PL101540B1 - A method of producing lean gas by gasifying coal at increased pressure - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania gazu slabego przez zgazowanie wegla pod cisnieniem od do 150X 10s Pa w reaktorze cisnieniowym z chlodzonym woda plaszczem, w którego górnej czesci znajduje sie urzadzenie do wprowadzania zgazowywanego paliwa, a w dolnej czesci ruszt obrotowy, przy uzyciu gazów zawie¬ rajacych wolny tlen, pare wodna i inne czynniki zgazowujace, wprowadzanych w przeciwpradzie do wegla i od¬ prowadzenie wyprodukowanego gazu z szybu reakcyjnego w temperaturze 350—800°C i stosowanie wytworzonej przy tym pary plaszczowej jako czynnika zgazowujacego. Wprowadzanie stalego paliwa do przestrzeni reakcyj¬ nych, pozostajacych pod zwiekszonym cisnieniem i usuwanie z nich niepalnych pozostalosci nastepuje przez znane sluzy.

Zgazowanie pod cisnieniem stalych paliw jak wegiel kamienny, wegiel brunatny i torf jest znane od kilkudziesieciu lat. Szczególy metody i reaktora do zgazowania opisane sa np. w opisie patentowym St.Zjedn.Ameryki nr 2667409, opisie patentowym RFN nr 1021116, jak równiez w opisach ogloszeniowych RFN DOS nr 2346833, 2351963, 2352900 i 2353241. W swiecie fachowym tego rodzaju reaktory do zgazowania znane sa jako „generatory cisnieniowe systemu LURGI". Zgazowanie pod cisnieniem stalych paliw, jako metoda sprawdzona w skali przemyslowej, nabiera znaczenia w obliczu malejacych zasobów energii, zwlaszcza w dziedzi¬ nie rezerw paliw plynnych i gazowych. Gaz wytwarzany z paliw stalych z zastosowaniem technicznie czystego tlenu i pary wodnej jako czynnika zgazowujacego, sklada sie glównie z wodoru, tlenków wegla i metanu i z tego wzgledu moze byc stosowany jako produkt wyjsciowy dla róznych syntez. Mozliwe jest równiez wytwarzanie z gazów zawierajacych wolny tlen jak powietrze lub powietrze wzbogacone w tlen, w mieszaninie z przegrzana para wodna tzw. slabego gazu, posiadajacego stosunkowo niska wartosc opalowa 5016-8360 kJ/m3 w prze¬ liczeniu na gaz suchy, nadajacego sie szczególnie dla celów grzejnych, ale równiez do stosowania w silowniach w kombinowanym systemie turbiny gazowe/turbiny parowe.

Celem wynalazku jest opracowanie takich Warunkówprowadzenia procesu zgazowania, w których mozliwy jest w znacznym stopniu niezaklócony i elastyczny z punktu widzenia wydajnosci przebieg procesu wytwarzania gazu slabego.2 101 540 Sposób wedlug wynalazku polega na tym, ze na kazdy 1 m3 wolnego tlenu zawartego w czynniku zgazowu- jacym dodaje sie 1,5-3,5 kg pary wodnej, przy czym wegiel w kawalkach do zgazowywania zawiera 70% ziarna o najwiekszej srednicy wynoszacej 2-30 mm, a reszte o uziarnieniu ponizej 2 mm, czesc balastowa skladajaca sie z popiolu wynosi co najmniej 15%, przy czym skladniki popiolu wystepuja w uziarnieniu 2-30 mm, ze utworzony w procesie zgazowania popiól usuwa sie z szybu reakcyjnego w temperaturach powyzej 250°C i ze zawartosc azotu w wytworzonym suchym gazie nie przekracza 50%.

Jesli zgazowywany wegiel posiadalby mniejsza zawartosc substancji mineralnych nie ulegajacych zgazowa- niu, np. mniej niz 10%, mozna usuniet^juz z reaktora popiól po zmieszaniu z weglem wprowadzic ponownie do szybureakcyjnego. - Przy przejsciu przez komore reakcyjna' generatora cisnieniowego paliwo przechodzi przez szereg stref.

Najpierw zostaje ono wysuszone, a nastepnie odgazowane w strefie wytlewania, zanim dostanie sie do strefy zgazowania, gdzie przebiega glówna czesc reakcji endotermicznych. W koncu, w strefie spalania reszta paliwa reaguje w znacznym stopniu z wolnym tlenem zawartym w czynniku zgazowujacym, przy czym niepalna pozosta¬ losc zostaje w postaci popiolu. Popiól ten zanim zostanie usuniety przez sluze z generatora cisnieniowego, oddaje czesc swego ciepla czynnikowi zgazowujacemu wplywajacemu do przestrzeni reakcyjnej, co jest ko¬ rzystne ze wzgledu na ekonomiczne wykorzystanie ciepla.

