CS217972B2 - Způsob ztekucování uhlí - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu ztekucování uhlí za využití vnitřního přenosu tepla.

Způsob ztekucování uhlí v přítomnosti rozpouštědla má velký ekonomický význam, a proto se mu věnuje stále velká pozornost.

Produktem ztekucování uhlí jsou uhlovodíkové plyny, benzin o teplotě varu do 193 stupňů Celsia, střední destilát o teplotě varu 193 až 249 °C, těžký destilát o teplotě varu 249 až 454 °C, přičemž se zde benzin, střední destilát a těžký destilát označují souhrnně jako „produkt o teplotě varu do 454 °C“ nebo „destilátová kapalina“ nebo „ztekucené uhlí“; je to produkt, který je kapalný za teploty místnosti, a může se ho používat například při samotném procesu ztekucování jakožto rozpouštědla, které je donorem vodíku.

Dalším produktem ztekucování uhlí je koncentrovaná suspenze obsahující veškerý „produkt o teplotě varu nad 454 °C“ a veškerý nerozpustný organický zbytek a anorganický zbytek z uhlí, přičemž se tyto nerozpuštěné látky označují jako „minerální zbytek“. Množství organických nerozpuštěných látek je vždy menší než hmotnostně 10 nebo 15 %', vztaženo na hmotnost uhlí, zavedeného do procesu.

Nejžádanějšími produkty ztekucování uhlí jsou produkty o teplotě varu do 454 °C;

ve vysokých výtěžcích však vždy také vzniká produkt o teplotě varu nad 454 °C. Tento produkt je z ekonomického hlediska méně hodnotný než produkt o teplotě varu do 454 °C. Výzkumy se proto zaměřují na zvýšení výtěžku produktů o teplotě varu do 454 °C a na zlepšení ekonomiky způsobu.

Tento vynález se týká právě zlepšení ekonomiky způsobu ztekucování uhlí.

Předmětem vynálezu je způsob ztekucování uhlí, při kterém se vede mokrá uhelná vsázka do předsoušecí zóny k odstranění části obsažené vlhkosti, částečně vysušené uhlí se z předsoušecí zóny vede spolu s recyklovanou suspenzí, obsahující produkt ze ztekucování uhlí o teplotě varu do 454 °C, produkt ze ztekucování uhlí o teplotě varu nad 454 °C a minerální zbytek, do směšovací nádoby k promíchání vsázky za tlaku nižšího, než je tlak provozní, suspenze se po opuštění směšovací nádoby upravuje na provozní tlak a zavádí se do předehřívací zóny ke zvýšení teploty na hodnotu, při které alespoň část uhlí reaguje, předehřátá suspenze se z předehřívací zóny vede spolu s vodíkem do reakční zóny, kde se produkt ztekucování uhlí o teplotě varu nad 454 °C exotermně hydrokrakuje na produkt o teplotě varu do 454 °C a na uhlovodíkové plyny, horká suspenze se z reakční zóny zavádí do vysokoteplotní separační zóny k oddělení par a kapalin o teplotě varu do 193 °C, z jejíž hlavy se odvádí plynný produkt obsahující vodík, uhlovodíkové plyny a uhlovodíky o teplotě varu do 193 °C a oddělují se tak od suspenze obsahující produkt o teplotě vodu 193 až 494 °C, produkt o teplotě varu nad 454 °C a suspendovaný minerální zbytek, a část suspenze z vysokoteplotní separační zóny se recykluje do mísící zóny, a který se vyznačený tím, že se plynný produkt z hlavy vysokoteplotní separační zóny zavádí při provozním tlaku do předehřívací zóny pro přímé míšení se suspenzí v předehřívací zóně a předává této· suspenzi teplo za současného vlastního ochlazení, přičemž se pára z předehřívací zóny odvádí nezávisle na odvádění suspenze z předehřívací zóny.

Z důvodů tepelné ekonomiky ztekucování uhlí je žádoucí, aby teplota v nádobě pro míšení uhlí vystoupila na maximální hodnotu dosažitelnou z tepla obsaženého v horké, recyklované suspenzi. Maximální technologická teplota v nádobě pro míšení vsázkového uhlí je však oblezena vytvářením gelu po smíšení vsázkového uhlí s horkou recyklovanou suspenzí. Rychlost vytváření gelu vzrůstá se vzrůstající teplotou a směs se stává pro přílišnou hustotu obtížně čerpatelnou.

