CZ291558B6 - Způsob zplyňování částicového pevného uhlíkatého paliva, zařízení k provádění tohoto způsobu a integrovaný způsob výroby elektrické energie - Google Patents

Abstract

P°i zp sobu zply ov n sticov ho pevn ho uhl kat ho paliva s obsahem vlhkosti nad 50 % hmotn., se palivo ste n vysuÜ v p°edb n suÜ rn , a d le se vede bez p° davku vody alespo jednou z mkovou n sypkou do alespo jedn tlakov suÜic Üachty. Obsah vlhkosti v ste n vysuÜen m palivu se v suÜic Üacht sni uje na ·rove vhodnou pro zply ov n t m, e se stice paliva strh vaj do proudu produkovan ho plynu, a t m plyn chlad a zvlh uj , ochlazen² a zvlh en² plyn se odd luje od paliva, palivo se sn en²m obsahem vlhkosti se zply uje ve zply ova i, do n ho se vh n vzduch za vzniku hork ho plynn ho produktu, p°i em zdrojem vody pro zply ovac reakci je voda zb²vaj c v palivu se sn en²m obsahem vlhkosti. Alespo st hork ho plynn ho produktu se vede do suÜic Üachty nebo suÜic ch Üachet p°i teplot , p°i kter nedoch z k podstatn pyrol²ze stic paliva v suÜic Üacht . Ochlazen² a zvlh en² plyn se m e v st p° mo do plynov turb ny, v n se vyr b elektrick energie. Za° zen pro tento zp sob, kter mj. obsahuje vzduchem proh n nou zply ovac Üachtu s fluidn m lo em, p°edb nou suÜ rnu spojenou p°es z mkovou n sypku s tlakovou suÜic Üachtou a dalÜ p°enosov a odd lovac prost°edky.\

Description

Způsob zplyňování částicového pevného uhlíkatého paliva, zařízení k provádění tohoto způsobu a integrovaný způsob výroby elektrické energie

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu konverze částicového pevného uhlíkatého paliva s vysokým obsahem vlhkosti na spalovací plyn. Dále se vynález týká zařízení k provádění tohoto způsobu. Zejména se vynález týká zlepšeného způsobu zplyňování vlhkého částicového pevného uhlíkatého paliva, při němž se před sušicím stupněm nepřidává voda a při němž je sušení paliva integrováno s chlazením vyrobeného plynu. Způsob zplyňování podle vynálezu je podle jednoho provedení integrován s výrobou elektrické energie. Vynález je vhodný zejména pro konverzi vlhkého uhlí na uhelný plyn (plyn vzniklý zplyňováním uhlí) a s ohledem na účelnost je tento vynález dále popisován v souvislosti s touto aplikací. Je však třeba chápat, že vynález se hodí i pro konverzi jiných typů částicových pevných uhlíkatých paliv na plyn.

Dosavadní stav techniky

Je známo několik způsobů, kterými lze z uhlí vyrábět uhelný plyn. Tyto konverzní postupy probíhají obvykle při zvýšených teplotách, zpravidla v rozmezí od 900 do 1500 °C, v závislosti na tom, jakého konverzního způsobu se používá. Tyto postupy v podstatě zahrnují částečné spalování uhlí na oxid uhelnatý, ale nikoliv na oxid uhličitý. Z uhlovodíků a vodíku, které jsou chemicky vázány v uhlí, vzniká také určité množství vodíku a methanu. Při těchto postupech se obvykle do reakční směsi zavádí vodní pára, což má za následek tvorbu přídavného vodíku, který vzniká reakcemi mezi uhlíkem a vodou.

Vyrobený plyn musí být před čištěním nebo před regulací jeho průtokové rychlosti prostřednictvím ventilů nejprve ochlazen. Při většině postupů chlazení plynu se používá generátoru páry a přehříváku, v němž se horké plyny chladí průchodem okolo trubek, v nichž se vaří voda a vytváří pára.

Většina známých zplyňovacích postupů vyžaduje jako násadu uhlí, jehož obsah vlhkosti je obvykle nižší než 10 až 20 %, v závislosti na použitém postupu. Zplyňovače do kterých se uvádí kyslík mohou zpracovávat i paliva s vyšším obsahem vlhkosti. Pokud se má zplyňovat uhlí s vysokým obsahem vlhkosti, je nejprve zapotřebí je vysušit, aby se obsah vlhkosti snížil na vhodnou úroveň.

Při známém postupu konverze uhlí s vysokým obsahem vlhkosti na plyn se uhlí nejprve suší sušicím postupem ve fluidním loži. Fluidizace uhlí se přitom dosahuje uváděním proudu horké páry. Páry se také používá pro sušení uhlí na přijatelný obsah vlhkosti. Tento postup se provádí za atmosférického tlaku a surové uhlí je před uváděním do lože v sušicí nádobě zapotřebí drtit. Uhelné lože se fluidizuje tak, že se horká pára, která se vstřikuje ve spodku fluidizační nádoby, probublává ložem uhelných částic, a tak udržuje lože v neustálém pohybu. V oblasti lože jsou umístěny četné trubky, kterými se vede horká pára. Tyto trubky slouží k zahřívání a sušení uhlí. Vysušené uhlí se chladí a skladuje. Potom se uhlí přepravuje ze skladovací nádoby do zplyňovače, který bývá umístěn na jiném místě výrobní jednotky.

Zplyňovač obsahuje lože, které je fluidizováno buď vzduchem nebo vzduchem obohaceným o kyslík, který také chemicky reaguje s uhlím za vzniku plynného produktu, tzv. uhelného plynu.

Zplyňovač pracuje tak, že většina reakcí probíhá ve fluidním loži, přestože plynný proud unáší jemné uhelné částice a jemný popel do horní části zplyňovací nádoby. V tomto místě se může vstřikovat přídavný vzduch, kterého je zapotřebí pro dokončení zplyňovacího procesu. Plyn opouštějící zplyňovací nádobu mívá teplotu řádově 1000 °C a v důsledku toho je pro odstraňování částic polokoksu, které se vracejí do zplyňovače, zapotřebí používat cyklonu vhodného pro provoz za vysoké teploty, který je zevnitř obložen žáruvzdorným materiálem.

