EA044898B1 - METHOD FOR GASIFICATION OF CARBON-CONTAINING RAW MATERIALS AND GAS GENERATOR FOR ITS IMPLEMENTATION - Google Patents
METHOD FOR GASIFICATION OF CARBON-CONTAINING RAW MATERIALS AND GAS GENERATOR FOR ITS IMPLEMENTATION Download PDFInfo
- Publication number
- EA044898B1 EA044898B1 EA202293456 EA044898B1 EA 044898 B1 EA044898 B1 EA 044898B1 EA 202293456 EA202293456 EA 202293456 EA 044898 B1 EA044898 B1 EA 044898B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- partial oxidation
- channel
- steam
- oxidation
- carbon
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 68
- 239000002994 raw material Substances 0.000 title claims description 61
- 238000002309 gasification Methods 0.000 title claims description 50
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 140
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 140
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 140
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 claims description 67
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 57
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 56
- 239000003245 coal Substances 0.000 claims description 50
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 45
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 45
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims description 39
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 30
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 28
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims description 25
- 239000002893 slag Substances 0.000 claims description 23
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 19
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 15
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 12
- 239000000571 coke Substances 0.000 claims description 10
- 239000004449 solid propellant Substances 0.000 claims description 8
- 239000003077 lignite Substances 0.000 claims description 7
- 239000003415 peat Substances 0.000 claims description 7
- 239000004071 soot Substances 0.000 claims description 7
- 239000002023 wood Substances 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 description 41
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 33
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 31
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 31
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 30
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 17
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000002956 ash Substances 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 9
- 230000036284 oxygen consumption Effects 0.000 description 8
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 8
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 8
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 8
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 6
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 6
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 6
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 5
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 5
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 5
- 239000002817 coal dust Substances 0.000 description 4
- 239000008247 solid mixture Substances 0.000 description 4
- UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N Carbon monoxide Chemical compound [O+]#[C-] UGFAIRIUMAVXCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000007900 aqueous suspension Substances 0.000 description 3
- 229960004424 carbon dioxide Drugs 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000000295 fuel oil Substances 0.000 description 3
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 3
- -1 petrochemical Substances 0.000 description 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 2
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- RHZUVFJBSILHOK-UHFFFAOYSA-N anthracen-1-ylmethanolate Chemical compound C1=CC=C2C=C3C(C[O-])=CC=CC3=CC2=C1 RHZUVFJBSILHOK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003830 anthracite Substances 0.000 description 1
- 238000000889 atomisation Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 239000010882 bottom ash Substances 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 229910002090 carbon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 description 1
- 230000008094 contradictory effect Effects 0.000 description 1
- 229910001882 dioxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 239000002360 explosive Substances 0.000 description 1
- 239000010881 fly ash Substances 0.000 description 1
- 239000002737 fuel gas Substances 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 1
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000002006 petroleum coke Substances 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000004064 recycling Methods 0.000 description 1
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 1
Description
Настоящее изобретение относится к химической, нефтехимической, коксогазовой, энергетической и другим смежным отраслям промышленности и может быть использовано преимущественно для переработки углеродсодержащего сырья с получением энергетических и технологических газов, в частности, для газификации углеродсодержащего сырья, получения синтез-газа путем парциального окисления потока, содержащего углерод.The present invention relates to the chemical, petrochemical, coke and gas, energy and other related industries and can be used primarily for processing carbon-containing raw materials to produce energy and process gases, in particular, for gasification of carbon-containing raw materials, producing synthesis gas by partial oxidation of a stream containing carbon.
Способы получения синтез-газа путем парциального окисления в настоящее время хорошо известны в применяемых технологиях. Обычно поток, содержащий углерод (углеводород), такой как уголь, бурый уголь, торф, древесину, кокс, сажу или другие виды газообразного, жидкого или твердого топлива либо их смеси, частично сжигают в реакторе газификации, т.е. парциально окисляют с использованием кислородсодержащего газа, такого как практически чистый кислород или воздух, необязательно обогащенный кислородом, и т.п., получая таким образом поток продукта, содержащий в том числе синтез-газ (т.е. СО и Н2) и CO2.Methods for producing synthesis gas by partial oxidation are currently well known in the technologies used. Typically, a carbon (hydrocarbon) containing stream such as coal, lignite, peat, wood, coke, soot or other gaseous, liquid or solid fuels or mixtures thereof is partially burned in a gasification reactor, i.e. partially oxidized using an oxygen-containing gas, such as substantially pure oxygen or air, optionally enriched with oxygen, etc., thereby obtaining a product stream containing, inter alia, synthesis gas (ie, CO and H2) and CO2.
Технологии газификации угля в основном подразделяют на три типа: газогенераторы с неподвижным слоем, такие как газогенераторы производства компании Lurgi AG (Германия, г. Франкфурт на Майне) [1, с. 161-167], газогенераторы с псевдоожиженным или с кипящем слоем, реализованные по технологии U-GAS, Winkler (США, Институт газовых технологий, г. Чикаго) [1, с. 167-173] и газогенераторы в параллельном потоке согласно процессу Shell (совместно компании Shell и Uhde, установка Buggenum, Нидерланды) [1, с. 189-191] и Texaco (США, Texaco GP, установки Cool Water и Polk) [1, с. 176-180].Coal gasification technologies are mainly divided into three types: fixed-bed gasifiers, such as gasifiers manufactured by Lurgi AG (Germany, Frankfurt am Main) [1, p. 161-167], gas generators with a fluidized or fluidized bed, implemented using U-GAS technology, Winkler (USA, Institute of Gas Technologies, Chicago) [1, p. 167-173] and gas generators in parallel flow according to the Shell process (jointly Shell and Uhde, Buggenum installation, the Netherlands) [1, p. 189-191] and Texaco (USA, Texaco GP, Cool Water and Polk installations) [1, p. 176-180].
Газогенераторы с неподвижным слоем имеют недостатки, обусловленные низкой пропускной способностью одного устройства и наличием дорогостоящих систем обработки синтез-газа и воды, также им присущи проблемы с безопасностью эксплуатации.Fixed bed gas generators have disadvantages due to the low throughput of a single device and the presence of expensive systems for processing synthesis gas and water; they also have problems with operational safety.
Газогенераторы с псевдоожиженным слоем имеют низкий КПД в связи с низкой конверсией углерода, трудности с выгрузкой сухой донной золы и унесенной высоколетучей золой.Fluidized bed gasifiers have low efficiency due to low carbon conversion, difficulty in unloading dry bottom ash and entrained high fly ash.
Указанные недостатки отсутствуют при использовании процесса газификации в параллельном потоке. В устройствах газификации в параллельном потоке можно осуществлять парциальное окисление практически всех видов углеродсодержащего сырья с получением технических газов с заданными свойствами. Кроме того, такие газогенераторы имеют небольшие размеры и могут обеспечить высокую производительность по газифицируемому сырью.These disadvantages are absent when using the gasification process in parallel flow. In gasification devices in parallel flow, it is possible to carry out partial oxidation of almost all types of carbon-containing raw materials to produce technical gases with specified properties. In addition, such gas generators are small in size and can provide high productivity for gasified raw materials.
К недостаткам процесса газификации в параллельном потоке можно отнести следующие:The disadvantages of the parallel flow gasification process include the following:
1) газификация любых видов твердых и жидких топлив в параллельном потоке может эффективно проводиться только при их мелкодисперсном распылении, как правило, при размере частиц менее 75 мкм, при этом крупные фракции частиц сырья могут заметно снижать КПД процесса и качество получаемых газов;1) gasification of any types of solid and liquid fuels in a parallel flow can be effectively carried out only with their fine atomization, as a rule, with a particle size of less than 75 microns, while large fractions of raw material particles can significantly reduce the efficiency of the process and the quality of the resulting gases;
2) для получения технических газов с максимально высоким выходом водорода (водяной газ, синтез-газ и их смеси) при газификации твердых и жидких топлив необходимо использовать для окисления сырья водяной пар или парокислородную смесь, что создает проблемы для зажигания смеси при поддержании необходимой оптимальной температуры ведения процесса в районе 900-1100°С [2, с. 26-27, 31].2) to obtain technical gases with the highest possible yield of hydrogen (water gas, synthesis gas and their mixtures) during the gasification of solid and liquid fuels, it is necessary to use water vapor or a steam-oxygen mixture for oxidation of raw materials, which creates problems for igniting the mixture while maintaining the required optimal temperature conducting the process in the region of 900-1100°C [2, p. 26-27, 31].
Известна схема газогенератора, работающего по методу Koppers-Totzek [1, с. 174-176], в котором газификация производится при атмосферном давлении. По технологии Koppers-Totzek специально подготовленное измельченное и подсушенное топливо поступает в топливный бункер, откуда дозировочными шнеками подается в смесительные форсунки и далее в эллипсовидную реакционную камеру, в которой находятся от двух до четырех горелочных смесительных форсунок, расположенных напротив друг друга. В горелочных форсунках пылевидное топливо смешивается с кислородом и водяным паром таким образом, что водяной пар образует снаружи пылекислородного факела паровую рубашку, предохраняя тем самым огнеупорную футеровку реакционной камеры от шлакования, эрозии и воздействия высоких температур внутри факела. Температура горения внутри факела составляет 1500-1700°С и ее уровень поддерживается в зависимости от температуры плавления золы. Зола в жидком виде удаляется снизу реакционной камеры в специальное устройство, где охлаждается и гранулируется. К недостаткам данного газификатора относятсяThere is a known circuit of a gas generator operating according to the Koppers-Totzek method [1, p. 174-176], in which gasification is carried out at atmospheric pressure. According to Koppers-Totzek technology, specially prepared crushed and dried fuel enters the fuel hopper, from where it is fed by metering augers into mixing nozzles and then into an elliptical reaction chamber in which there are from two to four burner mixing nozzles located opposite each other. In burner nozzles, pulverized fuel is mixed with oxygen and water vapor in such a way that the water vapor forms a steam jacket outside the dust-oxygen torch, thereby protecting the refractory lining of the reaction chamber from slagging, erosion and exposure to high temperatures inside the torch. The combustion temperature inside the torch is 1500-1700°C and its level is maintained depending on the melting temperature of the ash. Ash in liquid form is removed from the bottom of the reaction chamber into a special device, where it is cooled and granulated. The disadvantages of this gasifier include
1) повышенный расход кислорода по сравнению с другими известными парокислородными газогенераторами;1) increased oxygen consumption compared to other known steam-oxygen gas generators;
2) пониженный выход водорода из-за высоких температур;2) reduced hydrogen yield due to high temperatures;
3) невысокая безопасность, т.к. даже незначительные отклонения от номинального режима могут привести к образованию внутри реакционной камеры взрывоопасной концентрации газообразных продуктов;3) low security, because even minor deviations from the nominal mode can lead to the formation of an explosive concentration of gaseous products inside the reaction chamber;
4) повышенные требования к конструкционным материалам для строительства газогенератора из-за высоких температур процесса.4) increased requirements for structural materials for the construction of a gas generator due to the high temperatures of the process.
