimento ou derretimento. Deste modo é cumprido o requisito de operação de não-tamponamento e de não-escorificação do leito móvel. De- pendendo do nível da temperatura de amolecimento da cinza dos combustí- 5 veis usados, concentrações de oxigênio na faixa de aproximadamente 5 a aproximadamente 20 % no vol. são consideradas adequadas. O oxigênio suprido com os segundos agentes de gaseificação de baixo oxigênio é mais ou menos 10 a 30 % do oxigênio total suprido. Os valores mais altos são para serem atribuídos a carvões de alta cinza devido as saídas de cinza au- 10 mentadas enquanto são arrastadas cargas maiores de carbono.
Uma vantagem da invenção é que o consumo de oxigênio quí- mico para a oxidação dos constituintes de cinza dos produtos da parte infe- rior, ou as cinzas de combustível, respectivamente, é comparavelmente mais baixa do que com a gaseificação de leito fixo tradicional, por exemplo, para o 15 princípio de Lurgisto é sabido do dito princípio que uma porcentagem certa do oxigênio de gaseificação está se perdendo no processo de gaseificação real devido a que ele é necessário para a oxidação adicional das cinzas de combustível predominantemente não-vitrificado para os estágios de oxida- ção mais altos. Este não é o caso nesta invenção já que as proporções 20 quantitativas altamente predominantes de cinza dos combustíveis pulveriza- dos são fundidas em atmosferas de gás de redução em uma demanda mí- nima de oxigênio químico e a cinza granulada produzida assim se torna iner- te contra o oxigênio no leito móvel.
A quantidade dos segundos agentes de gaseificação supridos é 25 limitada a tais valores que as velocidades do fluxo de gases brutos formados depois da gaseificação na extremidade superior do leito móvel (relacionada ao fluxo da seção transversal livre de sólidos) não excede 0,1 a 0,5 m/s, pre- ferencialmente 0,1 a 0,3 m/s. O limite superior baixo das velocidades de flu- xo se aplica a condições no fluxo arrastado sob as quais usando agentes de 30 gaseificação com concentrações de oxigênio relativamente baixas formam- se granulados de cinza predominantemente muito finos com tamanhos de grão principalmente <0,5 mm (para combustíveis pulverizados, por exemplo, com cinzas de alto ponto de fusão mas temperaturas críticas de sinterização de cinza baixas), enquanto consequentemente o limite superior se aplica a condições onde usando agentes de gaseificação com concentrações de oxi- gênio relativamente altas formam-se granulados grossos de cinza com ta- 5 manhos de grão principalmente > 0,5 mm. Também no caso de combustí- veis pulverizados com alta cinza pode ser útil fixar velocidades de fluxo altas em torno de 0,5 m/s. Consequentemente altas proporções de carbono são convertidas e a cinza é correspondentemente resfriada. No todo, velocida- des de fluxo altas têm um efeito positivo em que os tamanhos de grão dos 10 aglomerados que formam o leito móvel aumentam, com o resultado positivo de homogeneizar a possibilidade de passar pelo leito móvel.
As velocidades de fluxo dos gases brutos depois da gaseificação quando saindo do leito móvel com 0,1 a 0,5 m/s são suficientemente rápidas de forma que somente pequenas partes dos combustíveis pulverizados in- 15 traduzidos na câmara de gaseificação se separam no leito móvel. Então a concentração de C no leito móvel é normalmente tão baixa que oxigênio é hiperestoiquiometrico relacionado ao carbono de forma que a conversão de carbono é praticamente completa com a oxidação adicional de todos os componentes oxidizáveis de cinza sendo assegurada. Os gases brutos de- 20 pois da gaseificação entrando para cima no fluxo arrastado circulante são misturados nele, termicamentes tratados, participando nas reações de gasei- ficação de acordo com as condições presentes de gaseificação.