Vyrobený horký plyn se potom chladí na teplotu v rozmezí od 0 do 450 °C, aby bylo možno plyn čistit a odsiřovat.

Jsou známy i jiné zplyňovací procesy, ale všechny jsou si v podstatě podobné vtom smyslu, že uhlí se nejprve suší a skladuje a potom se teprve zplyňuje v odděleném procesu, přičemž vyrobený plyn se před čištěním chladí.

Sušicí postupy s ložem fluidizovaným párou vyžadují pro fluidizaci a sušení uhlí páru. Tuje možné vyrábět buď za použití konvenčního vařáku nebo rekompresí páry vzniklé z vlhkosti odstraněné v průběhu sušení. Při obou těchto způsobech se buď musí potřebná energie vyrobit nebo přivést z jiné části výrobního procesu.

V elektrárně vybavené plynovou turbínou, která zahrnuje parní turbínu poháněnou párou vyrobenou v tepelně regeneračním parním generátoru, se může pára pro sušení dodávat z tohoto tepelně regeneračního parního generátoru nebo odebírat z parní turbiny. Tím se však sníží množství páry, kterou má parní turbína k dispozici pro výrobu elektrického proudu.

Rekomprese páry vyžaduje kompresory pro zvyšování tlaku a teploty páry vzniklé odpařením vlhkosti. Tyto kompresory mají velkou spotřebu elektrické energie. Oba tyto způsoby zajišťování páry pro sušárnu s ložem fluidizovaným párou (SFBD) snižují čistý výkon elektrárny a tedy její celkovou účinnost.

Sušárna s ložem fluidizovaným párou pracující za atmosférického tlaku, která by byla schopna zpracovávat uhlí pro elektrárnu o kapacitě řekněme 400 MW, by byla velmi rozměrná, což by se podstatně odrazilo na investičních nákladech na takovou elektrárnu, a tedy i na ceně vyráběného elektrického proudu.

Navržené elektrárny využívající sušárny s ložem fluidizovaným párou zahrnují meziskladování vysušeného uhlí před zplyňovacím stupněm, což má za následek zvýšení investičních nákladů výrobní jednotky pro výrobu plynu. Navíc skladování vysušeného uhlí může být nebezpečné s ohledem na pravděpodobnost jeho samovznícení.

Požadavek na chlazení vyrobeného plynu před filtrací se projevuje přídavnými investičními náklady na výměník tepla, který slouží pro chlazení plynu. Tento tepelný výměník by byl náchylný k zanesení nefiltrovaným plynem. To by se dále projevilo nutností provádět pravidelné čištění tepelného výměníku, které by zvyšovalo provozní náklady výrobní jednotky.

V nedávné patentové literatuře jsou popsány některé postupy, při nichž se plynného produktu vycházejícího ze zplyňovače používá pro odstraňování vlhkosti z nasazovaného paliva.

Při způsobu sušení a zplyňování uhlí s vázanou vodou, který je popsán v patentu US 4 166 802 (Texaco lne.), se suspenze vznikající smísením uhlí s vodou zahřívá za použití horkého plynu přicházejícího ze zplyňovací zóny, což se údajně projevuje ve změněné struktuře uhlí. Část vody se přitom z uhelných částic odstraňuje. Tento sušicí postup by musel pracovat za velmi vysokého tlaku (asi 9 MPa), tj. za tlaku postačujícího k udržení vody v suspenzi v kapalné fázi. Po zahřátí suspenze se část vody ze suspenze odstraňuje za vzniku suspenze se sníženým obsahem vlhkosti. Této suspenze se sníženým obsahem vody se používá jako násady pro zplyňovač, který pracuje s vysokotlakým kyslíkem. Výše uvedený postup pracuje za mnohem vyššího tlaku, než je tlak vyžadovaný normálními plynovými turbínami. Práce za vysokého tlaku by se projevila ve zvýšení investičních nákladů. S ohledem na vysoký obsah vlhkosti v palivu uváděném do zplyňovače je zapotřebí pro dosažení uspokojivého plynného produktu používat zplyňovačů, do nichž

-2 CZ 291558 B6 se vhání kyslík. Také kyslíkový provoz přispívá ke zvýšení investičních nákladů. Při hydrotermálním postupu vzniká silný proud vody znečištěné organickými látkami a také úprava této vody by zvyšovala náklady na tento postup.

Při jiném postupu, který je popsán v patentu US 4 769 157 (Uhde GmbH) a který se týká odstraňování splaškového kalu, se horký plyn vyráběný ze splaškového kalu ve zplyňovači vede vstupním kalem a přitom jej suší na obsah vlhkosti, který postačuje pro zplyňování. Výsledný plyn se před odstraněním, při němž se spaluje, čistí. Nevýhodou tohoto způsobu je, že veškerá vlhkost obsažená ve vstupním kalu zůstává ve vyrobeném plynu, což má za následek, že získaný plyn má velmi nízkou výhřevnost a nehodí se pro spalování v plynové turbíně.

Při způsobu, který je popsán v japonském patentu č. 3 039 394 (Ebara Seisakusho KK) se horký plynný produkt ze zplyňovače vede velkým zásobníkem obsahujícím surovinu pro zplyňovač, aby se z plynného produktu odstranil polokoks a dehet a aby se zároveň surovina pro zplyňovač vysušila a plyn ochladil. Tento způsob je popsán v souvislosti se zplyňováním dřevěných odřezků a pilin, ale tvrdí se, že ho lze použít i s jinými uhlíkatými materiály, kterých se obvykle používá pro zplyňování, jako je rašelina, koks a uhlí. Zdá se, že při tomto postupu se plynný produkt vede pevným ložem suroviny uložené v zásobníku, přičemž průchod plynu se spoléhá na intersticiální prostory mezi částicemi. Takový postup by spolehlivě nepracoval s palivem, které je drolivé a které se snadno rozlamuje na malé částice, poněvadž by mezi vzniklými částicemi nevznikl dostatečný prostor, který by umožňoval průchod plynu. Tento způsob má také jednu společnou vlastnost se dvěma postupy popsanými výše, tj. vzniká při něm plynný produkt s nadměrným obsahem vlhkosti, který má nízkou výhřevnost a nehodí se pro spalování v plynové turbíně.