Při způsobu podle vynálezu je teplota v nádobě pro míšení vsázkového· uhlí dostatečně vysoká, avšak při udržování dostatečně krátké době prodlevy v mísící zóně se vrcholu viskozity nedosahuje a suspenze z nádoby pro míšení vsázkového uhlí se čerpá do předehřívací zóny dříve než viskozita gelu překročí hranici čerpatelnosti. Tak se dosahuje vysokého stupně přímého přestupu tepla bez doprovodného nepříznivého vrcholu viskozity.

Teplota v předehřívací zóně se má udržovat na hodnotě dostatečné k tomu, aby viskozita suspenze dosáhla rychle vrcholu a pak klesla. K poklesu dochází po dosažení vrcholu viskozity v důsledku depolymeračních reakcí v gelu, vytvořeném ze vsázkového uhlí a z technologického rozpouštědla, přecházením gelu do roztoku. Teplota depolymerace kolísá, zpravidla je však 260 až 399 °C nebo 316 až 371 °C.

Teplota suspenze v nádobě pro míšení vsázkového uhlí se při způsobu podle vynálezu udržuje 149 až 260 °C a doba prodlevy suspenze v nádobě pro míšení vsázkového uhlí je 5 až 30 minut, takže se využívá poměrně vysoké teploty za dodržení krátké doby prodlevy.

Teplota v mísící nádobě pro vsázkové uhlí se řídí alespoň částečně přímým přestupem tepla; ovlivňuje se také řízením obsahu vlhkosti ve vsázkovém uhlí v předsoušecí zóně. Jestliže je teplota v nádobě pro míšení vsázkového· uhlí příliš vysoká, sníží se stupeň vysoušení uhlí v předsoušecí zóně, takže obsah vlhkosti uhlí v nádobě pro míšení vsázkového uhlí stoupne a přídavné sušení, probíhající v nádobě pro míšení vsázkového uhlí, snižuje teplotu v této nádobě. Nebo se naopak obsah vlhkosti uhlí, zaváděného do nádoby pro míšení vsázkového uhlí s recyklovanou suspenzí může snížit, čímž se zvýší teplota ve směšovací nádobě.

Ze vsázkového uhlí se obecně odstraňuje hmotnostně až 90 % a s výhodou 30 až 70 % obsažené vlhkosti, přičemž se v podstatě veškerá zbylá vlhkost odstraňuje v nádobě pro míšení vsázkového uhlí s re₇ cyklovanou suspenzí. Kdyby se do nádoby pro míšení uhlí zavedlo nesušené vsázkové uhlí, došlo by k maximálnímu ochlazení a k minimální teplotě a nebylo by možné využívat částečného předsušení uhlí k řízení teploty v mísící zóně.

Tlak v nádobě pro míšení vsázkového uhlí s recyklovanou suspenzí je podstatně nižší než provozní tlak a může být nižší než 2540 Pa. Tlak má být právě dostatečný k využití kondenzačního tepla odváděné vodní páry a k oddělení stržených uhlovodíků nebo škodlivých plynů, jako je sirovodík, z vodní páry před jejím odvedením z procesu.

Z nádoby pro míšení vsázkového uhlí s recyklovanou suspenzí se získaná suspenze odvádí nezávisle od odvádění plynných produktů. Tlak odváděné suspenze se zvýší na provozní tlak a suspenze se zavádí do předehřívací zóny- Do předehřívací zóny se zavádí horký plynný produkt z hlavy vysokoteplotní separační zóny pro přímé míšení se zavedenou suspenzí a za důkladného promíchávání předává zavedené suspenzi své teplo za současného vlastního ochlazování. Tím dochází ke zvýšení teploty v předehřívací zóně na hodnotu, při které dochází alespoň k částečnému ztekucování uhlí.

Suspenze z předehřívací zóny se pak mísí s horkým technologickým vodíkem a zavádí se do reakční zóny, kde se produkt o teplotě varu nad 454 °C, obsažený v suspenzi, exotermně hydrokrakuje na produkt o teplotě varu do 454 °C a na uhlovodíkové plyny. Tyto hydrokrakovací reakce jsou účinně katalyzovány minerálním zbytkem, obsaženým v suspenzi recyklované do mísící zóny pro míšení se vsázkovým uhlím. Hmotnostní poměr recyklované suspenze o teplotě nad 193 °C k suchému zaváděnému uhlí je

1,5 až 4.

Teplo vyvíjené exotermními reakcemi, které probíhají v reakční zóně, je dostatečné pro udržení hydrokrakovacích reakcí po celé délce reakční nádoby.