Para o resfriamento contracorrente dos produtos da parte inferior oxidada são usados preferencialmente segundos agentes de gaseificação 25 que consistem em oxigênio e dióxido de carbono (em vez de vapor de água) com suas temperaturas tão próximas quanto possível da temperatura ambi- ente. Então é possível utilizar o calor sensível dos produtos da parte inferior oxidada para o processo de gaseificação no gaseificador de fluxo arrastado e, por outro lado, passar sem o resfriamento posterior normalmente neces- 30 sário para manipular a cinza. As vantagens do uso de carbono se tornam claras pelo fato de que as temperaturas de saída dos produtos da parte infe- rior de aproximadamente abaixo de 650°C, preferencialmente aproximada- mente abaixo de 600°C, no caso de oxigênio e vapor como segundos agen- tes de gaseificação, podem ser reduzidas para aproximadamente abaixo de 400°C, preferencialmente para aproximadamente abaixo de 300°C no caso de dióxido de carbono em vez de vapor de água. Os produtos oxidados da 5 parte inferior quase livres de C podem ser rejeitados sem problemas ou adi- cionalmente usados. Outra versão vantajosa da invenção consiste em que o vapor, que é produzido na jaqueta de água circundante a câmara de gaseifi- cação, é em parte ou completamente suprido aos segundos agentes de ga- seificação.
Adicionalmente, deve ser assinalado que durante a operação a
profundidade do leito móvel pode ser determinada por, por exemplo, uma medida radiométrica de nível e fixada para ter a profundidade desejada e/ou mantida constante controlando a retirada dos produtos da parte inferior. A saída da retirada de produto da parte inferior é, por exemplo, por meio de 15 uma grelha rotativa de uma maneira provada conhecida. A grelha rotativa também funciona para alimentar e distribuir os segundos agentes de gaseifi- cação sobre a seção transversal do leito móvel.
De acordo com a invenção o problema é resolvido por um reator de gaseificação para a gaseificação de fluxo arrastado de combustíveis sóli- dos sob pressão que essencialmente compreende um vaso de pressão (3) que pode ser resfriado e uma jaqueta interna (7) que é equipada com uma blindagem de calor, com pelo menos um fluxo de saída de gás bruto (8) lo- calizada na extremidade superior do vaso de pressão (3) e pelo menos uma saída de retirada de produto da parte inferior (9) na extremidade mais baixa da vaso de pressão (3), tendo o vaso de pressão (3) pelo menos bastante espaço para um leito móvel e um fluxo arrastado que circula interiormente acima da superfície (12) do leito móvel e uma zona de anteparo situada aci- ma do dito leito arrastado, por meio do que em uma altura de entre aproxi- madamente 1 e 3 m acima da superfície (12) do leito móvel (13) estão situa- das conexões de alimentação (15) para os combustíveis sólidos e bocais de agente de gaseificação (16) para a provisão de primeiros agentes de gaseifi- cação (17), sendo os bocais de agente de gaseificação (16) projetados para injetar os primeiros agentes de gaseificação no fluxo arrastado de tal modo que são formados um fluxo superior central quente e um fluxo de parede descendente "frio", e por meio do que pelo menos um dispositivo de alimen- tação para segundos agentes de gaseificação está localizado na saída de 5 retirada de produto da parte inferior (9).
As paredes de encerramento da câmara de gaseificação, que alcançam desde a saída de fluxo de gás bruto (8) na extremidade superior até a saída de retirada de produto da parte inferior (9) na extremidade mais baixa do reator de gaseificação para gaseificação de fluxo arrastado, são 10 projetadas sobre sua altura preferencialmente sem mudanças consideráveis na seção transversal, mais fácil com uma forma cilíndrica. O gaseificador inteiro é semelhante a gaseificadores da leito fixo preferencialmente equipa- dos com uma jaqueta de água para resfriamento; mas também podem ser usadas paredes de diafragma de tubo resfriada a água. A proteção da jaque- 15 ta interna do gaseificador (7) no lado quente consiste preferencialmente em um habitual cravamento de um revestimento cerâmico tal como SiC ou ou- tros materiais refratários como uma proteção cerâmica.
De acordo com uma versão vantajosa da invenção os bocais de agente de gaseificação (16) são uniformemente dispostos, distribuídos sobre a periferia da jaqueta de pressão externa (5), orientada radialmente, inclina- dos para cima de 10° a 30°.
As conexões de alimentação (15) para os combustíveis sólidos são vantajosamente situados em aproximadamente o mesmo nível ou abai- xo dos bocais de agente de gaseificação (16).