Při způsobu zplyňování hnědého uhlí s obsahem vlhkosti 50 až 60 % hmotnostních, který je popsán v patentu Německé demokratické republiky DD 209 648, se používá zplyňovače s pevným ložem. Uhlí se mísí s vodou, aby se zachovala velikost kousků v rozmezí od 5 do 60 mm, což je nutnou podmínkou pro udržení průchodnosti uhelného lože pro plyn ve zplyňovači. Uhlí se nejprve předehřívá v zásobním bunkru na 90 °C a potom se předsušuje na obsah vlhkosti 50 % v tlakovém postupu (za použití tlakové páry). Potom se předsušené uhlí uvádí do zplyňovače, kde se sušení dokončuje při tom, jak uhlí postupuje směrem dolů a horký plynný produkt postupuje vzhůru ložem. Tento postup by nebyl použitelný pro zpracovávání drolivého paliva (jako je hnědé uhlí z Victorie, Austrálie). Takové uhlí by se při tomto postupu rozbilo na částice menší než 5 mm. Při popisovaném způsobu se také používá kyslíku a páry jako zplyňovacího média, poněvadž kdyby se použilo zplyňovače pracujícího s vháněným vzduchem, vznikal by plyn s velmi nízkou výhřevností, který by se nehodil pro spalování v plynové turbíně. Nevýhodou tohoto postupu je také zásobní bunkr pro předehřívání uhlí a okolnost, že zplyňovač musí mít větší rozměry než obvyklé zplyňovače, aby se zajistila dostatečná doba setrvání vstupujícího uhlí potřebná pro jeho vysušení. Oba tyto faktory přispívají ke zvýšení investičních nákladů.

Úkolem tohoto vynálezu je vyvinout způsob a zařízení pro zplyňování částicového pevného uhlíkatého paliva s vysokým obsahem vlhkosti, který by překonával nebo alespoň zmírňoval jednu nebo více nevýhod, které jsou charakteristické pro dosavadní stav techniky.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je způsob zplyňování částicového pevného uhlíkatého paliva s vysokým obsahem vlhkosti nad 50 % hmotnostních, jehož podstata spočívá v tom, že se palivo uvádí za atmosférického tlaku do předběžné sušárny;

-3 CZ 291558 B6 v předběžné sušárně se palivo částečně vysuší tak, aby mohlo bez přídavku vody téci alespoň jednou zámkovou násypkou do alespoň jedné sušicí šachty;

částečně vysušené palivo se uvádí do alespoň jedné zámkové násypky;

částečně vysušené palivo se uvádí do jedné nebo více tlakových sušicích šachet, aniž by se k němu přidávala voda;

obsah vlhkosti v částečně vysušeném palivu se v sušicí šachtě nebo sušicích šachtách snižuje na úroveň vhodnou pro zplyňování tím, že se horký plynný produkt vede sušicí šachtou nebo sušicími šachtami tak, že jsou částice paliva strhovány do proudu plynu, a tím plyn chladí a zvhlčují;

ochlazený a zvhlčený plyn se odděluje od paliva;

palivo se sníženým obsahem vlhkosti se ze sušicí šachty nebo sušicích šachet vede do zplyňovače, do něhož se vhání vzduch;

ve zplyňovači se palivo působením vháněného vzduchu zplyňuje za vzniku horkého plynného produktu, přičemž zdrojem vody pro zplyňovači reakci je voda zbývající v palivu se sníženým obsahem vlhkosti; a alespoň část horkého plynného produktu se vede do sušicí šachty nebo sušicích šachet při teplotě, při které nedochází k podstatné pyrolýze částic paliva v sušicí šachtě nebo šachtách.

Předmětem vynálezu je také zařízení pro zplyňování částicového pevného uhlíkatého paliva s obsahem vlhkosti nad 50 % hmotnostních, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje vzduchem proháněný zplyňovač s fluidním ložem pro zplyňování paliva za vzniku horkého plynného produktu;

alespoň jednu tlakovou sušicí šachtu pro snižování obsahu vlhkosti v paiivu na úroveň vhodnou pro zplyňování a pro chlazení a zvlhčování alespoň části horkého plynného produktu;

alespoň jednu předběžnou sušárnu pracující za atmosférického tlaku, v níž se částečně snižuje obsah vlhkosti v palivu tak, aby palivo mohlo být bez přídavku vody převedeno z předběžné sušárny alespoň jednou zámkovou násypkou do alespoň jedné tlakové sušicí šachty;

prostředek pro přenos alespoň části horkého plynného produktu ze zplyňovače do sušicí šachty nebo sušicích šachet při teplotě, při níž nedochází k podstatné pyrolýze části paliva v sušicí šachtě nebo šachtách;

prostředek pro oddělení ochlazeného a zvlhčeného plynu od paliva; a prostředek pro přenos paliva se sníženým obsahem vlhkosti ze sušicí šachty nebo šachet do zplyňovače.

Předmětem vynálezu je dále též integrovaný způsob výroby elektrické energie z částicového pevného uhlíkatého paliva s obsahem vlhkosti nad 50 % hmotnostních, jehož podstata spočívá v tom, že se palivo uvádí za atmosférického tlaku do předběžné sušárny;

v předběžné sušárně se palivo částečně vysuší tak, aby mohlo bez přídavku vody téci alespoň jednou zámkovou násypkou do alespoň jedné sušicí nádoby;

-4CZ 291558 B6 částečně vysušené palivo se uvádí do alespoň jedné zámkové násypky;

částečně vysušené palivo se uvádí do jedné nebo více tlakových sušicích šachet, aniž by se k němu přidávala voda;

obsah vlhkosti v částečně vysušeném palivu se v šachtě nebo sušicích šachtách snižuje na úroveň vhodnou pro zplyňování tím, že se horký plynný produkt vede sušicí šachtou nebo sušicími šachtami tak, že jsou částice paliva strhovány do proudu plynu, a tím plyn chladí a zvhlčují;

ochlazený a zvhlčený plyn se odděluje od paliva;

ochlazený a zvlhčený plyn se vede do plynové turbíny, v níž se vyrábí elektrická energie;

palivo se sníženým obsahem vlhkosti se ze sušicí šachty nebo sušicích šachet vede do zplyňovače, do něhož se vhání vzduch;

ve zplyňovači se palivo působením vháněného vzduchu zplyňuje za vzniku horkého plynného produktu; a alespoň část horkého plynného produktu se vede do sušicí šachty nebo sušicích šachet při teplotě, při které nedochází k podstatné pyrolýze částic paliva v sušicí šachtě nebo šachtách.