Известен также способ газификации угля Destec, который изначально разрабатывался компанией Dow Chemical [1, с. 180-183] для расширения топливной базы путем перехода с природного газа на уголь. Для газификации угля был разработан двухстадийный поточный газогенератор с жидким шлакоудалением. Топливо подается в реактор в виде водоугольной суспензии (уголь/вода=60/40%) под высоким давлением, создаваемым насосом. В качестве газифицирующего агента используется высокочистыйThe Destec coal gasification method is also known, which was originally developed by Dow Chemical [1, p. 180-183] to expand the fuel base by switching from natural gas to coal. For coal gasification, a two-stage flow gas generator with liquid slag removal was developed. The fuel is supplied to the reactor in the form of a coal-water suspension (coal/water = 60/40%) under high pressure created by a pump. High purity is used as a gasifying agent
- 1 044898 кислород (95%), производимый специальной установкой. Газификатор работает при давлении 2,75 МПа и температуре 1371°С. Однако температура процесса зависит от типа используемого топлива, и при наличии более тугоплавкой золы температура процесса увеличивается в связи с жидким шлако удалением. Водоугольная суспензия подается в нижнюю часть газогенератора, одновременно смешиваясь с кислородом. Происходит частичное окисление угля, обеспечивая, таким образом, эндотермические реакции в зоне газификации тепловой энергией. Образующийся на первой стадии шлак удаляется в водяную ванну и затем используется в строительстве. Неочищенный генераторный газ поступает в верхнюю футерованную часть реактора, куда дополнительно вводится водоугольная суспензия. В этой части происходит реагирование свежего топлива с полученным на первой стадии процесса генераторным газом. На второй стадии теплота сгорания генераторного газа увеличивается, а протекающие эндотермические реакции способствуют его охлаждению до температуры около 1038°С.- 1 044898 oxygen (95%) produced by a special installation. The gasifier operates at a pressure of 2.75 MPa and a temperature of 1371°C. However, the process temperature depends on the type of fuel used, and in the presence of more refractory ash, the process temperature increases due to liquid slag removal. The coal-water suspension is fed into the lower part of the gas generator, simultaneously mixing with oxygen. Partial oxidation of coal occurs, thus providing endothermic reactions in the gasification zone with thermal energy. The slag formed at the first stage is removed into a water bath and then used in construction. Unpurified generator gas enters the upper lined part of the reactor, where a water-coal suspension is additionally introduced. In this part, fresh fuel reacts with the generator gas obtained at the first stage of the process. At the second stage, the heat of combustion of the generator gas increases, and the ongoing endothermic reactions contribute to its cooling to a temperature of about 1038°C.
К недостаткам данного газогенератора относятсяThe disadvantages of this gas generator include
1) наличие технологических проблем с использованием водоугольной суспензии;1) the presence of technological problems with the use of coal-water suspension;
2) пониженный выход водорода из-за высоких температур и высоких давлений;2) reduced hydrogen yield due to high temperatures and high pressures;
3) повышенный выход углекислого газа CO2 по сравнению с другими прямоточными газификаторами (т.е. получается менее калорийный газ, чем у аналогов);3) increased yield of carbon dioxide CO 2 compared to other direct-flow gasifiers (i.e., the resulting gas is less caloric than its analogues);
4) повышенные требования к конструкционным материалам для строительства газогенератора из-за высоких температур процесса;4) increased requirements for structural materials for the construction of a gas generator due to high process temperatures;
5) использование в качестве газифицирующего агента кислорода высокой степени очистки.5) use of highly purified oxygen as a gasifying agent.
Известен также процесс PRENFLO (PRessurised Entrained-FLOw) с генерацией пара (PSG) компании Thyssenkrapp AG [1, с. 183-186], который реализуется при повышенном давлении на любом виде твердого топлива (уголь, нефтяной кокс, биомасса). Процесс основан на технологии Koppers-Totzek. В газогенераторе подготовленное топливо газифицируется при давлении около 4 МПа.The PRENFLO (PRessurised Entrained-FLOw) process with steam generation (PSG) from Thyssenkrapp AG is also known [1, p. 183-186], which is implemented at elevated pressure on any type of solid fuel (coal, petroleum coke, biomass). The process is based on Koppers-Totzek technology. In the gas generator, the prepared fuel is gasified at a pressure of about 4 MPa.
Температура газификации при этом выше температуры плавления золы (1400-1600°С), что позволяет осуществлять жидкое шлакоудаление. Преимуществом этого процесса является сухая подача топлива - сырья газификации. Мелкодисперсный уголь (80% объема размером меньше 0,1 мм) подается вместе с кислородом и паром через четыре горелки, расположенные в одной горизонтальной плоскости в нижней части газогенератора. К недостаткам данного газогенератора относятсяThe gasification temperature is higher than the ash melting temperature (1400-1600°C), which allows for liquid slag removal. The advantage of this process is the dry supply of fuel - the gasification raw material. Fine coal (80% of the volume with a size less than 0.1 mm) is supplied along with oxygen and steam through four burners located in the same horizontal plane at the bottom of the gas generator. The disadvantages of this gas generator include
1) пониженный выход водорода из-за высоких температур и давления (в химической промышленности используются только там, где не требуется высокого содержания водорода в технологическом газе);1) reduced hydrogen yield due to high temperatures and pressure (in the chemical industry they are used only where a high hydrogen content in the process gas is not required);
2) высокие температура и давление обусловливают повышенные требования к используемым материалам в строительстве газогенератора и значительные финансовые затраты на его изготовление.2) high temperatures and pressure determine increased requirements for the materials used in the construction of the gas generator and significant financial costs for its manufacture.
Известен также газификатор углеродсодержащего сырья (RU № 2237079, МПК C10J 3/20, опубл. 27.09.2004 г.), который относится к газогенераторам углеродсодержащего сырья и может быть использован в химической, нефтехимической, коксогазовой, энергетической и других смежных отраслях промышленности для переработки углеродсодержащего сырья с получением энергетических и технологических газов. Газификатор содержит вертикальную камеру газификации, горелку с патрубками для подачи углеродсодержащего сырья и кислородсодержащего газа, коллектор для подвода водяного пара, форсунки для подачи пылевидного углеродсодержащего сырья, трубу для отвода продуктов газификации (в нижней части камеры газификации), камеру шлакоудаления, при этом он снабжен специальным блоком, состоящим из горелки, размещенной в центре блока над камерой газификации, и форсунок, расположенных вокруг горелки по периферии блока над камерой газификации для создания паровой завесы для защиты футеровки камеры газификации от перегрева. Камера газификации представляет собой цилиндрическую трубу, заканчивающуюся конической камерой шлакоудаления, при этом камера газификации условно разбита на окислительную и восстановительные части. Процесс в зоне окисления осуществляют при температуре 1500-3000°С, а в восстановительной зоне подачей пара достигают снижения температуры до 1000-1600°С.A gasifier for carbon-containing raw materials is also known (RU No. 2237079, IPC C10J 3/20, published September 27, 2004), which refers to gasifiers of carbon-containing raw materials and can be used in the chemical, petrochemical, coke and gas, energy and other related industries for processing carbon-containing raw materials to produce energy and process gases. The gasifier contains a vertical gasification chamber, a burner with pipes for supplying carbon-containing raw materials and oxygen-containing gas, a manifold for supplying water vapor, nozzles for supplying dusty carbon-containing raw materials, a pipe for removing gasification products (in the lower part of the gasification chamber), a slag removal chamber, and it is equipped with a special block consisting of a burner located in the center of the block above the gasification chamber and nozzles located around the burner along the periphery of the block above the gasification chamber to create a steam curtain to protect the lining of the gasification chamber from overheating. The gasification chamber is a cylindrical pipe ending in a conical slag removal chamber, while the gasification chamber is conventionally divided into oxidation and reduction parts. The process in the oxidation zone is carried out at a temperature of 1500-3000°C, and in the reduction zone, the temperature is reduced to 1000-1600°C by supplying steam.
К недостаткам данного газогенератора относятсяThe disadvantages of this gas generator include
1) пониженный выход водорода из-за высоких температур;1) reduced hydrogen yield due to high temperatures;
2) пониженный КПД устройства при использовании газификатора в качестве источника тепловой энергии, поскольку наличие свободного водорода и высокое содержание окиси углерода свидетельствуют о неполном сгорании;2) reduced efficiency of the device when using a gasifier as a source of thermal energy, since the presence of free hydrogen and a high content of carbon monoxide indicate incomplete combustion;
3) расположение трубы для отвода газов в нижней части камеры газификации предопределяет попадание значительных объемов шлака и золы в газоходы и газораспределительную систему, что может привести к быстрому выходу из строя газификатора.3) the location of the gas exhaust pipe in the lower part of the gasification chamber predetermines the entry of significant volumes of slag and ash into the gas ducts and gas distribution system, which can lead to rapid failure of the gasifier.