A posição de altura dos bocais de agente de gaseificação e as
conexões de alimentação podem ser variadas dentro de certos limites. As conexões de alimentação são posicionadas no mesmo nível ou a aproxima- damente 1 m abaixo dos bocais de agente de gaseificação e pelo menos aproximadamente 1 m acima da superfície do leito móvel. Preferencialmen- 30 te, os bocais de agente de gaseificação e as conexões de alimentação são posicionados em um plano comum, aproximadamente 1 a 3 m acima da su- perfície do leito móvel. Observando a distância mínima vertical das conexões de alimentação ao leito móvel assegura que os combustíveis sólidos podem ser supridos sem perturbação, a posição igual ou mais profunda das cone- xões de alimentação comparada com os bocais de agente de gaseificação assegura que o oxigênio livre não reage com os combustíveis sólidos perto 5 das paredes.
A saída de retirada de produto da parte inferior (9) é vantajosa- mente projetada como grelha rotativa.
O fluxo arrastado circulante interiormente (11) é estabelecido sobre a superfície (12) do leito móvel (13). A zona de anteparo está Iocaliza- da acima do fluxo arrastado circulante interiormente (11).
A combinação de um fluxo arrastado circulante interiormente e um leito móvel abaixo do fluxo arrastado circulante na maneira de acordo com a invenção resulta em uma simplificação fundamental do sistema de toda a instalação e operação do processo de gaseificação. As simplificações 15 mais importantes se relacionam ao reator de gaseificação para gaseificação de fluxo arrastado. As paredes englobando a câmara de gaseificação que alcançam desde a saída de gás bruto na extremidade superior até a saída de retirada de produto da parte inferior na extremidade mais baixa do gasei- ficador de fluxo arrastado são projetadas ao longo de sua altura sem mu- 20 danças de seção transversal considerável, mais fácil na forma de um cilin- dro. A blindagem de calor da jaqueta interna do gaseificador no lado quente consiste preferencialmente de um usual cravamento e uma camada cerâmi- ca. Nenhum forro de tijolo é exigido. No caso de revestimentos cerâmicos podem ser realizados atividades de partida e fechamento curtos. No lado de 25 gás bruto não são requeridos nenhum ciclone quente, nem resfriamento bruscos de gás frio nem resfriamento e dispositivos depois do tratamento para os pós separados, no lado do produto da parte inferior não são requeri- dos nenhum resfriamento e dispositivos depois do tratamento. Finalmente, o suprimento dos agentes de gaseificação e combustíveis sólidos podem ser 30 drasticamente simplificados em que ao invés de sistemas de estruturas ca- ras de queimador integrados podem ser providos sistemas separados com alimentadores de tubulaçaõ resfriados. Também um sistema para gaseificação de fluxo arrastado sob pressão é parte da invenção. O dito sistema compreende um reator de ga- seificação de acordo com a invenção com dispositivos associados para o suprimento de agentes de gaseificação e combustíveis sólidos, para proces- 5 sarnento adicional dos gases brutos e rejeição da cinza.
O fluxo de saída de gás bruto (8) do reator de gaseificação é conectado a um trocador de calor de rejeito (25), depois do qual são provi- dos um separador de pó para a separação dos pós arrastados e um trans- portador de fluxo vedado para realimentar os pós separados no fluxo arras- tado circulante interiormente (11).
Os gases brutos que deixam o separador de pó podem ser usa- dos ou antes do uso supridos a um dispositivo de preparação de gás.
A figura 1 explica uma versão da invenção em detalhe.
A figura 1 mostra uma representação esquemática extremamen- te simplificada de um reator de gaseificação (1) com fluxo arrastado circulan- te interiormente. A câmara de gaseificação (3) do reator de gaseificação (1) para gaseificação de fluxo arrastado é incluso em um vaso de pressão cilín- drico (4) que compreende uma jaqueta de pressão externa (5), uma câmara de água (6) e uma jaqueta interna (7). A jaqueta interna (7) é provida com cravos e revestida com um material refratário como proteção cerâmica. Na extremidade superior do gaseificador de fluxo arrastado (1) está situado o fluxo de saída de gás bruto (8), na extremidade mais baixa está situada a saída de retirada de produto da parte inferior (9), sendo indicada na figura somente o contorno superior da grelha rotativa (10) da saída de retirada de produto da dita parte inferior (9). O fluxo arrastado circulante interiormente (11) é estabelecido sobre a superfície (12) do leito móvel (13). Em um plano
(14) em uma altura de aproximadamente 1 m acima da superfície (12) do leito móvel (13) existem duas conexões de alimentação (15), deslocadas por 180°, para o suprimento de fluxo vedado do carvão Iignitico pulverizado seco (2) e seis bocais de agente de gaseificação (16) para o suprimento dos pri- meiros agentes de gaseificação (17). Os bocais de agente de gaseificação
(16) são uniformemente dispostos distribuídos sobre a periferia da jaqueta de pressão externa (5). Os ditos bocais (16) são radialmente orientados, in- clinados para cima por 30°.