V reakční zóně zvyšuje teplo vznikající exotermními reakcemi střední teplotu reakčních složek na 427 až 482 a s výhodou •na 339 až 466 °C. Doba prodlevy suspenze v reakční zóně je delší než v předehřívací zóně. Střední doba prodlevy suspenze v předehřívací zóně je 0,02 až 0,5 hodin, zatímco doba prodlevy v reakční zóně je delší, 0,3 až 2 hodiny.

S

V důsledku exotermních reakcí, které probíhají v reakční zóně, je střední teplota v reakční zóně alespoň o 11,1 až o 111,1 °C vyšší než teplota v předehřívací zóně. Tlak vodíku v předehřívací a v reakční zóně je obecně 6,86 až 28 MPa a s výhodou je 10,5 až 17,4 MPa.

Horký produkt z reakční zóny se zavádí do vysokoteplotní separační zóny pro oddělení plynných a kapalných produktů, přičemž se z vysokoteplotní separační zóny odvádějí páry, obsahující vodík, uhlovodíkové plyny, produkty o teplotě varu do 193° a určitý podíl produktu o teplotě varu do 454 °C, a oddělují se tak od zbytku v této vysokoteplotní separační zóně, který obsahuje horký produkt o teplotě varu do 454 stupňů Celsia a horký produkt o teplotě varu nad 454 °C se suspendovaným minerálním zbytkem. Jak horkých par, tak horké suspenze z vysokoteplotního separátoru se v procesu využívá k přímému přestupu tepla.

Horké páry se vedou, jak shora uvedeno, za tlaku odpovídajícího technologickému tlaku k předcházení ztrátám energie v důsledku značnějšího poklesu tlaku, do promíchávané předehřívací zóny a přímo se mísí s obsahem předehřívací zóny a tak mu předávají teplo.

Po důkladném promíšení v předehřívací zóně se odvádějí ochlazené páry, obsahující vodík, uhlovodíkové plyny, produkty o teplotě varu do 193 °C a určitou část produktu o teplotě varu do 454 °C do nízkoteplotního· separátoru plynů a kapalin a odvádějí se z procesu. Odvádění z procesu par z předehřívací zóny nezávisle na odvádění suspenze z předehřívací zóny je důležité pro získání tepla přímou výměnou tepla par. Je umožněno tím, že se upravovači a/ /nebo recyklovaný vodík do procesu zavádí za předehřívací zenou.

V systému kondenzuje a hromadí se kapalina vroucí v teplotním rozsahu, jehož maximum je dáno vysokoteplotním separátorem a minimum je určováno předehřívací zónou za tlaku v systému. Tato akumulovaná kapalina má výhodný vliv, jelikož snižuje viskozitu technologické suspenze, podporuje přestup tepla a působí v systému jako hodnotné rozpouštědlo, které je donorem vodíku.

Tlak horké suspenze z vysokoteplotního separátoru plynů a kapalin z reakční zóny se může snížit bez značnější tepelné ztráty, jelikož je suspenze v podstatě prosta páry a plynných látek. Proto se tlak horké suspenze snižuje a suspenze se zavádí do nádoby pro směšování vsázkového uhlí pro přímé míšení s jejím obsahem, čímž se vsázkovému uhlí dodává teplo a ukončí se jeho vysušení, jak shora uvedeno.

Tímto způsobem se využije tepla jak horkých par, tak horké suspenze z vysokoteplotního separátoru par a kapalin z reakční zóny pro přímou výměnu tepla v procesu.

Způsob ztekucování uhlí podle vynálezu objasňuje připojené schéma.

Nesušené, vsázkové uhlí ve formě částic, obsahující hmotnostně přibližně 3 až 40 % vody, se vede potrubím 10 do zóny sušení uhlí 12, do které se zavádí teplo potrubím 14 k odstranění hmotnostně přibližně 30 až 70 % vody obsažené ve vsázkovém uhlí. Vodní pára se odvádí potrubím 1B.

Částečně usušené uhlí se vede potrubím 18 do směšovací nádoby 20, ve které se vsázkové uhlí suspenduje v recyklované suspenzi, zaváděné potrubím 22. Recyklovaná suspenze v potrubí 22 obsahuje produkt o teplotě varu 193 až 454 °C, produkt o teplotě varu nad 454 °C a suspendovaný minerální zbytek, obsahující rovněž nerozpuštěné organické látky. Teplota ve směšovací nádobě 20 je 149 až 260 °C a zpravidla je 232 °C a tlak je nižší, než tlak provozní, to znamená, že je nižší než 0,7 MPa, a s výhodou je blízký tlaku atmosférickému. Jelikož je směšovací nádoba 20 odvětrávána potrubím 24, musí být suspenze, recyklovaná potrubím 22, v podstatě prostá uhlovodíků vroucích při teplotě, které je ve směšovací nádobě, nebo při nižší teplotě, než je teplota ve směšovací nádobě 20. Recyklovaná suspenze v potrubí 22 má tlak blízký atmosférickému tlaku a teplotu přibližně 441 °C. Množství tepla přiváděného do směšovací nádoby 20 suspenzí přiváděnou potrubím 22 je přiměřené k vysušení, v podstatě dokonalému, vsázkového uhlí.