Известен принятый за ближайший аналог способ газификации в газогенераторе PRENFLO PDQ компании Thyssenkrapp AG [1, с. 186-189], более совершенный, чем его предшественник PRENFLO PSG, который функционирует согласно процессу Koppers-Totzek. В данном газогенераторе происходит газификация мелкодисперсной угольной пыли в смеси кислорода и водяного пара в вертикальной камере окисления при температуре 1400-1600°С. Окисление угля происходит фактически в адиабатических условиях, т.к. камера окисления представляет собой канал, коаксиально расположенный относительно внешней стенки газогенератора, отделенный от внешней стенки кольцевым пространством, омываемымThe gasification method in the PRENFLO PDQ gas generator from Thyssenkrapp AG, accepted as the closest analogue, is known [1, p. 186-189], more advanced than its predecessor PRENFLO PSG, which operates according to the Koppers-Totzek process. In this gas generator, gasification of fine coal dust occurs in a mixture of oxygen and water vapor in a vertical oxidation chamber at a temperature of 1400-1600°C. Coal oxidation actually occurs under adiabatic conditions, because The oxidation chamber is a channel coaxially located relative to the outer wall of the gas generator, separated from the outer wall by an annular space washed by
- 2 044898 продуктами окисления угля, что поддерживает температуру в камере окисления близкой к 1400-1600°С.- 2 044898 products of coal oxidation, which maintains the temperature in the oxidation chamber close to 1400-1600°C.
Подача угольной пыли и смеси кислорода и водяного пара осуществляется через 4 горизонтальные горелки в верхней части камеры окисления. Камера окисления переходит в камеру быстрого охлаждения водой, в которую через отверстия, расположенные по кольцу в камере охлаждения, впрыскивается вода, охлаждая продукты окисления до температуры 200-250°С.The supply of coal dust and a mixture of oxygen and water vapor is carried out through 4 horizontal burners in the upper part of the oxidation chamber. The oxidation chamber goes into a rapid cooling chamber with water, into which water is injected through holes located along the ring in the cooling chamber, cooling the oxidation products to a temperature of 200-250°C.
Наиболее близким к заявляемому устройству является газогенератор [1, с. 186-189], реализующий указанный способ-прототип, содержащий коллектор для подвода водяного пара и кислорода к горелкам, коллектор подачи газоугольной смеси к горелкам, камеру окисления, которая переходит в камеру быстрого охлаждения водой, представляющую собой цилиндрическую трубу, коаксиально расположенную внутри корпуса газогенератора, заканчивающуюся конической камерой шлакоудаления. Между камерой шлакоудаления и центральной трубой камеры быстрого охлаждения расположен кольцевой зазор, через который сырой генераторный газ окисления и водяной пар покидают камеру охлаждения, далее поднимаются по межстеночному зазору между трубой камеры охлаждения и корпусом газогенератора и выходят из газогенератора в трубу для отвода продуктов газификации на дальнейшую переработку.The closest to the claimed device is a gas generator [1, p. 186-189], implementing the specified prototype method, containing a manifold for supplying water vapor and oxygen to the burners, a manifold for supplying a gas-coal mixture to the burners, an oxidation chamber, which goes into a rapid water cooling chamber, which is a cylindrical pipe coaxially located inside the gas generator housing , ending with a conical slag removal chamber. Between the slag removal chamber and the central pipe of the rapid cooling chamber there is an annular gap through which raw generator oxidation gas and water vapor leave the cooling chamber, then rise along the inter-wall gap between the pipe of the cooling chamber and the gas generator body and exit the gas generator into a pipe for removing gasification products for further processing. processing.
Резкая смена движения газового потока в камере быстрого охлаждения, приводящая к тому, что движение газов вниз после прохода щелевого зазора между трубой камеры охлаждения и камерой шлакоудаления сменяется на движение вверх, позволяет отсепарировать значительное количество шлака и золы с попаданием их в коническую камеру шлакоудаления. Камера шлакоудаления соединяется с системой шлакоудаления.A sharp change in the movement of the gas flow in the rapid cooling chamber, leading to the fact that the downward movement of gases after passing the slot gap between the pipe of the cooling chamber and the slag removal chamber is replaced by an upward movement, makes it possible to separate a significant amount of slag and ash and get them into the conical slag removal chamber. The slag removal chamber is connected to the slag removal system.
Шлак из газификатора может быть использован в качестве строительного материала.The slag from the gasifier can be used as a building material.
К недостаткам данного газогенератора относятсяThe disadvantages of this gas generator include
1) пониженный выход водорода из-за высоких температур и давления (в химической промышленности эти газогенераторы используются только там, где не требуется высокое содержание водорода в технологическом газе). Всего водорода не более 22-32 об.% (как и для всех прямоточных газогенераторов, основанных на технологии Koppers-Totzek (процесс Шелл-Копперс), тогда как для слоевых газогенераторов Lurgi содержание водорода в сухом газе составляет 36-40%, для газогенераторов псевдоожиженного слоя Winkler [1, с. 169-170] содержание водорода лежит в пределах 35-45% [4, стр.30];1) reduced hydrogen yield due to high temperatures and pressure (in the chemical industry, these gas generators are used only where a high hydrogen content in the process gas is not required). Total hydrogen is no more than 22-32 vol.% (as for all direct-flow gas generators based on Koppers-Totzek technology (Shell-Koppers process), while for Lurgi layered gas generators the hydrogen content in dry gas is 36-40%, for gas generators fluidized bed Winkler [1, pp. 169-170], the hydrogen content is in the range of 35-45% [4, p. 30];
2) высокие температура и давление обусловливают повышенные требования к используемым материалам в строительстве газогенератора и значительные финансовые затраты на его изготовление;2) high temperatures and pressure determine increased requirements for the materials used in the construction of the gas generator and significant financial costs for its manufacture;
3) повышенный удельный расход кислорода на 1 т газифицируемого угля, как и для всех прямоточных газогенераторов основанных на технологии Koppers-Totzek (540-650 м3), тогда как для слоевых газогенераторов Лурги составляет 220-300 м3, а для газогенераторов псевдоожиженного слоя Winkler - 350 м3 [4, с. 30-33];3) increased specific oxygen consumption per 1 ton of gasified coal, as for all direct-flow gas generators based on Koppers-Totzek technology (540-650 m 3 ), while for Lurgi layer gas generators it is 220-300 m 3 , and for fluidized bed gas generators Winkler - 350 m 3 [4, p. 30-33];
4) для обеспечения стабильного зажигания и поддержания стабильного горения смеси, помимо повышенного расхода кислорода в камере окисления, используется горизонтальное расположение горелок, которое не позволяет снизить температуру процесса до температур 900-1100°С (оптимальные температуры получения синтез-газа), т.к. при таких температурах (900-1100°С) зола подавляющего большинства углей находится в твердой фазе, а значит, возможно ее накапливание на стенке камеры сгорания, что приводит к ее зашлаковыванию и дальнейшему выходу газогенератора из строя;4) to ensure stable ignition and maintain stable combustion of the mixture, in addition to the increased oxygen consumption in the oxidation chamber, a horizontal arrangement of burners is used, which does not allow reducing the process temperature to temperatures of 900-1100 ° C (optimal temperatures for producing synthesis gas), because . at such temperatures (900-1100°C), the ash of the vast majority of coals is in the solid phase, which means it can accumulate on the wall of the combustion chamber, which leads to its slagging and further failure of the gas generator;
5) слишком резкое охлаждение газов до температуры 200-250°С не позволяет получить дополнительно водород с помощью реакции5) too sharp cooling of gases to a temperature of 200-250°C does not allow additional hydrogen to be obtained through the reaction
СО+Н2О=СО2+Н2+0300 ккал (1),CO + H 2 O = CO 2 + H 2 +0300 kcal (1),
т.к. уже при температуре 800°С степень разложения водяного пара снижается по сравнению с 1000°С на порядок, и за одно и то же время пребывания и контакта в 1 с степень конверсии водяного пара при 800°С составит всего 0,5% от конверсии при 1000°С [2, с. 29]; это означает, что при более низких температурах реакции вообще не будет, что подтверждается ростом константы равновесия этой реакции (1) при 500°С в 100 раз по сравнению с 1000°С [3, с. 102].because already at a temperature of 800°C, the degree of decomposition of water vapor decreases by an order of magnitude compared to 1000°C, and for the same residence and contact time of 1 s, the degree of conversion of water vapor at 800°C will be only 0.5% of the conversion at 1000°C [2, p. 29]; this means that at lower temperatures there will be no reaction at all, which is confirmed by an increase in the equilibrium constant of this reaction (1) at 500°C by 100 times compared to 1000°C [3, p. 102].
Основной задачей изобретения является создание эффективного способа газификации в параллельном потоке углеродсодержащего сырья, такого как уголь, бурый уголь, торф, древесина, кокс, сажа или других видов газообразного, жидкого или твердого топлива, или их смесей методом парциального окисления углеводородного сырья в смеси кислородсодержащего газа и водяного пара и устройства для его осуществления с целью получения максимально возможного выхода водорода при газификации углеродсодержащего сырья.The main objective of the invention is to create an effective method for gasification in a parallel flow of carbon-containing raw materials, such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other types of gaseous, liquid or solid fuels, or mixtures thereof, by the method of partial oxidation of hydrocarbon raw materials in a mixture of oxygen-containing gas and water vapor and a device for its implementation in order to obtain the maximum possible yield of hydrogen during the gasification of carbon-containing raw materials.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение генераторного газа с повышенным содержанием водорода. При этом достигается стабильность зажигания и поддержания необходимой температуры парциального окисления.The technical result of the claimed invention is the production of generator gas with a high hydrogen content. In this case, stability of ignition and maintenance of the required temperature of partial oxidation is achieved.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в известном способе газификации углеродсодержащего сырья, включающем парциальное окисление углеродсодержащего сырья в камере окисления в смеси кислородсодержащего газа и водяного пара, парциальное окисление осуществляют в канале парциального окисления, коаксиально установленном в камере окисления, а подачу водяного пара для парциального окисления углеродсодержащего сырья осуществляют на входе и выходе канала парциального окисления камеры сгорания.The claimed technical result is achieved by the fact that in the known method of gasification of carbon-containing raw materials, including partial oxidation of carbon-containing raw materials in an oxidation chamber in a mixture of oxygen-containing gas and water vapor, partial oxidation is carried out in a partial oxidation channel coaxially installed in the oxidation chamber, and the supply of water steam for partial oxidation of carbon-containing raw materials is carried out at the inlet and outlet of the partial oxidation channel of the combustion chamber.