Doswiadczenia wykazaly, ze celowe jest takie ustalanie skladu czynnika zgazowujacego, ze maksymalne temperatury w przestrzeni reakcyjnej sa nizsze od temperatury topnienia popiolu.

Gaz surowy z procesu zgazowania cisnieniowego stalych paliw zawiera obok stale wystepujacych gazów, jak tlenki wegla, wodór, metan i azot, przede wszystkim pare wodna.

Zawartosc azotu zalezy w sposób istotny od stezenia tlenu dodawanego do czynnika zgazowujacego i sto¬ sunku pary wodnej do tlenu. Oprócz tego gaz zawiera szereg innych substancji w mniejszych ilosciach, jak skraplajace sie weglowodory, zwlaszcza smoly o róznych temperaturach wrzenia. Wydzielaja sie one razem z wodnym kondensatem, przy dalszej obróbce gazu surowego w trakcie jego oczyszczania. Przerób takiego kon¬ densatu, zawierajacego nie tylko weglowodory lecz równiez miedzy innymi fenole, kwasy tluszczowe i amoniak, zwiazany jest ze znacznymi kosztami.

Gazy wytwarzane w zbudowanych dotychczas instalacjach do cisnieniowego zgazowania, wszystkie posia¬ daja dolna wartosc opalowa lezaca w zakresie 8360—20900 kJ/m3, Gazy slabe-o dolnej wartosci opalowej ponizej'. 8360 kJ/m3, jak np. gazy stosowane w procesach redukcji lub do bezposredniego wytwarzania energii w silowniach przykladowo w kombinowanym procesie turbiny gazo¬ we/turbiny parowe, znajduja popyt dopiero w ostatnich latach.

Celem wynalazku jest wytwarzanie w sposób ekonomiczny slabego gazu o jakosci wystarczajacej zarówne z punktu widzenia wlasnosci palnych, jak równiez wymaganej tzw. czystosci maszynowej, przez zgazowanie stalych paliw pod zwiekszonym cisnieniem.

Zadanie to zostalo osiagniete w ten sposób, ze do czynnika zgazowujacego dodaje sie wolny tlen w postaci powietrza. Aby zawartosc azotu w wytworzonym gazie surowym nie przekraczala 50%, dodatek pary do powie¬ trza stosowanego do zgazowania nalezy ustalic w zaleznosci od reaktywnosci paliwa stalego utopliwosci* jego popiolu w zakresie 1,5-6,0 kg/m3 wolnego tlenu, korzystnie 1,5-3,5 kg/m3 wolnego tlenu.

Pare plaszczowa, stanowiaca czesc pary stosowanej do zgazowania, przed zmieszaniem z powietrzem uzy¬ wanym do zgazowania> kieruje sie najpierw przez komory chlodzace ruszt, dzieki czemu ulega ona osuszeniu i przegrzaniu. Jednoczesnie chroni ona ruszt przed przegrzaniem.

Paliwo w kawalkach kierowane do zgazowania powinno korzystnie posiadac 70% uziarnienia w zakresie 2—30 mm. Reszta paliwa moze posiadac uziarnienie ponizej 2 mm. Zawartosc balastu, rozumianego jako woda i popiól, winna wynosic co najmniej 15%, przy czym skladniki mineralne obejmujace popiól obcy, winny stanowic powyzej 10%.

Popiól utworzony w procesie zgazowania usuwa sie korzystnie wtemperaturach lezacych 20—30°C powy¬ zej temperatury mieszania czynnika zgazowujacego. Wytworzony gaz surowy opuszcza szyb reakcyjny w tempe¬ raturze powyzej 350°C.

Surowy gaz oczyszcza sie nastepnie, przy czym chlodzi sie go do stanu calkowitego nasycenia para wodna.

