PL129958B1 - Method of coal gasification - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zgazowy- wania wegla, zwlaszcza sposób, w którym wegiel gazyfikuje sie w kapieli stopionego zelaza przez wtryskiwanie zródla wegla ponizej powierzchni ka¬ pieli.Znany jest szereg sposobów zgazowywania wegla w kapieli ze stopionego zelaza; np. znany jest spo¬ sób wytwarzania zwiazków weglowodorowych z wegla (C) w postaci wegla kopalnego, zawieraja¬ cego pewna ilosc wody, weglowodorów d/lub zwiaz¬ ków weglowodorów. Zgodnie z tym sposobem, wegiel wtryskuje sie do stopionej kapieli w nad¬ miarze stechiometrycznym w stosunku do tlenu zawartego w stopionej kapieli w postaci zwiazków tlenowych wraz ze srodkiem chlodzacym. Srodek chlodzacy korzystnie sklada sie z tlenków zelaza w postaci koncentratu rudy zelaza gdy stopiona kapiel stanowi stopione zelazo, przy czym, zelazo w tym samym sposobie ulega redukcji.Dodaje sie takze zwiazki tworzace zuzel, takie jak CaO.Cieplo potrzebne do redukcji tlenków zelaza po¬ bierane jest ze spalania wtryskiwanego wegla i tle¬ nu, przy czym powstaja duze ilosci tlenku wegla i gazowego wodoru.W opisanym sposobie proces wytwarzania su¬ rówki polaczony jest z procesem gazyfikacji wegla, dzieki czemu uzyskuje sie wielkie korzysci, zwla¬ szcza ekonomiczne.Na podstawie prób prowadzonych w opisanym 10 15 20 25 10 sposobie stwierdzono jednak, ze gdy wegiel gazyfi¬ kuje sie w kapieli ze stopionego zelaza, powstaje wiele trudnosci. Sa one tego rodzaju, ze nie mozna bez ich przezwyciezenia zaadaptowac procesu do skali produkcyjnej. Trudnosci te wynikaja w za¬ sadzie tylko z wytwarzania duzej ilosci gazu w jednostce czasu w stosunku do rozmiarów reaktora, w którym przebiega reakcja.Problemami, które nalezalo rozwiazac sa: uzys¬ kanie wysokiej produkcji gazu, unikniecie znacz¬ nego zuzycia wykladziny, ustalenie dobrego bilan¬ su cieplnego i zminimalizowanie powstawania py¬ lów.Jezeli chodzi o trudnosci uzyskania wysokiej pro¬ dukcji gazu, jest to zwiazane z rozmiarem reak¬ tora.Reagenty korzystnie dostarcza sie za pomoca pneumatycznego ukladu wtryskowego, który doko¬ nuje wtrysku w dennej czesci reaktora. W pro¬ cesie, w którym gaz i sproszkowany wegiel wtry¬ skuje sie do kapieli ze stopionego zelaza, maksy¬ malny przeplyw wtryskiwanego materialu okresla sie zdolnoscia ukladu do gromadzenia gazu. Tle¬ nek wegla i gazowy weglowodór powstaja w wiek¬ szej lub mniejszej ilosci natychmiast po wtrysku i dlatego zwiekszaja przeplyw gazu, który ulega dezintegracji na male pecherzyki unoszace sie ku powierzchni kapieli. Wysokosc powstajacej kolumny pecherzyków wzrasta ze wzrostem dostarczania do uk¬ ladu reaktywnych skladników.W przypadku kapieli 129 95812»95» ze stopionego zelaza pokrytej zuzlem, wytworzony gaz musi przejsc przez stopiony metal i zuzel, na skutek czego zarówno metal jak i zuzel zwiekszaja swoja wysokosc w porównaniu z ich minimalna wysokoscia, to jest gdy nie wydziela sie gaz. Przy okreslonym wtryskiwaniu przeplyw mieszaniny metalu, zuzla i gazu osiaga górna krawedz reak¬ tora i metal z zuzlem przelewaja sie. Gdy ma to miejsce, mozna powiedziec, ze osiagnieta zostaje górna granica hydrodynamiczna ukladu.Jesli chodzi o zuzywanie sie wykladziny, jest to scisle zwiazane z duza produkcja gazu.Reaktor, w którym utrzymuje sie kapiel ze