- 3 044898- 3 044898
Оптимально осуществлять парциальное окисление в потоке смеси кислорода и водяного пара в канале парциального окисления камеры окисления при температуре 900-1100°С, которую обеспечивают изменением объема пара на входе в канал парциального окисления.It is optimal to carry out partial oxidation in a flow of a mixture of oxygen and water vapor in the partial oxidation channel of the oxidation chamber at a temperature of 900-1100°C, which is ensured by changing the volume of steam at the entrance to the partial oxidation channel.
Целесообразно на выходе канала парциального окисления камеры окисления поддерживать температуру в пределах 800-1000°С, которую обеспечивают изменением объема пара на выходе из канала парциального окисления.It is advisable to maintain the temperature at the outlet of the partial oxidation channel of the oxidation chamber in the range of 800-1000°C, which is ensured by changing the volume of steam at the outlet of the partial oxidation channel.
Целесообразно зажигание смеси углеродсодержащего сырья и парокислородной смеси и поддержание их стабильного горения осуществлять за счет подачи на вход канала парциального окисления продуктов сгорания из горелочного устройства, установленного вдоль оси канала парциального окисления.It is advisable to ignite a mixture of carbon-containing raw materials and a steam-oxygen mixture and maintain their stable combustion by supplying partial oxidation of combustion products from a burner device installed along the axis of the partial oxidation channel to the input of the channel.
Предпочтительно выбирать время пребывания продуктов горения в канале окисления больше времени сгорания максимальной частицы сырья.It is preferable to choose the residence time of combustion products in the oxidation channel longer than the combustion time of the maximum particle of raw material.
Геометрические размеры канала парциального окисления оптимально выбирать исходя из соотношенияThe geometric dimensions of the partial oxidation channel are optimally selected based on the ratio
L>(4xGxTb)/(nxp(t0)xD2), где L - длина канала парциального окисления;L>(4xGxT b )/(nxp(t 0 )xD 2 ), where L is the length of the partial oxidation channel;
D - диаметр канала парциального окисления;D is the diameter of the partial oxidation channel;
G - массовый приход продуктов окисления в канал парциального окисления;G is the mass arrival of oxidation products into the partial oxidation channel;
Tb - температура сгорания максимальной частицы углеродсодержащего сырья;T b - combustion temperature of the maximum particle of carbon-containing raw materials;
t0 - расчетная температура продуктов окисления в канале парциального окисления;t 0 - calculated temperature of oxidation products in the partial oxidation channel;
p(t0) - расчетная плотность продуктов окисления в канале парциального окисления.p(t 0 ) - calculated density of oxidation products in the partial oxidation channel.
В качестве углеродсодержащего сырья можно использовать твердое топливо в виде угля, бурого угля, торфа, древесины, кокса, сажи или газообразные и жидкие топлива либо их смеси.As carbon-containing raw materials, you can use solid fuel in the form of coal, brown coal, peat, wood, coke, soot, or gaseous and liquid fuels or mixtures thereof.
Технический результат достигается также тем, что известный газогенератор для газификации углеродсодержащего сырья, содержащий корпус, горелочное устройство, вертикальную камеру окисления, коллекторы для подачи углеродсодержащего сырья, водяного пара и кислородсодержащего газа, трубу для отвода продуктов газификации, камеру шлакоудаления, дополнительно содержит канал парциального окисления, который коаксиально расположен в вертикальной камере окисления и прикреплен к верхней внутренней части корпуса, в которую встроено горелочное устройство.The technical result is also achieved by the fact that the known gas generator for gasification of carbon-containing raw materials, containing a housing, a burner device, a vertical oxidation chamber, collectors for supplying carbon-containing raw materials, water vapor and oxygen-containing gas, a pipe for removing gasification products, a slag removal chamber, additionally contains a partial oxidation channel , which is coaxially located in the vertical oxidation chamber and attached to the upper inner part of the housing, into which the burner device is built.
Оптимально верхнюю часть корпуса выполнить в виде съемной крышки, в которую встроено горелочное устройство.It is optimal to make the upper part of the housing in the form of a removable lid into which the burner device is built.
Труба для отвода продуктов газификации может быть установлена в боковой части корпуса газогенератора, более близкой к верхней части газогенератора.A pipe for removing gasification products can be installed in the side part of the gas generator housing, closer to the top of the gas generator.
Оптимально выполнить газогенератор для газификации углеродсодержащего сырья содержащим верхний и нижний коллекторы пара, выполненные в виде пустотелых колец, соединенных опускными трубами, оси которых параллельны оси внешнего корпуса, при этом верхний коллектор установлен на внешней стороне крышки газогенератора, опускные трубы размещены на внешней стороне канала парциального окисления, а нижний коллектор пара расположен на выходе из канала окисления, и снабжен отверстиями для выхода пара в поток продуктов парциального окисления.It is optimal to make a gas generator for gasification of carbon-containing raw materials containing upper and lower steam collectors, made in the form of hollow rings connected by lowering pipes, the axes of which are parallel to the axis of the outer housing, while the upper collector is installed on the outside of the gas generator cover, the lowering pipes are located on the outside of the partial channel oxidation, and the lower steam collector is located at the outlet of the oxidation channel, and is equipped with holes for the release of steam into the stream of partial oxidation products.
Оптимально выполнить горелочное устройство в виде диффузионной горелки, снабженной кольцевыми каналами, расположенными коаксиально вокруг диффузионной горелки и выполненными с возможностью подачи в кольцевые каналы кислородсодержащего газа, углеводородного сырья и водяного пара.It is optimal to make the burner device in the form of a diffusion burner equipped with annular channels located coaxially around the diffusion burner and configured to supply oxygen-containing gas, hydrocarbon raw materials and water vapor into the annular channels.
Рационально внутренние стенки камеры окисления выполнить в виде змеевика, верхний вывод которого через узел распределения горячего пара соединен с верхним коллектором пара, а нижний вывод подсоединен к внешнему генератору водяного пара.It is rational to make the internal walls of the oxidation chamber in the form of a coil, the upper outlet of which is connected to the upper steam collector through a hot steam distribution unit, and the lower outlet is connected to an external water steam generator.
Внутренние стенки камеры окисления могут быть выполнены в виде соосно расположенных торообразных емкостей, обеспечивающих возможность подачи водяного пара снизу камеры окисления к крышке газогенератора.The internal walls of the oxidation chamber can be made in the form of coaxially located torus-shaped containers, providing the possibility of supplying water vapor from the bottom of the oxidation chamber to the lid of the gas generator.
Канал парциального окисления может быть выполнен с наружной теплоизоляцией.The partial oxidation channel can be made with external thermal insulation.
Заявляемые способ газификации углеродсодержащего сырья, такого как уголь, бурый уголь, торф, древесину, кокс, сажу или другие виды газообразного, жидкого или твердого углеводородного топлива, или их смесей, а также устройство для его осуществления неизвестны из предшествующего уровня техники, следовательно, заявленные решения удовлетворяют условию патентоспособности изобретения новизна.The claimed method of gasification of carbon-containing raw materials, such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other types of gaseous, liquid or solid hydrocarbon fuels, or mixtures thereof, as well as the device for its implementation are unknown from the prior art, therefore, the claimed solutions satisfy the condition of patentability of an invention: novelty.
Анализ уровня техники на соответствие заявленных решений условию патентоспособности изобретения изобретательский уровень показал следующее.An analysis of the level of technology for compliance of the claimed solutions with the patentability of the invention, the inventive step, showed the following.
В предлагаемом способе для газификации углеродсодержащего сырья, такого как уголь, бурый уголь, торф, древесину, кокс, сажу или другие виды газообразного, жидкого или твердого топлива либо их смесей методом парциального окисления в смеси кислородсодержащего газа и водяного пара с целью максимального получения водорода, в отличие от известных устройств, фактически процесс окисления разбит на 2 этапа: сначала парциальное окисление ведется в адиабатических условиях в теплоизолиро- 4 044898 ванном канале окисления при оптимальных температурах 900-1100°С в потоке смеси кислорода и водяного пара, а затем полученные газы доокисляются на выходе из канала парциального окисления только водяным паром с поддержанием температуры в этой зоне в пределах оптимальных температур 800-1000°С. В предлагаемом устройстве для осуществления заявленного способа окисления в отличие от аналогов все процессы ведутся в условиях, исключающих резкий рост давления в реакционных пространствах. Кроме того, заявляемый способ позволяет обеспечить стабильное зажигание и горение в получаемом двухфазном потоке как на поверхности частицы, так и в газовой фазе за счет стабильного поступления дополнительной тепловой энергии от продуктов сгорания поступающих от встроенного горелочного устройства, в котором сжигается жидкое или газообразное топливо. Продукты сгорания от горелочного устройства поступают в канал парциального окисления вдоль оси канала, смешиваясь с углеродсодержащим сырьем и парокислородной смесью.In the proposed method for gasification of carbon-containing raw materials, such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other types of gaseous, liquid or solid fuels or mixtures thereof, by partial oxidation in a mixture of oxygen-containing gas and water vapor in order to maximize the production of hydrogen, Unlike known devices, the oxidation process is actually divided into 2 stages: first, partial oxidation is carried out under adiabatic conditions in a thermally insulated oxidation channel at optimal temperatures of 900-1100°C in a flow of a mixture of oxygen and water vapor, and then the resulting gases are further oxidized at the exit from the partial oxidation channel only with water vapor, maintaining the temperature in this zone within the optimal temperature range of 800-1000°C. In the proposed device for implementing the claimed oxidation method, unlike analogues, all processes are carried out under conditions that exclude a sharp increase in pressure in the reaction spaces. In addition, the inventive method makes it possible to ensure stable ignition and combustion in the resulting two-phase flow both on the surface of the particle and in the gas phase due to the stable supply of additional thermal energy from combustion products coming from the built-in burner device in which liquid or gaseous fuel is burned. Combustion products from the burner device enter the partial oxidation channel along the channel axis, mixing with carbon-containing raw materials and a steam-oxygen mixture.