W procesie oczyszczania usuwa sie tak dalece drobnoziarniste do pylistych czastki paliwa i/lub popiolu, porwane przez surowy gaz z szybu reakcyjnego, wystepujace w ilosci ok, 10 g/m3 gazu surowego, ze gaz osiaga tzw. czystosc maszynowa i np. moze byc stosowany jako gaz palny do wytwarzania energii w kombinowanym proce¬ sie turbiny gazowe/turbiny parowe. Zawartosc pylu w oczyszczonym gazie powinna wynosic ponizej 10 mg/m3, korzystnie 1—4 mg/m3. Czystosc maszynowa osiaga sie np. przez jedno- lub wielostopniowe intensywne mycie, przy czym ostatni stopien mycia prowadzi sie przy uzyciu stosunkowo czystej, wody, np. zmiekczanej, doprowa-101540 3 dzanej z zewnatrz swiezej wody. Wszystkie pozostale stopnie mycia prowadzi sie przy uzyciu wody pogazowej z wlasnego procesu. Pierwszy stopien mycia mozna prowadzic w temperaturach wyjsciowych gazu surowego z szybu reakcyjnego powyzej 500°C, juz w górnej- nie zawierajacej paliwa czesci szybu reaktora.

Wszystkie dodatkowe, stykajace sie z gazem ciecze myjace, oddzielane sa w aparaturze rozdzielczej. Tam dziela sie one na wysokowrzaca faze zawierajaca weglowodory, nizej wrzaca faze zawierajaca weglowodory i faze wodna.

Okazalo sie, ze wszystkie porwane przez strumien gazu drobnoziarniste wzglednie pyliste czastki paliwa lub popiolu oddzielaja sie w wysokowrzacych weglowodorach, a nizej wrzace weglowodory i woda pogazowa sa praktycznie wolne od pylu.

Mieszanine pylu i weglowodorów zawraca sie do szybu reakcyjnego generatora i tam po zmieszaniu ze swiezym paliwem krakuje wzglednie zgazowuje.

Wolne od pylu weglowodory mozna zawrócic do szybu reakcyjnego albo do krakowania wzglednie zgazo- wania, albo skierowac na etap mycia jako dodatkowa ciecz myjaca, lub np. przerabiac dalej poza wlasciwym procesem w trakcie destylacji smoly. Wode pogazowa podaje sie prawie calkowicie do odpowiednich stopni mycia jako ciecz myjaca.

Dla zapewnienia warunków izotermicznych w koncowych stopniach mycia konieczne jest ogrzewanie do¬ prowadzanych cieczy myjacych, zarówno wody pogazowej jak równiez wody obcej, co najmniej do temperatury nasycenia pary zawartej w gazie przed wejsciem do pluczki. Korzystnie ich temperatura wejsciowa powinna byc do 30°C wyzsza od temperatury nasycenia. Osiaga sie to przez wymiane ciepla miedzy odprowadzanymi kon¬ densatami z gazu i cieczami myjacymi oraz przez bezposrednie podgrzewanie para wodna cieczy myjacych.

Pewna, mala czesc obiegowej wody pogazowej, korzystnie 1—2% odprowadza sie z obiegu w sposób cia¬ gly, aby zapobiec nagromadzaniu sie niepozadanych zanieczyszczen, np. chlorku sodowego. Te czesc zateza sie przez odparowanie, wykorzystujac ze wzgledów ekonomicznych cieplo powstajacych przy tym par. Pozostalosc po odparowaniu mozna przefiltrowac w celu usuniecia z procesu krystalizujacych soli. Mozna równiez te wode wdmuchiwac dyszami do paleniska, odparowac i odprowadzic przez komin.

Eksploatacja wykazala, ze przy wlasciwym doborze stosunku pary do tlenu stopien rozkladu w procesie zgazowania przekracza 65% i dla nasycenia gazu trzeba do procesu doprowadzac wode obca z zewnatrz.

Z wyjatkiem usuwania soli nie odprowadza sie na zewnatrz zadnej wody pogazowej. Eksploatacja wykazala równiez, ze jesli chodzi o weglowodory wydzielone w aparaturze do oddzielania kondensatu z gazu, których uzysk wskutek zmiany ich ilosci zawracanych do przestrzeni reakcyjnej generatora, moze byc dodatni lub ujemny tzn., ze przy dodatniej produkcji netto weglowodory odprowadza sie z procesu do innego zastosowania albo w przypadku ujemnej produkcji netto mozna doprowadzac z zewnatrz do procesu obce weglowodory m.in. równiez zuzyte oleje, melase i szereg innych, dla utrzymania zdolnosci do pompowania zawracanej mieszaniny weglowodorów i pylu.

Eksploatacja wykazala dalej, ze pochodzace z procesu skladniki drobnoziarniste do pylistych w zawracanej mieszaninie weglowodorów i pylu mozna mieszac równiez z drobnoziarnistymi wzglednie pylistymi materialami typu organicznego pochodzenia obcego jak mial weglowy, maczka drzewna, sadza itp., do granicy zdolnosci mieszaniny do pompowania. , Na rysunku przedstawiono schematycznie przyklad prowadzenia procesu sposobem wedlug wynalazku.