Pod označením zplyňování, jak se ho používá v tomto popisu, se rozumí konverze pevného uhlíkatého paliva na plyn vhodný pro spalování. Jako uhlíkatého paliva se může použít jakéhokoliv pevného uhlíkatého paliva, jako je uhlí, rašelina, zbytky dřeva, biomasa, bagasa, splaškové kaly atd.

Některé uhlíkaté materiály mohou vyžadovat předběžné zpracování, jako například drcení, prosévání, předsušování atd., aby vznikly částice s tokovými vlastnostmi, které jsou vhodné pro konkrétně zvolený způsob používaný při přenosu částic do tlakové sušárny nebo sušáren, as dostatečně malými rozměry, aby jim to umožnilo strhávat se do plynného proudu procházejícího sušárnou nebo sušárnami. Přestože velikost částic používaná při způsobu podle vynálezu závisí na řadě faktorů, jako je hustota materiálu, sklon materiálu k aglomeraci, tlak, turbulence a rychlost toku horkého plynu sušárnou nebo sušárnami atd., zjistilo se, že se pro způsob podle vynálezu hodí zejména částice s maximální velikostí asi 6 mm.

Uhlíkatá paliva, která se hodí pro použití při způsobu podle vynálezu, mají vysoký obsah vlhkosti. Pod pojmem vysoký obsah vlhkosti, jak se ho používá v tomto popisu, se rozumí obsah vlhkosti, který je vyšší než maximální obsah vlhkosti použitelný při zplyňovacích postupech. Většina zplyňovacích postupů vyžaduje jako násadu uhlí s obsahem vlhkosti obvykle nižším než 10 až 20 %, v závislosti na konkrétně zvoleném postupu. Zplyňovače, které pracují s kyslíkem, mohou zpracovávat násadu s vyšším obsahem vlhkosti. Pod označením vysoký obsah vlhkosti se tedy rozumí obsah vlhkosti v palivu, který je vyšší než 10 až 20 %. Způsob podle vynálezu se obzvláště hodí pro zplyňování surového uhlí s obsahem vlhkosti nad 50 %.

Obsah vlhkosti v uhlíkatém palivu se snižuje v jedné nebo více sušárnách, v nichž jsou částice paliva strženy do proudu plynného produktu (tento charakter proudu je dále označován pro jednoduchost názvem stržený proud). Tyto sušárny pracují za zvýšeného tlaku, přednostně za podobného tlaku, za jakého pracuje zplyňovač. Sušicí postup je charakteristický tím, že se částice paliva uvádějí do proudu horkého plynu ajsou jím unášeny, přičemž dříve než dojdou k separátoru, jako například cyklonu, dojde k jejich vysušení. Hrubé částice ve strženém proudu, které mohou být ještě vlhké, je popřípadě možno oddělit třídiči a recirkulovat do dalšího sušení. V úvahu přicházejí i jiné sušicí postupy, při nichž se typ sušení se strženým tokem kombinuje

-5 CZ 291558 B6 s typem sušení s fluidizovaným ložem. Při takových kombinovaných postupech se může materiál sušit ve fluidizovaném loži horkým plynem, jehož proud unáší podstatnou část tohoto materiálu nad lože a suší ji metodou strženého toku, přičemž takto unášený materiál může být recirkulován do dalšího sušení.

Ve spojení se zplyňovačem se může používat jedné nebo více sušicích nádob. Skutečný počet sušicích nádob, kterého je zapotřebí, bude záviset na řadě faktorů, jako je obsah vlhkosti v palivu, velikost zplyňovače atd., ale obvykle stačí 1 až 6 sušicích nádob.

Způsob zavádění vlhkého paliva do sušicí nádoby nebo sušicích nádob závisí také na použitém typu sušárny se strženým tokem. V přednostním provedení se palivo zavádí do jedné nebo všech sušicích nádob pomocí systému zámkových násypek, v nichž se tlak postupně zvyšuje až na provozní tlak sušárny. Palivo může vyžadovat předběžné zpracování, aby se zajistil jeho tok zámkovými násypkami. Pro zavádění paliva do sušárny nebo sušáren po dosažení požadovaného tlaku se může používat šnekového dopravníku.

Při způsobu podle vynálezu se může používat jakéhokoliv způsobu zplyňování, který je znám z dosavadního stavu techniky. Totéž platí i o použitých zplyňovačích, které jsou součástí zařízení podle vynálezu. Zplyňovačům, do nichž se vhání vzduch, se dává přednost, poněvadž investiční náklady jsou v tomto případě nižší o náklady, které by bylo třeba vynaložit na separátní výrobní jednotku pro kyslík. Obzvláště vhodný je vysokoteplotní zplyňovač s ložem fluidizovaným vháněným vzduchem typu High Temperature Winkler, ale na rozdíl od jiných příkladů tohoto typu, unášený polokoks je možno vést do sušárny s plynným produktem, místo toho, aby se odděloval a vracel do zplyňovače. Obzvláště vhodné jsou sice zplyňovače s fluidizovaným ložem, může se však použít i jiných zplyňovačů, jako například zplyňovačů, které pracují se systémem strženého toku. Posledně uvedené zplyňovače však obvykle pracují při vyšších teplotách, což by mohlo vyžadovat intenzivnější chlazení plynného produktu před jeho vstupem do sušárny nebo sušáren.

Zplyňovací postup v podstatě zahrnuje konverzi uhlíku, kyslíku a vody na vodík a oxid uhelnatý, přestože v průběhu tohoto postupu vznikají i jiné plyny a dochází i k jiným reakcím. Při většině zplyňovacích postupů se teplo potřebné pro reakci dodává tím, že se do zplyňovače čerpá kyslíkatý plyn, což má za následek částečné spálení paliva. Jako kyslíkatého plynu se může používat vzduchu odebíraného přímo z atmosféry, vzduchu obohaceného o kyslík, čistého kyslíku atd. Vzduchové čerpadlo může být integrováno s plynovou nebo parní turbínou, která je zařazena ve směru proudu produktu za zplyňovačem.