При этом стабильность зажигания и поддержание необходимой температуры в канале окисления поддерживается поступлением тепловой энергии от встроенного в верхней части корпуса газогенератора горелочного устройства при сжигании любого топлива независимо от поступающего на окисление в газогенератор углеродсодержащего сырья, например, с помощью кислорода воздуха, в отличие от прототипа и других известных средств, в которых стабилизация поддерживается высоким расходом кислорода для сжигания части окисляемого углеродсодержащего сырья, с получением в них высоких температур 1400-1600°С и давления 27-40 атм и как результат с пониженным выходом водорода. Ведение процесса при оптимальных для газификации условий и температур позволяет, в отличие от прототипа, где горелки установлены поперек вертикальной оси газогенератора (что приводит к высоким температурам при столкновении потоков продуктов сгорания), использовать в конструкции газогенератора недорогие материалы с существенно меньшей материалоемкостью и жаростойкостью. Следовательно, заявляемая группа изобретений удовлетворяет условию изобретательский уровень.In this case, the stability of ignition and maintenance of the required temperature in the oxidation channel is maintained by the supply of thermal energy from the burner device built into the upper part of the gas generator housing when burning any fuel, regardless of the carbon-containing raw materials supplied to the gas generator for oxidation, for example, with the help of atmospheric oxygen, in contrast to the prototype and other known means in which stabilization is maintained by a high oxygen consumption for combustion of part of the oxidized carbon-containing raw materials, obtaining high temperatures of 1400-1600 ° C and pressure of 27-40 atm and, as a result, with a reduced yield of hydrogen. Conducting the process under optimal conditions and temperatures for gasification allows, in contrast to the prototype, where the burners are installed transversely to the vertical axis of the gas generator (which leads to high temperatures when the flows of combustion products collide), to use inexpensive materials with significantly lower material consumption and heat resistance in the gas generator design. Consequently, the claimed group of inventions satisfies the condition of inventive step.
Заявляемые способ и устройство для газификации углеродсодержащего сырья иллюстрируются чертежами, где на фиг. 1 схематично представлена общая схема газогенератора для газификации углеродсодержащего сырья;The inventive method and device for gasification of carbon-containing raw materials are illustrated by drawings, where in FIG. 1 schematically shows the general diagram of a gas generator for gasification of carbon-containing raw materials;
на фиг. 2 представлена схема газогенератора в разрезе;in fig. Figure 2 shows a cross-sectional diagram of the gas generator;
на фиг. 3 представлена схема горелочного устройства газогенератора;in fig. Figure 3 shows a diagram of the burner device of the gas generator;
на фиг. 4 схематично представлена схема газогенератора с змеевиком для подогрева пара и охлаждения стенки корпуса;in fig. Figure 4 schematically shows a diagram of a gas generator with a coil for heating steam and cooling the housing wall;
на фиг. 5 схематично представлена схема газогенератора с набором торообразных емкостей для подогрева пара и охлаждения стенки газогенератора.in fig. Figure 5 schematically shows a diagram of a gas generator with a set of torus-shaped containers for heating steam and cooling the wall of the gas generator.
Заявляемый газогенератор для газификации углеродсодержащего сырья содержит корпус 1, камеру окисления 2, крышку корпуса 3 (фиг. 1), горелочное устройство 4 (фиг. 4) с диффузионной горелкой 7, патрубки подвода кислорода 5 и смеси водяного пара и углеродсодержащего сырья 6, трубу 8 для отвода генераторных газов, канал парциального окисления 9 с теплоизоляцией 10, с коллектором 12 подачи пара в пространство на выходе из канала окисления 9, а также опускными трубами 13 (фиг. 2), подающими пар от верхнего коллектора пара 14 к коллектору подачи пара 12. В нижней части корпуса установлена камера шлакоудаления 11.The inventive gas generator for gasification of carbon-containing raw materials contains a housing 1, an oxidation chamber 2, a housing cover 3 (Fig. 1), a burner device 4 (Fig. 4) with a diffusion burner 7, oxygen supply pipes 5 and a mixture of water vapor and carbon-containing raw materials 6, a pipe 8 for the removal of generator gases, a partial oxidation channel 9 with thermal insulation 10, with a steam supply manifold 12 into the space at the outlet of the oxidation channel 9, as well as lowering pipes 13 (Fig. 2) supplying steam from the upper steam header 14 to the steam supply header 12. A slag removal chamber 11 is installed in the lower part of the housing.
На фиг. 2 представлен разрез А-А (фиг. 1) газогенератора, на котором показан вариант расположения отверстий подачи пара 15 в коллекторе подачи пара 12. На фиг. 3 представлена схема горелочного устройства 4 с встроенной диффузионной горелкой 7 с каналом подачи воздуха 16, с каналом подачи топлива 17 (например мазут или газовое топливо), с электродами розжига 18, диффузором смешения 19, с каналом подачи кислорода 20 и каналом подачи пара 21. На фиг. 4 представлена схема газогенератора по фиг. 1, дополненная змеевиком 22 подогрева пара и охлаждения теплоизоляции стенки корпуса 1 газогенератора, патрубком 23 ввода пара в змеевик 22, узлом распределения 24 подачи пара в узел смешения пара с углеродсодержащим сырьем 25 и в коллектор 14, патрубком подачи угля 26 в узел смешения 25. На фиг. 5 представлена схема газогенератора по фиг. 1, дополненная торообразными емкостями 27 подогрева пара и охлаждения теплоизоляции стенки корпуса 1 газогенератора, патрубком 23 ввода пара в змеевик 22, узлом распределения 24 подачи пара в узел смешения пара с углеродсодержащим сырьем 25 и в коллектор 14, патрубком подачи угля 26, калачами 28, соединяющими торообразные емкости 27 между собой.In fig. Fig. 2 shows a section AA (Fig. 1) of the gas generator, which shows a variant of the location of the steam supply holes 15 in the steam supply manifold 12. In Fig. Figure 3 shows a diagram of a burner device 4 with a built-in diffusion burner 7 with an air supply channel 16, with a fuel supply channel 17 (for example, fuel oil or gas fuel), with ignition electrodes 18, a mixing diffuser 19, with an oxygen supply channel 20 and a steam supply channel 21. In fig. 4 shows a diagram of the gas generator according to FIG. 1, supplemented by a coil 22 for heating steam and cooling the thermal insulation of the housing wall 1 of the gas generator, a pipe 23 for introducing steam into the coil 22, a distribution unit 24 for supplying steam to the unit for mixing steam with carbon-containing raw materials 25 and into the collector 14, a pipe for supplying coal 26 to the mixing unit 25. In fig. 5 shows a diagram of the gas generator according to FIG. 1, supplemented by torus-shaped tanks 27 for heating steam and cooling the thermal insulation of the wall of the housing 1 of the gas generator, a pipe 23 for introducing steam into the coil 22, a distribution unit 24 for supplying steam to a unit for mixing steam with carbon-containing raw materials 25 and into the manifold 14, a pipe for supplying coal 26, rolls 28, connecting the torus-shaped containers 27 to each other.
Заявляемые способ и газогенератор работают следующим образом.The inventive method and gas generator operate as follows.
Сырой пар через патрубок 23 (фиг. 4) поступает в змеевик 22, где подогревается отходящими генераторными газами через трубу 8 отвода генераторных газов. Через змеевик 22 пар поступает в узел распределения пара 24, где он разделяется на 2 потока. Часть пара поступает в узел смешения 25, где пар подхватывает поступающее через патрубок 26 мелкодисперсное углеродсодержащее сырье, например угольную пыль, и полученная пароугольная смесь поступает через патрубок 6, например, через эжекционное устройство или шлюзовик (на чертеже не показаны) в горелочное устройство. Горелочное устройство представляет собой комбинированную горелку 4 (фиг. 3) в которой в центре расположена диффузионная горелка 7 для сжигания жидкого или газообразного топлива в воздухе. Продукты сгорания диффу- 5 044898 зионной горелки с температурой 1500-2000°С создают ядро газового потока, закрученного диффузором смешения 19 горелки 7, и подхватывают, смешивая потоки кислорода, поступающего через патрубок 5 в канал 20, и пароугольной смеси, поступающей через патрубок 6 в канал 21.Raw steam enters coil 22 through pipe 23 (Fig. 4), where it is heated by generator exhaust gases through generator gas exhaust pipe 8. Through coil 22, steam enters steam distribution unit 24, where it is divided into 2 streams. Part of the steam enters the mixing unit 25, where the steam picks up finely dispersed carbon-containing raw materials, such as coal dust, entering through pipe 26, and the resulting steam-coal mixture enters through pipe 6, for example, through an ejection device or a sluice valve (not shown in the drawing) into the burner device. The burner device is a combined burner 4 (Fig. 3) in which a diffusion burner 7 is located in the center for burning liquid or gaseous fuel in air. The combustion products of the diffusion burner with a temperature of 1500-2000°C create the core of the gas flow, swirled by the mixing diffuser 19 of the burner 7, and are picked up, mixing the flows of oxygen entering through pipe 5 into channel 20, and the steam-carbon mixture entering through pipe 6 to channel 21.