O fluxo de saída de gás bruto (8) é conectado ao trocador de calor de rejeito (25), por meio do qual depois do dito trocador de calor (25) são positionados um filtro de gás quente (26) para separar os pós arrastados e um transportador de fluxo vedado para realimentar os pós separados (20) no fluxo arrastado circulante interiormente (11).
No reator de gaseificação (1) para a gaseificação de fluxo arras- tado é gaseificado carvão Iignitico pulverizado seco (2) com um conteúdo de 10 água de 12 % em massa, conteúdo de cinza de 6 % em massa e uma tem- peratura crítica de sinterização de cinza de 1000°C. Para tornar as coisas mais fáceis para entender o suprimento quantitativo dos primeiros agentes de gaseificação (17) é explicado no que segue relacionado à base de refe- rência de 1 kg de carvão Iignitico seco (2). Relacionado a 1 kg de carvão 15 Iignitico seco (2), são alimentados em conjunto 0,366 m3 (condições nor- mais) de oxigênio (18), 0,058 m3 (condições normais) de gás carbônico (29) e 0,171 kg de vapor de água (19).
Os primeiros agentes de gaseificação (17) são injetados a uma velocidade de fluxo de 30 m/s e uma temperatura de 280°C através dos bo- cais de agente de gaseificação (16) na câmara de gaseificação (3) do reator de gaseificação (1). Adicionalmente aos primeiros agentes de gaseificação
(17) e ao carvão Iignitico pulverizado seco (2), são supridos no fluxo arrasta- do circulante interiormente (11), pós realimentados (20) e o gás bruto depois da gaseificação (21) que deixa a superfície (12) para cima.
Enquanto misturando intensamente os materiais introduzidos no
fluxo arrastado circulante interiormente (11) o fluxo central quente para cima (22) forma envolvido pelo fluxo "frio" de parede descendente (23). No fluxo central quente para cima (22) a cinza granula para formar granulado de cin- za que acomoda-se com um tamanho de grão de principalmente 2 mm na 30 superfície (12) do leito móvel. Os gases brutos carregados de pó (24) que têm uma carga de pó de aproximadamente 30 g/m3 (condições normais), com os pós consistindo em quantitativamente metade de carbono e metade de cinza, deixam o reator de fluxo arrastado (1) a uma temperatura de apro- ximadamente 950°C sobre o fluxo de saída de gás bruto (8) e passa no filtro de gás quente (26) sobre o trocador de calor de rejeito (25), onde os ditos gases (24) são esfriados para aproximadamente 250°C. No filtro de gás 5 quente (26) os pós arrastados (20) são praticamente completamente sepa- rados e realimentados no fluxo arrastado circulante (11) por meio de um dis- positivo para transportar fluxo vedado (27).
Acima da grelha rotativa (10) os segundos agentes de gaseifica- ção (28) que são misturados de oxigênio (18) e dióxido de carbono (29) na
relação de volume em 10 % em vol. de oxigênio para 90 % em vol. de dióxi- do de carbono são supridos no leito móvel (13) a uma temperatura de 80°C. Os produtos oxidados da parte inferior (30) que são drenados acima da saí- da de retirada de produto da parte inferior (9) deixa o gaseificador de fluxo arrastado (1) a uma temperatura de 140°C. O conteúdo de C de produtos da
dita parte inferior (30) é < 2 % em massa de forma que eles podem ser am- bientalmente adequadamente eliminados ou adicionalmente utilizados. Os segundos agentes de gaseificação (28) são supridos em uma tal quantidade que se estabelecem na superfície (12) do leito móvel (13) em uma velocida- des de fluxo de mais ou menos 0,3 m/s relacionadas ao corte transversal de
fluxo livre. Isto assegura uma passagem homogênea, regular do leito móvel (13).