Spolu se vzduchem se může vstřikovat určité množství páry nebo vody, která slouží pro regulaci provozní teploty ve zplyňovači. Přinejmenším část plynu vyrobeného ve zplyňovači se vede do sušicí nádoby nebo sušicích nádob, kde se uvádí do styku s vlhkým palivem. Přednostně se do sušicí nádoby nebo sušicích nádob odvádí všechen vyrobený horký plyn. Teplotu plynu na vstupu do sušicí nádoby je možno regulovat chlazením pomocí postranního proudu plynu, který se mísí s hlavním proudem plynu před vstupem do sušárny nebo sušáren, chlazením celého proudu plynu v tepelném výměníku, přídavkem páry nebo vody nebo recirkulací ochlazeného plynu opouštějícího sušárnu či přidáváním jeho části k horkému plynu vstupujícímu do sušárny. Je žádoucí regulovat teplotu na výstupu ze sušárny, poněvadž to ovlivňuje celkovou tepelnou účinnost procesu a je to zapotřebí z toho důvodu, aby tato teplota byla v souladu s požadavky dalšího zpracování zahrnujícího regulaci čištění atd. Teplotu je nutno regulovat také proto, aby se zabránilo podstatnému rozsahu pyrolýzy a uvolňování dehtu z paliva v průběhu sušení. Omezující hodnoty teploty jsou závislé na vlastnostech zpracovávaného uhlíkatého paliva.

Je obzvláště vhodné, aby sušárna nebo všechny sušárny pracovaly za podobného tlaku, jaký panuje ve zplyňovači, poněvadž je přitom možno se vyhnout nutnosti provádět kompresi nebo dekompresi syntézního plynu před jeho vstupem do sušárny nebo sušáren. V praxi bude tlak

-6CZ 291558 B6 v sušárně obvykle o něco nižší než je tlak ve zplyňovači v důsledku tlakové ztráty v plynovém potrubí. Sušárna nebo všechny sušárny (azplyňovač) přednostně pracují při tlaku v rozmezí od

1.5 do 4.0 MPa. V případě integrovaných postupů, při nichž se ochlazený a zvlhčený plyn opouštějící sušárnu nebo sušárny vede do plynové turbíny, je také účelné, aby tlak v sušárně nebo sušárnách vyhovoval tlakovým požadavkům plynové turbíny.

Při průchodu horkého plynu sušicí nádobou se jednak snižuje obsah vlhkosti v palivu a jednak snižuje teplota plynu. Každá sušicí nádoba tedy pracuje jednak jako sušárna a jednak jako chladič, čímž se zčásti nebo úplně eliminuje potřeba separátních chladicích nádob.

V sušárně se strženým tokem se vysušené palivo odnáší ze sušicí nádoby spolu s ochlazeným plynem. Vysušené palivo je možno oddělovat od ochlazeného plynu za použití vhodných separačních zařízení, jako jsou cyklony. Pokud to povaha zpracovávaného uhlíkatého materiálu vyžaduje, může způsob zahrnovat třídění, klasifikaci a recirkulaci větších částic uhlí nazpět do 15 sušárny. Vysušené palivo se potom může vést ze separátoru přímo do zplyňovače, zatímco ochlazený plyn se může odvádět dále do zařízení pro spalování plynu, kterým může být plynová turbína nebo jiné spalovací zařízení. Přenos vysušeného uhlí ze separátoru do zplyňovače, který musí překonávat nepříznivý tlakový gradient se může provádět jakýmkoliv vhodným způsobem, například pomocí tíhové dávkovači trubky, vzduchových trysek, komorového kola, šnekového 20 dopravníku, zámkové násypky atd. nebo pomocí kombinace takových prvků.

Ochlazený plyn opouštějící separátor se přednostně vede do systému čištění plynu. Tento systém může zahrnovat separátor, jako například jiný cyklon pro odstraňování částic uhlí. Systém čištění plynu může také zahrnovat filtr, jako například keramický bariérový filtr pro zachycování pev25 ných částic nebo elektrostatický odlučovač prachu. V těchto zařízeních se odstraňují jemné částice, jako jsou stržené uhlí, kondenzované vosky, dehty a alkalické soli.

Systém čištění plynu může zahrnovat propírací vodní systém a/nebo odsiřovací systém. Propíracího vodního systému se může používat buď místo keramického filtru nebo zároveň s ním. 30 Takový systém může být nutný v případě, že palivo obsahovalo značné množství síry nebo dusíku. Propírací vodní systém bude mít též za následek odstranění části vodní páry z plynného produktu.

Horký plyn vyrobený ve zplyňovači, který se nezavádí do sušárny nebo sušáren, se může mísit 35 s ochlazeným plynem vystupujícím ze sušárny nebo sušáren, přednostně předtím, než ochlazený plyn vstupuje do zařízení pro čištění plynu.

Jelikož způsob podle vynálezu nezahrnuje přidávání vody k uhlíkatému materiálu před jeho vstupem do sušárny nebo sušáren, má plynný produkt dostatečně vysokou výhřevnost pro většinu 40 průmyslových aplikací. Když však je zapotřebí zvýšit měrnou energii plynného produktu na úroveň, které je zapotřebí při určitých aplikacích, může se tak dít řadou různých způsobů.

Tak například se měrná energie ochlazeného plynného produktu nebo jeho části může zvýšit tím, že se tento produkt vede do kondenzátoru, kde se může ochladit, což má za následek vykonden45 zování další části vody. Pokud se takto chladí pouze část plynu, může se ochlazená část plynu potom mísit se zbytkem plynného produktu, což má za následek zvýšení měrné energie spojeného plynného proudu.

Odstraňování vody kondenzací je poměrně snadné a pokud se provádí, zvýší se jím měrný obsah 50 energie v plynu. Kondenzace vody zároveň též způsobí, že se plyn do určité míry propere, což má za následek snížení obsahu škodlivých nečistot, jako je amoniak.