sto¬ pionego zelaza, wylozony jest jednym lub czesto kilkoma materialami ceramicznymi, stanowiacymi izolacje. Przy zetknieciu z metalem i zuzlem, ma¬ terial ceramiczny ulega zuzyciu, którego mecha¬ nizm mozna zasadniczo podzielic na rozklad che¬ miczny, erozje i odlupywanie sie pod wplywem ciepla.W procesie opisywanym tutaj erozja jest bardzo istotna i udowodniono, ze jest ona bezposrednio zwiazana z objetosciowym przeplywem gazu przez zbiornik reaktora. Powodem tego jest wysokie wy¬ dzielanie sie gazu, to znaczy, ze duzy przeplyw objetosciowy powoduje wymuszone mieszanie ka¬ pieli.Gazyfikacja wegla do CO i H2 dostarcza do ukladu energie cieplna, podczas gdy rozpad tlen¬ ków zelaza jest reakcja endotermiczna. Pozadane jest jednak wytwarzanie w zbiorniku reaktora stosunkowo duzej ilosci surówki, gdyz powoduje to przede wszystkim korzystne przeksztalcenie kapieli ze stopionego zelaza.Duze wytwarzanie surówki jest korzystne czes¬ ciowo ze wzgledu na to, ze kapiel ze stopniowego zelaza absorbuje zanieczyszczenia z wtryskiwanego zródla wegla a czesciowo dlatego, ze stosunkowo duze wytwarzanie surówki jest wstepnym warun¬ kiem uczynienia procesu ekonomicznym.Konieczny wklad energii cieplnej reakcji gazyfi¬ kacji wegla jest jednak tak duzy, ze w porównaniu z objetoscia kapieli nalezy gazyfikowac duze ilosci zródja wegla, aby uczynic mozliwa redukcje ko¬ niecznych tlenków zelaza. Tak wiec trzy wyzej wymienione trudnosci mozna by rozwiazac, gdyby mozna utrzymac wysokie wytwarzanie gazu w stosunku do objetosci kapieli.Wielka i niekiedy decydujaca trudnoscia w pro¬ cesie gazyfikacji zródel wegla jest powstawanie pylu. Od dawna wiadomo, ze duze ilosci zelaza uchodza, gdy do zawierajacej wegiel kapieli ze stopionego metalu wtryskuje sie tlen. W przy¬ padku wtryskiwania przy wierzcholku reaktora, w tak zwanym procesie LD, powstawanie wiek¬ szosci pylu mozna wyjasnic za pomoca tak zwa¬ nej teorii pekania pecherzyków. Kiedy jednak tlen wtryskuje sie w czesci dennej reaktora albo z boku, stwierdzono, ze zelazo odparowuje na powierzchniach granicy faz pomiedzy metalem a gazem, na skutek duzego wzrostu temperatury w wyniku reakcji pomiedzy wtryskiwanym tlenem a wegleni. Odparowywanie zelaza nastepuje na po¬ wierzchniach granicy faz, które nie sa pokryte tlenkiem zelaza.Wszystkie powyzsze trudnosci sa eliminowane lub znacznie zmniejszane w sposobie wedjug wy¬ nalazku.Sposób wedlug wynalazku dotyczy sposobu zga- 5 zowywania wegla w postaci wegla, weglowodorów lub zwiazków weglowodorów, obejmujacy wtryski¬ wanie do reaktora, zawierajacego kapiel ze stopio¬ nego zelaza, ponizej powierzchni kapieli, zródla wegla, tlenu i tlenków zelaza, przy czym tlenk;i ze- 10 laza stanowia srodek chlodzacy i maja ulegac re¬ dukcji, a wegiel wprowadza sie w nadmiarze ste- chiometrycznym w stosunku do tlenu zawartego w kapieli w postaci tlenków, zas kapiel ze stopio¬ nego zelaza zawiera wegiel w takiej ilosci, ze jest 15 on rozpuszczony. Sposób ten charakteryzuje sie tym, ze wewnatrz reaktora utrzymuje sie calko¬ wite cisnienie wynoszace 2—50 X 10*? Pa, korzyst¬ nie 4—10 X 105 Pa.Stosuje sie reaktor calkowicie szczelny w stosun- 20 ku do otoczenia za. wyjatkiem wylotu gazu i dysz wtryskowych. Wylot gazu korzystnie wyposazony jest w dajacy sie regulowac zawór dlawiacy, umoz¬ liwiajacy regulowanie cisnienia w reaktorze.Sposób' wedlug wynalazku jest blizej wyjasnio- 25 nV w. odniesieniu cfo rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres zaleznosci zawartosci pylu od calkowitego cisnienia w reaktorze, a fig. 2 przedstawia wykres zaleznosci zawartosci pylu od zawartosci siarki w kapieli. 