Важным и существенным для получения максимально возможного количества водорода при газификации углеводородных частиц в параллельном потоке является решение нескольких противоречивых задач, а именно получение генераторного газа по эндотермической химической реакцииImportant and essential for obtaining the maximum possible amount of hydrogen during gasification of hydrocarbon particles in a parallel flow is the solution of several contradictory problems, namely the production of generator gas by an endothermic chemical reaction
С+Н2О=СО+Н2-31700 ккал (2) с существенной потерей тепловой энергии, одновременно с процессом выгорания части углеродсодержащих частиц в кислороде (в общем потоке пара и кислородсодержащего газа) и поддержания температуры процесса в диапазоне 900-1100°С.C+H 2 O=CO+H 2 -31700 kcal (2) with a significant loss of thermal energy, simultaneously with the process of burning out part of the carbon-containing particles in oxygen (in the general flow of steam and oxygen-containing gas) and maintaining the process temperature in the range of 900-1100° WITH.
Чтобы получить требуемый результат необходимо, прежде всего, вести процесс при низком давлении (например, близком к атмосферному), тогда согласно принципу Ле Шателье процесс согласно (2) будет сдвинут вправо. Принцип Ле Шателье устанавливает, что в случае воздействия на равновесную систему извне с изменением какого-нибудь из факторов, определяющих положение равновесия, в системе усиливается то направление процесса, которое ослабляет это воздействие. Поскольку в результате реакции (2) образуется 2 моля газа (СО и Н2 вместо одного моля Н2О) с повышением давления в результате роста объема газов, то понижая давление в реакторе, можно заставить систему вернуться в равновесие, ускоряя реакцию (2) с генерацией газов СО и Н2. И наоборот, при повышении давления в реакторе в устройстве снижается давление за счет замедления реакции (2). Технически это означает, что нужно не допускать повышения давления при ведении процесса окисления, т.е. нужно не допускать увеличения газодинамических сопротивлений движению потока газов, а значит, конструктивно каналы, по которым движутся продукты окисления не должны иметь резких сужений, а сгорание углеродсодержащих частиц предпочтительно вести в процессе движения в потоке, а не в замкнутой камере.To obtain the required result, it is necessary, first of all, to conduct the process at low pressure (for example, close to atmospheric), then, according to Le Chatelier’s principle, the process according to (2) will be shifted to the right. Le Chatelier's principle states that in the event of an external influence on an equilibrium system with a change in any of the factors determining the equilibrium position, the direction of the process that weakens this influence is strengthened in the system. Since reaction (2) results in the formation of 2 moles of gas (CO and H 2 instead of one mole of H 2 O) with an increase in pressure as a result of an increase in the volume of gases, by lowering the pressure in the reactor, the system can be forced to return to equilibrium, accelerating reaction (2) with the generation of CO and H 2 gases. Conversely, when the pressure in the reactor increases, the pressure in the device decreases due to the slowdown of the reaction (2). Technically, this means that it is necessary to prevent an increase in pressure during the oxidation process, i.e. it is necessary to prevent an increase in gas-dynamic resistance to the movement of the gas flow, which means that, structurally, the channels through which the oxidation products move should not have sharp narrowings, and the combustion of carbon-containing particles should preferably be carried out during movement in the flow, and not in a closed chamber.
Для поддержания необходимой высокой температуры рационально часть углерода сжигать в кислороде согласно реакцииTo maintain the required high temperature, it is rational to burn part of the carbon in oxygen according to the reaction
С+О2=СО2+94300 ккал (3), которая при 1000°С протекает практически мгновенно, а при понижении температуры ее скорость резко снижается [1, с. 24]. Однако для поддержания реакции (2) требуется значительное количество водяного пара, что отбирает тепловую мощность, а поступление тепла по реакции (3) происходит постепенно по мере выгорания частиц, поэтому рациональным является разделение водяного пара на 2 части, где первая часть пара поступает через горелочное устройство, а вторая часть пара, поступающего на парциальное окисление сырья, поступает в поток продуктов парциального окисления на выходе из канала окисления после выгорания частиц углеродсодержащего сырья в пространство между вертикальной стенкой корпуса газогенератора и стенкой канала окисления. Кроме того, разделение подачи водяного пара позволяет на выходе из канала окисления вести управляемую реакциюC+O2=CO2+94300 kcal (3), which at 1000°C occurs almost instantly, and as the temperature drops, its speed decreases sharply [1, p. 24]. However, to maintain reaction (2) a significant amount of water vapor is required, which takes away thermal power, and the heat supplied by reaction (3) occurs gradually as the particles burn out, so it is rational to divide the water vapor into 2 parts, where the first part of the steam enters through the burner device, and the second part of the steam supplied to the partial oxidation of raw materials enters the stream of partial oxidation products at the outlet of the oxidation channel after the particles of carbon-containing raw materials burn out into the space between the vertical wall of the gas generator housing and the wall of the oxidation channel. In addition, the separation of the water vapor supply allows for a controlled reaction at the outlet of the oxidation channel
СО+Н2О=СО2+Н2+10300 ккал по формуле (1) с увеличением водорода в генераторном газе. Поскольку реакция (1) экзотермична, то согласно принципу Ле Шателье при повышении температуры равновесие будет смещаться влево (т.е. в сторону исходных продуктов), но для этой реакции границей является температура в 1000°С (это видно из динамики константы равновесия [3, с. 102] и по экспериментальным данным [2, с. 30]). Т.е. подача водяного пара на выходе из канала окисления позволит пройти реакции (1) и снизить температуру газов до 700-800°С, не позволив ей подняться выше 900-1000°С. Следовательно, оптимальным является поддержание температуры на выходе из канала окисления в пределах 800-1000°С.CO+H 2 O=CO 2 +H 2 +10300 kcal according to formula (1) with an increase in hydrogen in the generator gas. Since reaction (1) is exothermic, according to Le Chatelier’s principle, as the temperature increases, the equilibrium will shift to the left (i.e., towards the starting products), but for this reaction the boundary is a temperature of 1000°C (this can be seen from the dynamics of the equilibrium constant [3 , p. 102] and according to experimental data [2, p. 30]). Those. supplying water vapor at the outlet of the oxidation channel will allow reaction (1) to occur and reduce the temperature of the gases to 700-800°C, preventing it from rising above 900-1000°C. Therefore, it is optimal to maintain the temperature at the outlet of the oxidation channel within 800-1000°C.
Для завершения окислительно-восстановительных реакций (2) в канале парциального окисления его геометрические размеры (диаметр и длина) должны обеспечивать время пребывания горящей частицы в канале не меньшем, чем время ее выгорания (что значительно повышает КПД процесса), а это существенно зависит от размера сгораемой частицы. Так, например, частица антрацита диаметром 100 мкм сгорает в кислороде за 7,1 с, а диаметром в 50 мкм за 0,413 с [3, с. 210]. Зная размер частиц газифицируемого сырья и его часовой расход, легко рассчитать геометрические размеры канала окисления.To complete the redox reactions (2) in the partial oxidation channel, its geometric dimensions (diameter and length) must ensure the residence time of the burning particle in the channel is no less than its burnout time (which significantly increases the efficiency of the process), and this significantly depends on the size combustible particle. For example, an anthracite particle with a diameter of 100 microns burns in oxygen in 7.1 s, and with a diameter of 50 microns in 0.413 s [3, p. 210]. Knowing the particle size of the gasified raw material and its hourly flow rate, it is easy to calculate the geometric dimensions of the oxidation channel.
Важнейшим условием стабильной работы газогенератора с газификацией частиц в потоке является стабильное зажигание и горение в получаемом двухфазном потоке, где горение идет как на поверхности частицы, так и в газовой фазе, и для стабильности процесса важно, чтобы скорость распространения пламени была выше скорости двухфазного потока, иначе произойдет срыв пламени и процесс окисления прекратится. В известных газогенераторах поточной газификации, в том числе в ближайшем аналоге PRENFLO PDQ эта проблема решается тем, что скорость сгорания частиц угля увеличивают, повышая давление и температуру процесса за счет увеличения подачи кислорода и сжигания большего количества угля по реакции (3). А кроме того, увеличивают время пребывания частиц в реакторе за счет расположения горелок перпендикулярно потоку. Важным в конструкции прототипа является то, что повышение давления в камере окисления достигается за счет сужения на выходе из камеры окисления в форме ракетного сопла, что априори требует жидкого шлакоудаления, а значит и высоких температур, т.к. в противном случае сужающийся канал будет быстро зашлакован.The most important condition for the stable operation of a gas generator with gasification of particles in a flow is stable ignition and combustion in the resulting two-phase flow, where combustion occurs both on the surface of the particle and in the gas phase, and for the stability of the process it is important that the flame propagation speed is higher than the speed of the two-phase flow, otherwise the flame will fail and the oxidation process will stop. In known flow gasification gas generators, including the closest analogue of PRENFLO PDQ, this problem is solved by increasing the combustion rate of coal particles, increasing the pressure and temperature of the process by increasing the supply of oxygen and burning more coal according to reaction (3). In addition, they increase the residence time of particles in the reactor by positioning the burners perpendicular to the flow. What is important in the design of the prototype is that the increase in pressure in the oxidation chamber is achieved by narrowing the exit from the oxidation chamber in the form of a rocket nozzle, which a priori requires liquid slag removal, and therefore high temperatures, because otherwise, the narrowing channel will quickly become clogged.