Do znanego, nie pokazanego z tego wzgledu w szczególach reaktora 21 do cisnieniowego zgazowania wegla z przewodu 1; doprowadza sie od dolu przez ruszt obrotowy 22 mieszanine czynników zgazowujacyeh 6, która dostaje sie do zgazowywanego zloza powyzej rusztu obrotowego. Mieszanina czynników zgazowujacych sklada sie z powietrza doprowadzanego przewodem 3, obcej pary wodnej z przewodu 4 i pary wodnej z przewodu 5, wytworzonej w plaszczu chlodzacym reaktora cisnieniowego. Pare wodna z przewodu 5 okresla sie równiez krótkojako pare plaszczowa. Do strefy zgazowania reaktora 21 wprowadza sie równiez przewodem 7 mieszanine smoly i pylu.

Wytworzony w reaktorze 21 gaz przeplywa w kierunku pokazanym przerywana strzalka przez szereg stop¬ ni myjacych, w których ulega on równiez pewnemu ochlodzeniu. W pierwszym stopniu myjacym 23 gaz zraszany jest smola z przewodu 8 i woda pogazowa 9a. W drugim stopniu myjacym 24 zachodzi dalsza obróbka gazu wod% pogazowa z przewodu 9b. Ostateczne oczyszczenie nastepuje w trzecim stopniu myjacym przy pomocy obcej 4 wody myjacej z przewodu 13a. Przemyty gaz odprowadza sie przewodem 15 do dalszego zastosowania.

Uzyte ciecze myjace ze stopni 23 i 24 laczy sie razem i przewodem 16 kieruje razem z woda myjaca zeJ stopnia myjacego 25 do aparatury rozdzielczej 26 dla mieszanin cieczy. Ta aparatura rozdzielcza 26 rozdziela rózne skladniki cieczy na zasadzie sily ciezkosci. Woda pogazowa o najnizszym ciezarze wlasciwym przesylana jest za pomoca pompy 29 przewodem 29a do wymiennika ciepla 30a, a stamtad przez podgrzewacz pary 3Ib do 44 101540 przewodów 9a i 9b. Do podgrzewacza pary 3Ib doprowadza sie przewodem 17a pare wodna. Jesli to jest konieczne, mozna do zawracanej przewodem 29a wody pogazowej dodawac jeszcze przewodem 14 równiez wodorotlenek sodowy w celu zobojetnienia.

Z aparatury rozdzielczej 26 odbiera sie przewodem 8 za pomoca pompy 28 smole i zawraca do pierwszego stopnia myjacego 23. Nadmiar smoly usuwa sie przewodem 12.

Mieszanine smoly i pylu zbierajacego sie na dnie aparatury rozdzielczej 26 usuwa sie za pomoca pompy 27 przewodem 7 i kieruje ponownie do reaktora do cisnieniowego zgazowania. Do tej zawracanej mieszaniny smoly i pylu mozna w razie potrzeby dodawac jeszcze przewodem 11 pyl obcy. Do przewodu 8 moze byc tak samo wlaczony jeszcze przewód 10 doprowadzajacy obca smole.

Gorace gazy i pary opuszczajace aparature rozdzielcza 26 prowadzi sie przez wymiennik ciepla 30b ogrze¬ wajac w ten sposób wode z przewodu 13. Ogrzana wode doprowadza sie najpierw do podgrzewacza pary 3la, który z przewodu 17b otrzymuje jeszcze pare wodna. Ogrzana wode myjaca kieruje sie przewodem 13a do wykorzystania w trzecim stopniu myjacym 25.

Przyklad I. Do generatora cisnieniowego o srednicy szybu 3,4 m, pracujacego pod cisnieniem 20X105 Pa, wprowadzano przez sluze 12 t/godz. wegla, zawierajacego 5% wag. skladników mineralnych nie ule¬ gajacych zgazowaniu. 80% tego wegla posiadalo uziarnienie w przedziale 3—30 mm, a ilosc ziarna ponizej 3 mm wynosila 20%. Do generatora cisnieniowego zawracano 1000 kg/godz. mieszaniny smoly i pylu. Zasilanie powie¬ trzem do zgazowania wynosilo 25000 m3/godz. przy stosunku pary do powietrza wynoszacym 0,6 kg/m3. Tem¬ peratury gazu przy wyjsciu z generatora wahaly sie miedzy 600°C i 650°C. Analiza ruchowa wykazywala naste¬ pujacy sredni sklad gazu: C02 +H2S = 15,8% obj. 02 = 0,3% obj.