Vodní pára vytvořená ve směšovací nádobě 20 a odváděná potrubím 24 se zavádí do kondenzátoru 26, ze kterého se popřípadě stržené uhlovodíkové plyny odvádějí potrubím 28, a ze kterého se může získat teplo zahříváním vody zaváděné potrubím 30 do bojleru za vzniku kondenzátu, který se odvádí potrubím 32.

Suspenze se ve směšovací nádobě 20 dokonale promíchává prostřednictvím oběhového systému zahrnujícího výtokové potrubí 34, oběhové čerpadlo 3B a potrubí 38 pro recyklování. Suspenze se ze směšovací nádoby 20 vede potrubím 40 a její tlak se upravuje na technologický tlak 14,0 MPa pístovým čerpadlem 42 a pak se vede potrubím 44 do předehřívací nádoby 46. Suspenze zůstává v předehřívací nádobě 46 po dobu prodlevy 0,1 až 0,2 hodiny, přičemž se suspenze předehřívá na teplotu 316 až 371 °C, s výhodou na teplotu 338 °C produktem z hlavy vysokoteplotního separátoru 78, zaváděným do předehřívací nádoby 46 potrubím 80. Předehřívací nádoba 46 je dokonale promíchávána oběhovým systémem, zahrnujícím výstupní potrubí 48, oběhové čerpadlo 50 a recyklovací potrubí 52.

Předehřátá suspenze se z předehřívací nádoby 46 odvádí potrubím 54 a veškerá suspenze se rozděluje tak, že so hmotnostně přibližně 40 až 70 % suspenze zavádí potrubím 56 do· reakční nádoby 58, zatímco se zbytek suspenze, to jest hmotnostně přibližně 30 až 60 θ/ο, zavádí do reakční nádoby 58 potrubím 60 v místě za vstupem prvního podílu suspenze.

Technologický vodík, který obsahuje primárně čištěný recyklovaný vodík spolu s menším množstvím upravovacího vodíku, se zavádí potrubím 62. Vodík se do reakční nádoby 58 zavádí po předehřátí ve vodíkové předehřívací peci 68 venkovním teplem zavedeným do procesu. Vodík se zavádí do reakční nádoby 58 zahřátý na teplotu 427 až 538 ^QC. Množství tepla obsažené ve vodíku je přiměřené v přítomnosti katalytického recyklovaného minerálního zbytku k započetí hydrokrakovacích exotermních reakcí. Při zvýšení teploty v reakční nádobě 58 nad žádoucí reakční teplotu 449 až 466 °C se za účelem rychlého ochlazování zavádí do reakční nádoby 58 v místě za zavedením prvního podílu nepředehrátý vodík potrubím 74. Rychlým ochlazováním se v reakční nádobě 58 udržuje rovnoměrná hydrokrakovací teplota 449 až 466 °C, s výhodou 454 °C.

Po době prodlevy asi 0,5 až 2 hodiny v reakční nádobě 58, umožňující, aby proběhly hydrokrakovací reakce, se z reakční nádoby 58 produkt odvádí potrubím 76 a vede se do vysokoteplotního separátoru 78. Ve vysokoteplotním separátoru 78 se udržuje teplota 371 až 454 °C, s výhodou 441 °C. Z hlavy vysokoteplotního separátoru 78 se oddělí páry obsahující vodík, uhlovodíkové plyny, benzinové produkty až do teploty 193 °C a malé množství výševroucího produktu o teplotě varu do 454 °C potrubím 80, zatímco se nezávisle potrubím 82 odvádí ze dna vysokoteplotního separátoru 78 suspenze obsahující většinu produktu o teplotě varu 193 až 454 °C, veškerý produkt o teplotě varu nad 454 °C a suspendovaný minerální zbytek.