В заявляемом устройстве эта проблема решается тем, что с целью получения постоянного источни- 6 044898 ка зажигания и стабилизации процесса парциального окисления горелочное устройство, встроенное предпочтительно в крышку газогенератора, представляет собой комбинированную диффузионную горелку, в центре которой, вдоль оси встроена собственно диффузионная горелка для сжигания газообразного или жидкого топлива, которая снабжена кольцевыми каналами, расположенными коаксиально вокруг встроенной диффузионной горелки, выполненными с возможностью подачи в эти кольцевые каналы кислородсодержащего газа, углеводородного сырья и водяного пара. Т.е. источником дополнительного тепла для зажигания смеси и поддержания стабильным процесса окисления в предлагаемом способе является тепло продуктов сгорания жидкого или газообразного топлива поступающего вдоль потока реагирующей парокислородной смеси и углеродсодержащего сырья. Такая схема процесса горения позволяет получить стабильное зажигание двухфазного потока, поддержать его горение до стабильной генерации тепла по реакции (3) и компенсировать теплопотери на реакции углерода и окиси углерода с водяным паром. Термодинамические расчеты вариантов такого процесса показывают, что мощности такой встроенной горелки в 10-25% от мощности сжигаемого по реакции (3) углерода достаточно для получения стабильного процесса с температурой в потоке не выше 1100°С.In the claimed device, this problem is solved by the fact that in order to obtain a constant source of ignition and stabilize the process of partial oxidation, the burner device, preferably built into the lid of the gas generator, is a combined diffusion burner, in the center of which, along the axis, the actual diffusion burner is built in combustion of gaseous or liquid fuel, which is equipped with annular channels located coaxially around the built-in diffusion burner, configured to supply oxygen-containing gas, hydrocarbon raw materials and water vapor into these annular channels. Those. The source of additional heat for igniting the mixture and maintaining a stable oxidation process in the proposed method is the heat of the combustion products of liquid or gaseous fuel supplied along the flow of the reacting steam-oxygen mixture and carbon-containing raw materials. This combustion process scheme makes it possible to obtain stable ignition of a two-phase flow, maintain its combustion until stable heat generation according to reaction (3) and compensate for heat loss due to the reaction of carbon and carbon monoxide with water vapor. Thermodynamic calculations of variants of such a process show that the power of such a built-in burner of 10-25% of the power of carbon burned by reaction (3) is sufficient to obtain a stable process with a temperature in the flow not higher than 1100°C.
Таким образом, заявляемый способ позволяет обеспечить стабильное зажигание и горение в получаемом двухфазном потоке как на поверхности частицы, так и в газовой фазе за счет стабильного поступления дополнительной тепловой энергии от продуктов сгорания поступающих от встроенного горелочного устройства, в котором сжигается жидкое или газообразное топливо. Продукты сгорания от горелочного устройства поступают в канал парциального окисления вдоль оси канала, смешиваясь с углеродсодержащим сырьем и парокислородной смесью.Thus, the inventive method makes it possible to ensure stable ignition and combustion in the resulting two-phase flow both on the surface of the particle and in the gas phase due to the stable supply of additional thermal energy from combustion products coming from the built-in burner device in which liquid or gaseous fuel is burned. Combustion products from the burner device enter the partial oxidation channel along the channel axis, mixing with carbon-containing raw materials and a steam-oxygen mixture.
Регулировкой расходов пара, угля и кислорода в канале окисления 9 (фиг. 4) устанавливают температуру 900-1100°С, отслеживаемую по термодатчикам (на чертежах не показаны). Вторая часть пара из узла распределения 25 по трубам 13 поступает в коллектор подачи пара 12 и через отверстия 15 подается в пространство на выходе из канала окисления 9, где происходит доокисление окиси углерода до двуокиси углерода с получением водорода. Расчетное количество пара должно обеспечивать в сумме охлаждение до температуры не выше 900-1000° С для предотвращения обратных реакций по формуле (1). Полученные генераторные газы через трубу 8 отвода генераторных газов поступают на охлаждение и очистку и дальнейшую переработку (например на органический синтез или на мембранный разделитель с дальнейшей подачей полученного водорода на гидрогенизацию угля). Основная масса образовавшихся в результате сгорания угля шлака и золы поступают в камеру шлакоудаления 11, откуда системой золо- и шлакоудаления поступают на утилизацию.By adjusting the flow rates of steam, coal and oxygen in the oxidation channel 9 (Fig. 4), the temperature is set to 900-1100°C, monitored by temperature sensors (not shown in the drawings). The second part of the steam from the distribution unit 25 through pipes 13 enters the steam supply manifold 12 and through holes 15 is supplied to the space at the outlet of the oxidation channel 9, where carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide to produce hydrogen. The calculated amount of steam should provide a total cooling to a temperature of no higher than 900-1000 ° C to prevent reverse reactions according to formula (1). The resulting generator gases through the generator gas exhaust pipe 8 are supplied for cooling, purification and further processing (for example, for organic synthesis or to a membrane separator with further supply of the resulting hydrogen for coal hydrogenation). The bulk of the slag and ash formed as a result of coal combustion enters the slag removal chamber 11, from where it is sent for disposal by the ash and slag removal system.
Пример конкретного выполнения.An example of a specific implementation.
1. Для производства водорода для завода гидрогенизации угля был построен опытный образец газогенератора по схеме фиг. 5 для парциального окисления угля. Были определены показатели исходного угля: зольность средняя - 12%; влажность - 8%; содержание углерода в органической части угля (ОМУ) 77%; содержание водорода в ОМУ - 5%. Исходный уголь был подвергнут дроблению, сушке в барабанной сушилке и тонкому помолу на дробилке с размером частиц менее 100 мкм (80% частиц размером менее 50 мкм). Расход сухого угля составлял 1 т/ч.1. To produce hydrogen for a coal hydrogenation plant, a prototype gas generator was built according to the diagram in Fig. 5 for partial oxidation of coal. The parameters of the original coal were determined: average ash content - 12%; humidity - 8%; carbon content in the organic part of coal (OMC) 77%; hydrogen content in WMD is 5%. The original coal was crushed, drum-dried and finely ground in a crusher to a particle size of less than 100 µm (80% of particles were less than 50 µm). The dry coal consumption was 1 t/h.
2. В качестве источника кислорода была выбрана установка получения кислорода из воздуха производительностью - 300 м3/ч или 390 кг/ч.2. An installation for producing oxygen from air with a capacity of 300 m 3 /h or 390 kg/h was chosen as an oxygen source.
3. Объем количества воды на окисление угля и пропорции распределения объемов пара через горелку и коллектор на выходе из канала окисления были выбраны из термодинамических расчетов тепловых балансов химических реакций окисления и восстановления. В качестве встроенной в горелочное устройство диффузионной горелки использовали горелку на мазуте тепловой мощностью 200 кВт, в которой в час сгорает 20 кг мазута в 20x10,8=216 м3/ч воздуха или в 276,5 кг/ч воздуха.3. The volume of water for the oxidation of coal and the proportions of the distribution of steam volumes through the burner and the collector at the outlet of the oxidation channel were selected from thermodynamic calculations of the heat balances of chemical reactions of oxidation and reduction. An oil burner with a thermal power of 200 kW was used as a diffusion burner built into the burner device, in which 20 kg of fuel oil per hour is burned in 20x10.8 = 216 m 3 /h of air or 276.5 kg/h of air.
4. На вход канала парциального окисления через горелочное устройство подавали до 150 кг пара в час. Расчетная температура продуктов сгорания на выходе из канала парциального окисления составила 952°С, что вписывается в оптимальный температурный предел 900-1100°С.4. Up to 150 kg of steam per hour was supplied to the input of the partial oxidation channel through a burner device. The calculated temperature of the combustion products at the exit from the partial oxidation channel was 952°C, which fits within the optimal temperature limit of 900-1100°C.
6. Подачу пара из коллектора (поз. 12, фиг. 5) осуществляли через 3 ряда отверстий с углом распыла между рядами отверстий в 120°. Объем пара, поступающего через коллектор (поз. 12, фиг. 5), составлял 250-300 кг/ч.6. Steam was supplied from the manifold (item 12, Fig. 5) through 3 rows of holes with a spray angle between the rows of holes of 120°. The volume of steam entering through the manifold (item 12, Fig. 5) was 250-300 kg/h.
Регулирование объемов пара, поступающих через горелочное устройство и через коллектор вели по данным 3-х датчиков температуры, встроенных перед выходом из канала окисления и данным датчиков температуры, встроенных в кольцевой зазор между каналом окисления и корпусом газогенератора выше выхода из канала окисления на 20 см (3 шт.).Regulation of the volumes of steam entering through the burner device and through the manifold was carried out according to the data of 3 temperature sensors built in before the exit from the oxidation channel and data from temperature sensors built into the annular gap between the oxidation channel and the gas generator body 20 cm above the exit from the oxidation channel ( 3 pcs.).
Выбор геометрических размеров канала парциального окисления (поз. 9, фиг. 5) определялся временем пребывания продуктов горения в канале окисления. Это величина должна быть предпочтительно больше времени сгорания максимальной частицы сырья. В газогенератор поступала угольная пыль размером до 50 мкм - 80% и до 80-90 мкм - 20%. Время сгорания частицы размером в 50 мкм составляло 0,41 с, а размером в 100 мкм - 7 с. При условии полного реагирования угля в парокислородном потоке получали при температуре в 1000°С около 826 л газов в секунду. При выборе диаметра канала парциального окисления в 0,85 м и длине камеры окисления в 6 м время пребывания частиц в камере окисленияThe choice of geometric dimensions of the partial oxidation channel (item 9, Fig. 5) was determined by the residence time of combustion products in the oxidation channel. This value should preferably be greater than the combustion time of the maximum particle of raw material. The gas generator received coal dust with a size of up to 50 microns - 80% and up to 80-90 microns - 20%. The combustion time of a particle with a size of 50 microns was 0.41 s, and a particle with a size of 100 microns was 7 s. Under the condition of complete reaction of coal in a steam-oxygen flow, about 826 liters of gases per second were obtained at a temperature of 1000°C. When choosing a partial oxidation channel diameter of 0.85 m and an oxidation chamber length of 6 m, the residence time of particles in the oxidation chamber
- 7 044898 составляло 7,9 с, что превышает теоретическое время сгорания частицы угля максимального размера.- 7 044898 was 7.9 s, which exceeds the theoretical combustion time of a coal particle of maximum size.