Listagem de Referência
1 reator de gaseificação para gaseificação de fluxo arrastado 2 carvão Iignitico pulverizado sêco 3 vaso de pressão cilíndrico 4 vaso de pressão 5 jaqueta de pressão externa 6 câmara de água 7 jaqueta interna 8 saída de fluxo de gás bruto 9 saída de retirada de produto da parte inferior 10 contorno de topo da grelha rotativa 11 fluxo arrastado interiormente circulante
12 superfície
13 leito móvel
14 plano
15 conexão de alimentação
16 bocais de agente de gaseificação
17 primeiros agentes de gaseificação
18 oxigênio
19 vapor de água 20 pós
21 depois da gaseificação de gás bruto
22 fluxo central quente
23 fluxo de parede "frio"
24 gases brutos carregados de pó 25 trocador de calor de rejeito
26 filtro de gás quente
27 dispositivo para transporte de fluxo forçado
28 segundos agentes de gaseificação
29 dióxido de carbono
30 produtos oxidados da parte inferior
Claims (19)
1. Método para a gaseificação de fluxo arrastado de combustí- veis sólidos sob pressão, por meio do qual em um fluxo arrastado circulante interiormente para cima, usando primeiros agentes de gaseificação rico de oxigênio a) a gaseificação praticamente completa dos componentes carbo- nosos dos combustíveis sólidos e b) um tratamento térmico de gases brutos depois da gaseificação e também c) a granulação da cinza em temperaturas acima da temperatura em que acontece o abrandamento da cinza, por meio do que são formados resíduos de gaseificação contendo carbono, granulados de cinza e gases brutos carregados de pó e gases brutos carre- gados de pó são drenados a temperaturas abaixo da temperatura crítica de sinterização de cinza do fluxo arrastado para cima em uma zona de anteparo e de lá passado para processamento adicional, por meio do que os primeiros agentes de gaseificação são injetados no fluxo arrastado de tal modo que um fluxo para cima central quente e um fluxo descendente "frio" de parede sejam formados, por meio do que em um leito móvel localizado abaixo do fluxo arrastado pelo uso de segundos agentes de gaseificação de baixo oxi- gênio acontece uma quase completa a totalmente completa oxidação dos resíduos de gaseificação e granulados de cinza contendo carbono que dei- xam o fluxo arrastado em direção descendente a temperaturas abaixo da temperatura de abrandamento de cinza, por meio do que são formados os gases brutos depois da gaseificação e produtos oxidados da parte inferior, por meio do que os segundos agentes de gaseificação são alimentados em uma tal quantidade e composição que por um lado, a temperatura de abran- damento de cinza não será excedida no leito móvel e por outro lado, o leito móvel será regularmente passado, e por meio do que os produtos da parte inferior oxidados são drenados do leito móvel descendente em contracorren- te aos segundos agentes de gaseificação e os gases brutos depois da gasei- ficação são passados para cima do leito movei no fluxo arrastado.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que os gases brutos carregados de pó drenados do fluxo arrastado são preferencialmente alimentados a trocadores de calor indiretos e subse- quentemente a separadores de cinza para separar pós contendo C e que os pós contendo C são quase completamente ou completamente realimentados no fluxo arrastado.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado em que os primeiros agentes de gaseificação são supridos com conteúdo de oxigênio de 21 a 100 % em volume.
4. Método de acordo com quaisquer uma das reivindicações 1 a3, caracterizado pelo fato de que os segundos agentes de gaseificação são supridos com conteúdo de oxigênio rotativo de 5 a 20 % em volume.
5. Método de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os segundos agentes de gaseificação de babco oxigênio consis- tem em oxigênio e gás carbônico e são introduzidos atemperaturas de prefe- rencialmente <100°C no leito móvel.
6. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que os combustíveis sólidos são escolhidos de combustíveis pulverizados, pós contendo C ou misturas deles ou sólidos contendo pastas semifluidas de combustível/água ou de combustível/óleo.
7. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o suprimento dos combustíveis sólidos a- contece no mesmo nível ou até aproximadamente 1 m abaixo do nível do suprimento dos primeiros agentes de gaseificação, mas pelo menos aproxi- madamente 1 m acima da superfície do leito móvel.
8. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que os combustíveis sólidos são introduzidos por meio de transporte de fluxo forçado e/ou na forma de pastas semifluidas.
9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a8, caracterizado em que os primeiros agentes de gaseificação são injetados na câmara de gaseificação em velocidades de fluxo de >10 a aproximada- mente 80 m/s.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a9, caracterizado pelo fato de que adicionalmente, são supridas aos combus- tíveis sólidos, adições que elevam as temperaturas de fusão e sinterização quando a temperatura crítica de sinterização de cinza deles está abaixo da temperatura necessária para gaseificação.
11. Reator de gaseificação para a gaseificação de fluxo arrasta- do de combustíveis sólidos sob pressão essencialmente compreendendo um vaso de pressão (3) que pode ser esfriado e uma jaqueta interna (7) isto é equipada com uma proteção de calor, com pelo menos um fluxo de saída de gás bruto (8) localizado na extremidade superior do vaso de pressão (3) e pelo menos uma saída de retirada de produto da parte inferior (9) na extre- midade mais baixa da vaso de pressão (3), tendo o vaso de pressão (3) pelo menos bastante espaço para um leito móvel e um fluxo arrastado que circula interiormente acima da superfície (12) do leito móvel e uma zona de antepa- ro situada acima do dito leito arrastado, por meio do que em uma altura de entre aproximadamente 1 e 3 m acima da superfície (12) do leito móvel (13) estão situadas conexões de alimentação (15) para os bocais de combustí- veis sólidos e agente de gaseificação (16) para o suprimento dos primeiros agentes de gaseificação (17), sendo os bocais de agente de gaseificação (16) projetados para injetar os primeiros agentes de gaseificação no fluxo arrastado de tal modo que sejam formados um fluxo para cima central quen- te e um fluxo de parede descendente "frio", e por meio do que pelo menos um dispositivo de alimentação para segundos agentes de gaseificação é lo- calizado na saída de retirada de produto da parte inferior (9).
12. Reator de gaseificação de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que os bocais de agente de gaseificação (16) são uniformemente dispostos distribuídos sobre a periferia da jaqueta de pressão externa (5), orientada radialmente, inclinada de 10° a 30° para cima.
13. Reator de gaseificação de acordo com a reivindicação 11 ou12, caracterizado em que o vaso de pressão (3) é projetado como vaso de pressão cilíndrico sem mudanças consideráveis do corte transversal.
14. Reator de gaseificação de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que a jaqueta interna (7) é provida com cravos e revestida com SiC e/ou outros materiais cerâmicos refratários como proteção cerâmica de calor.
15. Reator de gaseificação de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 13, caracterizado pelo fato de que o vaso de pressão é provido com uma parede de diafragma de tubo resfriado a água.
16. Reator de gaseificação de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, caracterizado em que as conexões de alimentação (15) para os combustíveis sólidos são situadas em aproximadamente o mesmo nível ou abaixo dos bocais de agente de gaseificação.
17. Reator de gaseificação de acordo com qualquer uma das reivindicações 11 a 15, caracterizado em que a saída de retirada de produto da parte inferior é projetada como grelha rotativa.
18. Instalação para a gaseificação de fluxo arrastado sob pres- são compreendendo pelo menos um reator de gaseificação como definido em qualquer uma das reivindicações 11 a 17, com dispositivos associados para o suprimento de agentes de gaseificação e combustíveis sólidos, para o processamento adicional dos gases brutos e a saída da cinza, o fluxo de saída de gás bruto (8) sendo conectado a um trocador de calor de rejeito (25), por meio do que depois do dito trocador de calor (25) são posicionados um filtro de gás quente (26) para separar os pós arrastados e um transporta- dor de fluxo forçado realimentando os pós separados (20) no fluxo arrastado circulante interiormente (11).
19. Instalação de acordo com a reivindicação 18, caracterizada em que a saída de fluxo de gás bruto do separador de pó (26) é conectada a um dispositivo de preparação de gás.
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