Část suspenze z potrubí 82 se vede potrubím 84 do systému k získání produktu, který zpravidla zahrnuje deštilační jednotku pracující za tlaku okolí a deštilační jednotku vakuovou a parciální oxidační zplynovač pro výrobu technologického vodíku a po možnosti také pro výrobu syntézního plynu jakožto paliva pro· vodíkovou předehřívací pec 68. Zbytek suspenze, obsahující hmotnostně přibližně 50 až 90 % veškeré suspenze, se vede potrubím 22 pro recyklování do směšovací nádoby 28 k dodávání recyklovaného tekutého rozpouštědla uhlí do procesu, recyklovaného minerálního zbytku jakožto katalyzátoru pro hydrogenační a hydrokrakovací reakce a pro převádění produktu o teplotě varu nad 454 °C na produkt o teplotě varu do 454 °C a na uhlovodíkové plyny.

Parní fáze se z vysokoteplotního separátoru 78 odvádí potrubím 88 a udržuje se na technologickém tlaku, aby se předešlo tepelným ztrátám, ke kterým by jinak docházelo při snižování tlaku plynného systému. Tato horká parní fáze se zavádí do předehřívací nádoby 46, ve které se dobře promíchává pro zprostředkování přímého přestupu tepla do suspenze v předehřívací nádobě 46, čímž teplota v předehřívací nádobě 46 vzroste zpravidla na 316 až 317 °C a s výhodou na 338 °C.

Ochlazená parní fáze se z předehřívací nádoby 46 kontinuálně odvádí z hlavy potrubím 86. Vede se výměníkem tepla 88 a odevzdává teplo vodě pro bojler, vedené potrubím 90. Ochlazená pára se pak zavádí do nízkoteplotního separátoru 92. Nízkoteplotní separátor 92 se udržuje na teplotě přibližně 204 až 260 °C, s výhodou na teplotě 232 °C. Z nízkoteplotního separátoru 92 se potrubím 94 odvádí produkt obsahující vodík pro čištění a pro recyklování a odděluje se tak od kapalného produktu, který se odvádí potrubím 96.

Jelikož se páry z vysokoteplotního separátoru 78 o teplotě 441 °C rychle ochlazují v předehřívací nádobě 46 na teplotu 338 °C, kondenzuje a hromadí se v předehřívací nádobě 46 kapalina o teplotě varu 338 až 441° Celsia za tlaku v systému. Akumulovaná kapalina obíhá v systému předehřívací nádobu 46, reakční nádobou 58 a vysokoteplotním separátorem 78. Zmírňuje tak problém čerpání v důsledku tvoření gelu. Kromě toho akumulovaná kapalina podporuje vnitřní přestup tepla v systému. Konečně akumulovaná kapalina dodává systému hodnotné rozpouštědlo, které je donorem vodíku.

Claims (1)

1. Způsob ztekucování uhlí, při kterém se vede mokrá uhelná vsázka do předsoušecí zóny k odstranění části obsažené vlhkosti, částečně vysušené uhlí se z předsoušecí zóny vede spolu s recyklovanou suspenzí, obsahující produkt ze ztekucování uhlí o teplotě varu nad 454 °C, produkt ze ztekucování uhlí o teplotě varu 193 až 454 °C a minerální zbytek, do směšovací nádoby k promíchání vsázky za tlaku nižšího, než je tlak provozní, suspenze se po opuštění směšovací nádoby upravuje na provozní tlak a zaVYNALEZU vádí se do předehřívací zóny ke zvýšení teploty na hodnotu, při které alespoň část uhlí reaguje, předehřátá suspenze se z předehřívací zóny vede spolu s vodíkem do reakční zóny, kde se produkt ztekucování uhlí o teplotě varu nad 454 °C exotermně hydrokrakuje na produkt o teplotě varu 193 až 454 °C a na uhlovodíkové plyny, horká suspenze se z reakční zóny zavádí do vysokoteplotní separační zóny k oddělení par a kapalin o teplotě varu do 193 °C, z jejíž hlavy se odvádí plynný produkt obsahující vo217972 dík, uhlovodíkové plyny a uhlovodíky o teplotě varu do 193 °C a oddělují se tak od suspenze obsahující produkt o teplotě varu 193 až 454 °C, produkt o teplotě varu nad 454 °C a suspendovaný minerální zbytek, a část suspenze z vysokoteplotní separační zóny se recykluje do mísící zóny, vyznačený tím, že se plynný produkt z hlavy vysokoteplotní separační zóny zavádí při provozním tlaku do předehřívací zóny pro přímé míšení se suspenzí v předehřívací zóně a předává této suspenzi teplo za současného vlastního ochlazení, přičemž se pára z předehřívací zóny odvádí nezávisle na odvádění suspenze z předehřívací zóny.