Jako alternativní postup, za jehož použití se lze vyhnout odstraňování vody z proudu plynného produktu, je možno uvést částečné obohacení vzduchu přicházejícího do zplyňovače kyslíkem

-7CZ 291558 B6 i přiváděným z jednotky pro separaci vzduchu. V tomto případě se získají plyny s vyšším energetickým obsahem a za určitých okolností je přitom možno se vy hnout nutnosti odstraňovat vodu z plynného produktu.

Plynný produkt je možno spalovat v plynové turbíně při výrobě elektrické energie, přičemž tepla spalin je možno používat pro pohon parní turbíny rovněž vyrábějící elektrický proud. Tepla spalin lze též využít při jiných průmyslových procesech.

Pro účelnost je vynález dále popsán za použití přiloženého výkresu, který ilustruje přednostní 10 provedení tohoto vynálezu. Toto provedení je založeno na použití hnědého uhlí s vysokým obsahem vlhkosti a s takovými tokovými vlastnostmi, které brání jeho toku systémem zámkových násypek. Tato vlastnost si vynucuje použití předběžné sušárny pro úpravu uhlí. Předběžné sušení uhlí má za následek, že se odstraní část vlhkosti vázaná v uhlí a tato část vlhkosti se nemísí s výsledným plynným produktem, což se projevuje zvýšením měrného tepla plynu. 15 Takový plynný produkt se potom hodí pro spalování v plynové turbíně. Jsou možná i jiná provedení tohoto vynálezu, a proto nelze považovat provedení znázorněné na přiloženém výkresu za provedení jediné, na něž by se vynález omezoval.

Přehled obrázku na výkrese

Na obr. je schematicky znázorněno jedno provedení tohoto vynálezu, které zahrnuje zplyňovač s fluidizovaným ložem a sušárny a předběžné sušárny pracující v systému strženého toku.

Surové uhlí 1 se uvádí do mlýnu 2, kde se drtí na částice, jejichž maximální rozměry nepřesahují 6 mm. Zde se uhlí mísí s přehřátou párou o teplotě asi 400 až 500 °C, která se uvádí parním potrubím 26. Uhlí a horký plyn potom postupují podélně předběžnou sušárnou 3, která pracuje se systémem strženého toku. Zde se uhlí částečně vysuší, což mu umožní protéci zámkovými násypkami, které jsou zařazeny dále.

Po opuštění předběžné sušárny 3 se předsušené uhlí oddělí od páry v cyklonovém odlučovači 4. Pára se vyčistí ve filtru nebo elektrostatickém odlučovači 5. Zde se z ní odstraní jemné částice pevných látek a vyčištěná pára se recirkuluje do tepelně regeneračního parního generátoru 25, který slouží pro regeneraci tepla. Nadbytek páry vytvořené z vody, která se odpařila z uhlí se 35 odvádí potrubím 28 do kondenzátoru 33, kde zahřívá vodu uváděnou do parního cyklu. Částice předsušeného uhlí procházejí sérií zámkových násypek 6, která zajišťuje přechod ze zóny s atmosférickým tlakem do zóny s tlakem asi 2,5 MPa. Ze spodní části série zámkových násypek 6 vychází uhlí na šnekový dopravník, který dopravuje uhlí do spodní části sušicí šachty 8, která pracuje v systému se strženým tokem. Sušicí šachta 8 pracuje za tlaku asi 2,5 MPa.

Uhlí se strhává do proudu horkého plynného produktu vycházejícího ze zplyňovače 16. Plyn se vede do spodní části sušicí šachty 8 plynovým potrubím 9. Na vstupu do sušicí šachty 8 má plyn teplotu řádově 750 až 1500 °C. Uvnitř sušicí šachty 8 se horký plyn ochladí odpařováním vody z vlhkého uhlí. Ochlazený plyn opouští sušicí šachtu 8 výstupním potrubím 10. Jeho teplota 45 přitom je v rozmezí od 200 do 250 °C. Vysušené uhlí se oddělí od ochlazeného plynu v cyklonu

11. Suché částice uhlí se uvádějí do zplyňovače 16 potrubím 12. Plyn opouštějící cyklon 11 odváděcím potrubím 13 se může přímo uvádět do čisticího systému 14 pro plyn, v němž se odstraňují jemné částice a škodlivé plyny.

Vysušené uhlí se z cyklonu 11 odvádí potrubím 12 do zplyňovače 16, kde dochází ke zplyňování uhlí. Tok uhlí do zplyňovače se reguluje rotačním ventilem 15 (komorovým kolem).

Zplyňovač 16 je zplyňovač s fluidizovaným ložem pracující se vzduchem. Lože ve zplyňovači 16 je fluidizováno tlakovým vzduchem přicházejícím z kompresoru 19, který je spojen sexpan-8CZ 291558 B6 dérem 20 plynové turbíny. Atmosférický vzduch přichází do kompresoru 19 vstupním potrubím · a stlačený vzduch se vede potrubím 22 do zplyňovače 16. V potrubí 22 je zařazen ještě druhý kompresor 17. pomocí kterého se tlak vzduchu upravuje na potřebnou hodnotu. Kyslík obsažený ve vzduchu chemicky reaguje s uhlím, což má za následek vznik plynného produktu. Horký plynný produkt potom odchází ze zplyňovače 16 do sušicí šachty 8 plynovým potrubím 9.

Postranní proud 31 plynného produktu se chladí v tepelném výměníku 32, v němž se vyrábí pára pro parní postup. Ochlazený plyn se mísí s hlavním proudem plynu v plynovém potrubí 9.

Polokoks a popel se ze zplyňovače 16 odvádějí výpustí 18.

Plyn opouštějící čisticí systém 14 pro plyn má teplotu přibližně 200 °C a tlak přibližně 2,4 MPa. Jeho obsah vlhkosti je asi 32 % objemových a měrná energie asi 4,1 MJ/kg (při 25 °C). Tato měrná energie je postačující pro dosažení maximálního výkonu moderní plynové turbíny.