H2 = 14,4% obj.

N2 = 55,1% obj.

CO = 11,3% obj.

CH4 = 2,7% obj.

CnHm = 0,4% obj.

Stopien rozkladu pary 77 wynosil ponizej 45%. Wytworzony w tych warunkach gaz posiada jakosc niewy¬ starczajaca dla stosowania w kombinowanym procesie turbiny gazowe/turbiny parowe. Emisja pylu z gazem surowym byla stosunkowo duza co spowodowalo, ze zawartosc pylu w zawracanej smole wzrosla szybko do 45%, powodujac niezdatnosc smoly do pompowania. Po niewielu dniach pracy, mimo rozcienczania zawracanej smoly smola obca, musiano z tego powodu proces zgazowania przerwac.

Przyklad II. Taki sam generator pracowal w analogicznych warunkach, jak podano w przykladzie I.

Zgazowywany wegiel pochodzil z tego samego zloza. Zawartosc czesci mineralnych nie ulegajacych zgazowaniu wynosila jednakze powyzej 20% wag. 70% tego wegla posiadalo uziarnienie w zakresie 3—30 mm, ilosc ziarna ponizej 3 mm wynosila 30% wag. Wprowadzano równiez 12 t wegla do zgazowania, ale zawracano do generatora tylko 800 kg/godz. mieszaniny smoly i pylu. Przy takim samym zasilaniu powietrzem do zgazowania, stosunek pary do powietrza wynosil tylko 0,35 kg/m3. Temperatury gazu przy wyjsciu z generatora byly na ogól nizsze, Wahaly sie one miedzy 520°C i 550°C. Przecietny sklad gazu z tak prowadzonego procesu przedstawial sie nastepujaco: C02 +H2S = 14,4% obj. 02 = 0,0% obj.

H2 = 22,7% obj.

N2 = 41,0% obj.

CO = 17,1% obj.

CH4 = 4,2% obj.

CnHm = 0,6%qbj.

Wyniki analizy gazu w przykladzie II wykazuja korzystny wzrost palnych skladników gazu, co oznacza jednoczesnie wyzsza wartosc opalowa wytworzonego gazu. Stopien rozkladu pary wzrósl powyzej 60%. Emisja pylu z gazem surowym byla mniejsza, tak, ze zawartosc pylu w zawracanej smole nie przekraczala 30% i nie wymagala ona rozcienczania w celu utrzymania zdolnosci do pompowania. Proces zgazowania mozna bylo prawidlowo prowadzic przez szereg miesiecy. W ciagu tego calego czasu wytworzony gaz zuzywano z powodze¬ niem w kombinowanym procesie turbiny gazowe/turbiny parowe.101540 5

Claims (3)

Zastrzezenia patentowe

1. Sposób wytwarzania gazu slabego przez zgazowanie wegla pod cisnieniem 5-150X105 Pa w reaktorze cisnieniowym z plaszczem chlodzony woda, w którego górnej czesci znajduje sie urzadzenie do wprowadzania zgazowywanego paliwa, a w dolnej czesci ruszt obrotowy, przy uzyciu gazów zawierajacych wolny tlen, pare wodna i inne czynniki zgazowujace wprowadzanych do przestrzeni reakcyjnej w przeciwpradzie do wegla i odpro¬ wadzenie wyprodukowanego gazu z szybu reakcyjnego w temperaturze 350-800°C i stosowanie wytworzonej przy tym pary plaszczowej jako czynnika zgazowujacego, znamienny tym, ze na kazdy 1 m3 wolnego tlenu w czynniku zgazowujacym dodaje sie 1,5-3,5 kg pary wodnej, przy czym wegiel w kawalkach do zgazowa- nia zawiera 70% ziarna o najwiekszej srednicy wynoszacej 2-30 mm, a reszte o uziarnieniu ponizej 2 mm, czesc balastowa skladajaca sie z popiolu, wynosi co najmniej 15%, przy czym skladniki popiolu wystepuja w uziarnie- n1' 2—30 mm, ze utworzony w procesie zgazowania popiól usuwa sie z szybu reakcyjnego w temperaturach powyzej 250°C i zawartosc azotu w wytworzonym suchym gazie nie przekracza 50%.

2. ^2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze zawartosc mineralnych skladników balastowych ustala sie przez zawrót popiolu utworzonego w procesie zgazowywania.

3. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny t y m, ze ustala sie sklad czynnika zgazowujacego tak, ze zawartosc azotu w wytworzonym gazie wynosi 25-50%. 3 4V7