Состав газов (сухих) при режиме с максимальным выходом водорода составил в среднем в об.%:The composition of gases (dry) in the mode with maximum hydrogen yield was on average in vol.%:
Н2 - 52,3; N2 - 10,0; СО - 12,4; СО2 - 25,3.H2 - 52.3; N2 - 10.0; CO - 12.4; CO2 - 25.3.
Расход кислорода на 1 т сухого угля составил 300 м3/ч, расход пара на 1 т сухого угля составилThe oxygen consumption per 1 ton of dry coal was 300 m 3 /h, the steam consumption per 1 ton of dry coal was
370-430 кг.370-430 kg.
Из источника сведений [4, с. 31], раскрывающего установку по прототипу согласно технологии Шелл-Копперс, известны следующие средние показатели, %: Н2 - 25,6; СО - 65,6; СО2 - 0,8; СН4 - 8,0.From the source of information [4, p. 31], revealing a prototype installation according to Shell-Coppers technology, the following average values are known, %: H 2 - 25.6; CO - 65.6; CO 2 - 0.8; CH 4 - 8.0.
Расход кислорода составил 644 м3 на тонну сухого угля, а расход пара только около 100 кг на тонну сухого угля. Очевидно, что показатели выхода водорода по предлагаемым способу и устройству в 2 раза выше, чем у прототипа, расход кислорода в 2 раза меньше, а температура процесса ниже - 1100°С, по сравнению с прототипом, в котором процесс идет при температуре 1400-1600°С. В заявляемом устройстве практически в 4 раза больше расход водяного пара, но повышенный выход водорода как раз и определяется за счет разложения воды.The oxygen consumption was 644 m 3 per ton of dry coal, and the steam consumption was only about 100 kg per ton of dry coal. It is obvious that the hydrogen yield according to the proposed method and device is 2 times higher than that of the prototype, the oxygen consumption is 2 times less, and the process temperature is lower - 1100 ° C, compared to the prototype, in which the process occurs at a temperature of 1400-1600 °C. In the claimed device, the consumption of water vapor is almost 4 times greater, but the increased yield of hydrogen is precisely determined by the decomposition of water.
Приведенный пример конкретной реализации заявляемого способа и устройства для его реализации показывает, что в установке по заявляемому газогенератору, полученные результаты по выходу водорода значительно превышают показатели по выходу водорода по сравнению с прототипом. При этом общий расход водяного пара на парциальное окисление угля составляет 370-430 кг на 1 т угля. Расход кислорода составил 300 м3/т угля. Общий выход водорода составил около 65 кг/ч, в то время как в прототипе около 32 кг/ч.The given example of a specific implementation of the proposed method and a device for its implementation shows that in the installation according to the claimed gas generator, the results obtained for the yield of hydrogen significantly exceed the indicators for the yield of hydrogen compared to the prototype. In this case, the total consumption of water vapor for the partial oxidation of coal is 370-430 kg per 1 ton of coal. Oxygen consumption was 300 m 3 /t of coal. The total hydrogen yield was about 65 kg/h, while in the prototype it was about 32 kg/h.
Заявляемое изобретение может найти широкое применение для газификации углеродсодержащего сырья, в связи с обеспечением эффективной газификации в параллельном потоке углеродсодержащего сырья, такого как уголь, бурый уголь, торф, древесина, кокс, сажа или другие виды газообразного, жидкого или твердого топлива, или их смесей с целью получения генераторного газа с максимально высоким содержанием водорода. При этом требуемые параметры получаемого газа легко регулируются изменением расходов кислорода, пара, газифицируемого сырья и мощностью встроенной горелки.The claimed invention can find wide application for the gasification of carbon-containing raw materials, in connection with ensuring effective gasification in a parallel flow of carbon-containing raw materials, such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other types of gaseous, liquid or solid fuels, or mixtures thereof in order to obtain generator gas with the highest possible hydrogen content. In this case, the required parameters of the resulting gas are easily regulated by changing the consumption of oxygen, steam, gasified raw materials and the power of the built-in burner.
Газогенератор может быть использован в химической, углехимической и нефтехимической промышленностях (аммиак, метанол, синтетические топлива и т.д.), коксогазовой, энергетической и других смежных отраслях промышленности для переработки углеродсодержащего сырья с получением энергетических и технологических газов. Высокое содержание водорода в технических газах, получаемых в заявленном устройстве позволит с высокой эффективностью проводить на нефтеперерабатывающих заводах утилизацию тяжелых нефтяных остатков, с получением высококачественных моторных топлив, а для углехимической промышленности заявляемое устройство может стать основным базовым устройством для химической переработки углей. Такое устройство одинаково важно, как для переработки углей методом гидрогенизации, так и для получения из углей синтез-газа.The gas generator can be used in the chemical, coal chemical and petrochemical industries (ammonia, methanol, synthetic fuels, etc.), coke and gas, energy and other related industries for processing carbon-containing raw materials to produce energy and process gases. The high hydrogen content in the technical gases obtained in the claimed device will allow the recycling of heavy oil residues at oil refineries to be carried out with high efficiency, producing high-quality motor fuels, and for the coal chemical industry, the claimed device can become the main basic device for the chemical processing of coal. Such a device is equally important both for processing coal by hydrogenation and for producing synthesis gas from coal.
Список литературы.Bibliography.
1. Алешина А.С., Сергеев В.В. Газификация твердого топлива: учеб. пособие. - СПб.: изд-во Политехн. ун-та, 2010. - 202 с.1. Aleshina A.S., Sergeev V.V. Gasification of solid fuel: textbook. allowance. - St. Petersburg: Polytechnic Publishing House. University, 2010. - 202 p.
2. Рамбуш Н.Э. Газогенераторы. - М.-Л.: ГОНТИ, 1939. - 413 с. (перевод с англ.).2. Rambush N.E. Gas generators. - M.-L.: GONTI, 1939. - 413 p. (translation from English).
3. Померанцев В.В., Арефьев К.В. и др. Основы практической теории горения: учебное пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 312 с.3. Pomerantsev V.V., Arefiev K.V. and others. Fundamentals of the practical theory of combustion: a textbook for universities. - L.: Energoatomizdat, 1986. - 312 p.
4. Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. Газификация угля. - М.: Недра, 1986. - 175 с.4. Schilling G.-D., Bonn B., Kraus U. Gasification of coal. - M.: Nedra, 1986. - 175 p.
Перечень ссылочных обозначений.List of reference designations.
- Корпус;- Frame;
- камера окисления;- oxidation chamber;
- крышка газогенератора;- gas generator cover;
- горелочное устройство;- burner device;
- патрубок подвода кислорода;- oxygen supply pipe;
- патрубок подвода смеси водяного пара и углеродсодержащего сырья;- pipe for supplying a mixture of water vapor and carbon-containing raw materials;
- встроенная диффузионная горелка;- built-in diffusion burner;
- труба для отвода генераторных газов;- pipe for removal of generator gases;
- канал парциального окисления;- channel of partial oxidation;
- теплоизоляция канала окисления;- thermal insulation of the oxidation channel;
- камера шлакоудаления;- slag removal chamber;
- нижний коллектор пара;- lower steam collector;
- опускные трубы;- down pipes;
- верхний коллектор пара;- upper steam collector;
- отверстия подачи пара в коллекторе;- steam supply holes in the manifold;
- канал подачи воздуха;- air supply channel;
- канал подачи топлива;- fuel supply channel;
- электроды розжига;- ignition electrodes;
- диффузор смешения;- mixing diffuser;
- канал подачи кислорода;- oxygen supply channel;
--
Claims (12)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020118732 | 2020-06-05 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA044898B1 true EA044898B1 (en) | 2023-10-10 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1348011B1 (en) | Multi-faceted gasifier and related methods | |
| US9051522B2 (en) | Gasification reactor | |
| CA1190046A (en) | Partial oxidation burner | |
| US5620487A (en) | High performance, multi-stage, pressurized, airblown, entrained flow coal gasifier system | |
| US20110078951A1 (en) | Two-stage high-temperature preheated steam gasifier | |
| EP1993368B1 (en) | Apparatus and method for controlling the gas composition produced during the gasification of carbon containing feeds | |
| US2554263A (en) | Gasification of carbonaceous solids | |
| JP2012522870A (en) | Two-stage dry feed gasifier and method | |
| JP5130459B2 (en) | Operation method of coal pyrolysis gasifier | |
| RU2744602C1 (en) | Method for gasification of carbon-containing raw materials and device for its implementation | |
| US5372618A (en) | Temperature measuring device for a gasifier | |
| US5425791A (en) | Circular slag tap for a gasifier | |
| JP5827511B2 (en) | Coal gas production method and methane production method | |
| EA044898B1 (en) | METHOD FOR GASIFICATION OF CARBON-CONTAINING RAW MATERIALS AND GAS GENERATOR FOR ITS IMPLEMENTATION | |
| KR20140080453A (en) | Circulating Fluidized Bed Gasifier Equipped with Heat Exchanger Therein | |
| JP3904161B2 (en) | Method and apparatus for producing hydrogen / carbon monoxide mixed gas | |
| US20210207047A1 (en) | Pulse detonation shockwave gasifier | |
| RU2764686C1 (en) | Device for producing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide and nitrogen | |
| JP4029223B2 (en) | Coal gasifier and control method thereof | |
| JPS6142759B2 (en) | ||
| Litvinenko et al. | Fundamentals of Gasification and Gasifiers | |
| WO2011129302A1 (en) | Coal gasification furnace | |
| EP0258943B1 (en) | Process and apparatus for the preparation of synthesis gas | |
| AU2002230588B2 (en) | Multi-faceted gasifier and related methods | |
| WO2022126019A2 (en) | Pulse detonation shockwave gasifier |