Plyn se vede do spalovací komory 23 plynové turbíny. Zde se plyn spaluje za vzniku horkých spalin pohánějících expandér 20 plynové turbíny. Elektrická energie se vyrábí v generátoru 29. Spaliny z plynové turbíny se potom vedou potrubím 24 do tepelně regeneračního parního generátoru 25, který slouží pro regeneraci tepla. Zde se vyrábí pára, které se používá v parní elektrárně 27. Tato parní elektrárna 27 zahrnuje generátor 30 pro výrobu další elektrické energie. Regenerační parní generátor 25 xyrábí také páru, které je zapotřebí v předběžné sušárně 3. Tato pára se vede zpět do předběžné sušárny 3 a mlýnu 2 parním potrubím 26.

Pro odlišeni způsobu podle vynálezu od konvenčních integrovaných zplyňovacích postupů s kombinovaným cyklem (IGCC) byl nový kombinovaný postup podle vynálezu označen názvem integrovaný postup sušení a zplyňování s kombinovaným cyklem (IDGCC). Účinnost postupu IDGCC podle vynálezu je dále porovnávána s výsledky dosaženými při postupu IGCC.

Tabulka 1

	Průtok plynu (kg/s)	Plynová turbína (MW)	Parní turbína (MW)	Odváděná energie (MW)	Účinnost HVV, vztažená na odváděnou energii (%)
IDGCG podle vynálezu		91,1	235	138	339	37,1
Konvekční	IGCC
(rekomprese sušení v loži	páry,	91,7	216	162	331	36,2

fluidizovaném

Je zřejmé, že systém IDGCC produkuje více energie ve stejné plynové turbíně, poněvadž vyšší obsah vlhkosti ve spalovacím plynu zvyšuje průtok plynu při stejné celkové účinnosti konverze. Při obou postupech se do atmosféry emituje podobné množství oxidu uhličitého. Způsob podle vynálezu je spojen s podstatně nižšími investičními náklady ve srovnání se způsobem IGCC.

Způsobem podle vynálezu je možno zplyňovat částicovou pevnou uhlíkatou látku, která je vlhká, ale která neobsahuje volnou vodu, jako je hnědé uhlí z Victoria, Austrálie, v tom stavu, v jakém se získalo při těžbě. Zejména se hodí pro zplyňování drolivé částicové pevné uhlíkaté látky, která se rozpadá na velikost částic 6 mm nebo nižší.

-9CZ 291558 B6

Způsoby, které jsou známé z dosavadního stavu techniky a při nichž se používá tepla plynného produktu pro sušení paliva (viz výše citované patentové publikace), se zabývají zplyňováním materiálu, který buď již je ve formě kalu (například splaškového kalu), který vyžaduje aby se před zplyňováním materiálu vytvářela suspenze, nebo který vyžaduje přídavek vody za účelem zachování uhlí ve formě kousků o velikosti vhodné pro zplyňování a/nebo sušení v pevném loži. Způsob podle vynálezu pracuje bez přidávání vody k uhlíkatému materiálu, což se projevuje zvýšenou tepelnou účinností a zvýšeným obsahem měmé energie ve vyrobeném plynném produktu, takže v případě, že se tohoto plynu používá v elektrárně, dosahuje se vyššího množství elektrické energie, vztaženo na dané množství spotřebovaného paliva.

Sušicí postup se provádí v jedné nebo více sušáren se strženým tokem, které jsou schopny sušit částicové pevné palivo bez přidávání vody ajsou menší a proto levnější než srovnatelné sušárny s pevným nebo fluidizovaným ložem. Proces sušení je integrován s procesem zplyňování, poněvadž využívá tepla plynného produktu pro sušení vstupujícího paliva. Přitom dochází v jediném integrovaném stupni k sušení paliva a chlazení plynu. Tím se odstraňuje potřeba zařadit do výrobní jednotky oddělený tepelný výměník pro chlazení plynného produktu před čištěním a konečným použitím plynu.

Proces sušení také probíhá za tlaku, kterého se normálně používá v průmyslových zplyňovačích. Tyto tlaky jsou také vhodné pro přímé uvádění plynu do plynové turbíny. Způsob podle vynálezu tedy nevyžaduje speciální úpravy pro zvýšené tlaky, jaké by bylo potřeba učinit v případě použití hydrotermálního odvodňovacího postupu. Při hydrotermálním sušení také vzniká znečištěný výtok, který je nutno zpracovávat. Při sušení se strženým tokem ke vzniku takového výtoku nedochází.

Vynález je možno různým způsobem obměňovat a modifikovat nebo doplňovat, přičemž takto upravené alternativy postupu a zařízení nepředstavují únik z rozsahu tohoto vynálezu, pokud jsou kryty následujícími patentovými nároky.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (20)

1. Způsob zplyňování částicového pevného uhlíkatého paliva s obsahem vlhkosti nad 50 % hmotn., vyznačující se tím, že se palivo uvádí za atmosférického tlaku do předběžné sušárny;

v předběžné sušárně se palivo částečně vysuší tak, aby mohlo bez přídavku vody téci alespoň jednou zámkovou násypkou do alespoň jedné sušicí šachty;

částečně vysušené palivo se uvádí do alespoň jedné zámkové násypky;

částečně vysušené palivo se uvádí do jedné nebo více tlakových sušicích šachet, aniž by se k němu přidávala voda;

obsah vlhkosti v částečně vysušeném palivu se v sušicí šachtě nebo sušicích šachtách snižuje na úroveň vhodnou pro zplyňování tím, že se horký plynný produkt vede sušicí šachtou nebo sušicími šachtami tak, že jsou částice paliva strhovány do proudu plynu, a tím plyn chladí a zvlhčují;

-10CZ 291558 B6 ochlazený a zvlhčený plyn se odděluje od paliva;

palivo se sníženým obsahem vlhkosti se ze sušicí šachty nebo sušicích šachet vede do zplyňovače, do něhož se vhání vzduch;

ve zplyňovači se palivo působením vháněného vzduchu zplyňuje za vzniku horkého plynného produktu, přičemž zdrojem vody pro zplyňovači reakci je voda zbývající v palivu se sníženým obsahem vlhkosti; a alespoň část horkého plynného produktu se vede do sušicí šachty nebo sušicích šachet při teplotě, při které nedochází k podstatné pyrolýze částic paliva v sušicí šachtě nebo šachtách.

2. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že částicové pevné uhlíkaté palivo je ve formě částic, jejichž maximální velikost činí 6 mm.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že v sušicí šachtě nebo sušicích šachtách se pracuje za takového tlaku, aby ochlazený a zvlhčený plyn opouštějící sušicí šachtu nebo šachty měl tlak vhodný pro zpracování v plynové turbíně.

4. Způsob podle nároku 3, vyznačující se tím, že tlak v sušicí šachtě nebo sušicích šachtách leží v rozmezí od 1,5 do 4 MPa.

5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že tlak v sušicí šachtě nebo sušicích šachtách je asi 2,5 MPa.

6. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že zplyňovač pracuje za v podstatě stejného tlaku jako sušicí šachta nebo sušicí šachty.

7. Způsob podle nároku 1,vyznačující se tím, že se do předběžné sušárny dodává teplo prostřednictvím páry vyrobené v některém výrobním stupni, který následuje za sušením v sušicí šachtě nebo šachtách.

8. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se ve stupni částečného sušení v podstatě odstraní voda z povrchu částic paliva, přičemž zůstává uvnitř částic paliva.

9. Způsob podle nároku 8, vyznačující se tím, že se do předběžné sušárny dodává teplo prostřednictvím páry vyrobené v některém výrobním stupni, který následuje za sušením v sušicí šachtě nebo šachtách.

10. Zařízení pro zplyňování částicového pevného uhlíkatého paliva s obsahem vlhkosti nad 50 % hmotn. vyznačující se tím, že obsahuje vzduchem proháněný zplyňovač (16) s fluidním ložem pro zplyňování paliva za vzniku horkého plynného produktu;

alespoň jednu tlakovou sušicí šachtu (8) pro snižování obsahu vlhkosti v palivu na úroveň vhodnou pro zplyňování a pro chlazení a zvlhčování alespoň části horkého plynného produktu;

alespoň jednu předběžnou sušárnu (3) pracující za atmosférického tlaku, v níž se částečně snižuje obsah vlhkosti v palivu tak, aby palivo mohlo být bez přídavku vody převedeno z předběžné sušárny (3) alespoň jednou zámkovou násypkou (6) do alespoň jedné tlakové sušicí šachty (8);

- 11 CZ 291558 B6 prostředek pro přenos alespoň části horkého plynného produktu ze zplyňovače (16) do sušicí šachty nebo sušicích šachet (8) při teplotě, při níž nedochází k podstatné pyrolýze části paliva v sušicí šachtě nebo šachtách (8);

prostředek pro oddělení ochlazeného a zvlhčeného plynu od paliva; a prostředek pro přenos paliva se sníženým obsahem vlhkosti ze sušicí šachty nebo šachet (8) do zplyňovače (16).

11. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že obsahuje 1 až 6 tlakových sušicích šachet (8).

12. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že tlak v sušicí šachtě nebo sušicích šachtách (8) leží v rozmezí od 1,5 do 4 MPa.

13. Zařízení podle nároku 12, vyznačuj ící se tím, že tlak v sušicí šachtě nebo sušicích šachtách (8) je asi 2,5 MPa.

14. Zařízení podle nároku 12, vyznačující se tím, že předběžná sušárna nebo sušárny (3), jsou schopny odstranit dostatek vlhkosti z povrchu částic paliva, aby se usnadnilo zavádění částic paliva systémem zámkových násypek (6) do sušicí šachty nebo sušicích šachet (8).

15. Zařízení podle nároku 14, vyznačující se tím, že dále obsahuje prostředek pro přenos páry vyrobené za sušicí šachtou nebo šachtami (8) do předběžné sušárny (3), pro zásobování předběžné sušárny (3) teplem.

16. Zařízení podle nároku 10, vyznač u j í c í se tí m , že sušicí šachta nebo šachty (8) a zplyňovač (16) jsou přímo propojeny, takže pracují za v podstatě stejného tlaku.

17. Zařízení podle nároku 10, vyznačující se tím, že prostředek pro zavádění paliva zahrnuje předběžnou sušárnu nebo sušárnu pro odstranění dostatečného množství vlhkosti z povrchu částic paliva, aby se usnadnilo zavádění částic paliva do sušicí šachty nebo sušicích šachet.

18. Zařízení podle nároku 17, vyznačující se tím, že dále obsahuje prostředek pro přenos páry vyrobené za sušicí šachtou nebo šachtami (8) do předběžné sušárny (3), pro zásobování předběžné sušárny (3) teplem.

19. Integrovaný způsob výroby elektrické energie z částicového pevného uhlíkatého paliva s obsahem vlhkosti nad 50 % hmotn., vyznačující se tím, že se palivo uvádí za atmosférického tlaku do předběžné sušárny;

v předběžné sušárně se palivo částečně vysuší tak, aby mohlo bez přídavku vody téci alespoň jednou zámkovou násypkou do alespoň jedné sušicí nádoby;

částečné vysušené palivo se uvádí do alespoň jedné zámkové násypky;

částečně vysušené palivo se uvádí do jedné nebo více tlakových sušicích šachet, aniž by se k němu přidávala voda;

- 12CZ 291558 B6 obsah vlhkosti v částečně vysušeném palivu se v sušicí šachtě nebo šachtách snižuje na úroveň vhodnou pro zplyňování tím, že se horký plynný produkt vede sušicí šachtou nebo sušicími šachtami tak, že jsou částice paliva strhovány do proudu plynu, a tím plyn chladí a zvlhčují;

ochlazený a zvlhčený plyn se odděluje od paliva;

ochlazený a zvlhčený plyn se vede do plynové turbíny, v níž se vyrábí elektrická energie;

palivo se sníženým obsahem vlhkosti se ze sušicí šachty nebo sušicích šachet vede do zplyňovače, do něhož se vhání vzduch;

ve zplyňovači se palivo působením vháněného vzduchu zplyňuje za vzniku horkého plynného produktu; a alespoň část horkého plynného produktu se vede do sušicí šachty nebo sušicích šachet při teplotě, při které nedochází k podstatné pyrolýze částic paliva v sušicí šachtě nebo šachtách.

20. Způsob podle nároku 19, vyznačující se tím, že teplo se do předběžné sušárny uvádí prostřednictvím páry vyrobené za sušicí šachtou nebo šachtami.