30 Zgodnie z wynalazkiem, reaktor pracuje pod zwiekszonym cisnieniem, które (calkowite cisnie¬ nie) moze wynosic 2—50 Xl°5 Pa w zaleznosci od zalozonej zdolnosci wytwórczej, rozmiarów reak¬ tora itd. Korzystny zakres cisnienia wynosi jednak 35 4—10 Xl05 Pa, zwlaszcza 6—8 X 105 Pa.Objetosc gazu gromadzacego sie w mieszaninie metalu zuzlu i gazu zalezy w zasadzie tylko od objetosciowego przeplywu gazu. I tak, przy stalym objetosciowym przeplywie gazu, przeplyw masy 40 jest proporcjonalny do cisnienia. Tak wiec ilosc wegla wtryskiwanego w jednostce czasu w porów¬ naniu z iloscia wtryskiwana pod cisnieniem atmos¬ ferycznym mozna zwiekszyc wprost proporcjonal¬ nie do cisnienia bez wplywu na wielkosc objetosci 45 zgromadzonego gazu. Oznacza to, ze wspomniana poprzednio granica hydrodynamiczna reaktora, to jest stan, gdy metal i zuzel przelewaja sie z reaktora, równiez wzrasta proporcjonalnie do cis¬ nienia. Tak wiec, utrzymywanie w reaktorze pod- 50 wyzszonego cisnienia umozliwia znacznie wieksza produkcje gazu na jednostke czasu.Zwiekszenie przeplywu masy, jak wspomniano, mozna uzyskiwac bez zwiekszania przeplywu iloscio¬ wego. To z kolei oznacza, ze wspomniana poprzed- 5S nio erozja, pomimo zwiekszenia produkcji gazu, moze byc utrzymana na stalym poziomie lub malec na skutek zmniejszenia przeplywu objetosciowego, pomimo, ze przeplyw masy w reaktorze przewyz¬ sza przeplyw masy pod cisnieniem atmosferycznym 60 i ze wzgledu na mniejszy przeplyw objetosciowy powoduje mniejsze mieszanie, a tym samym mniej¬ sza erozje.Przeplyw masy zwieksza sie przez wtryskiwanie wiekszej ilosci zródla wegla i tlenu. Na skutek 65 tego do kapieli dostarcza sie wiecej energii ciep-*flfwfl)f dlugo nie nasteguja •?»aP^g^C-ri#^ «i^ja; feK si«. F?62 ^w^W^ie calkowijfgociszenia w re- aktorze. Gdy mal££ ?l^gg^¦t.iSSW|IW^-^KSS?!), w stanie równowagi, w odpowiednim stopniu "wzra¬ sta stezenie wszystkich skladników i calkowite cisnienie mieszaniny. Gdy laczna liczba moli rea¬ gentów i produktów jest rózna od wynikajacej z równania reakcji, wówczas, w róznym stopniu zmienia sie licznik i mianownik ulamka stezenia.Uklad nie jest wówczas w stanie równowagi po jpódwyzszeniu cisnienia. Równowaga przesuwa sie ;w kierunku reprezentowanymi przez najmniejsza liczbe moli w równaniu reakcji.Sklad gazu, otrzymywanego w sposobie wedlug -wynalazku okresla w zasadzie równanie reakcji C (w Fe) + COt (gaz) 5^ 2 CO (gaz) (1) Proporcje gazowy wodór/para wotjna mozna ob¬ liczyc na podstawie tak zwanej reakcji konwersji: H*0 (gaz) + CO (gaz) ** H, (agz)"+ CO, (gaz) (2) Gdy spowoduje sie wzrost calkowitegodojenia- ^w reaktorze nastepuje przesuniecie przeWegU re¬ akcji ze strony prawej ku lewej, Lcfr6di|jee: takze przesuniecie przebiegu reakcji (2) ze strony prawej ku lewej.Tak wiec gaz uchodzacy pod zwiekszonym calko¬ witym cisnieniem bedzie zawierac wiecej COf i HtO niz gaz uchodzacy z procesu prowadzonego pod -cisnieniem atmosferycznym, a tym samym bedzie miec wyzszy stopien spalenia, co oznacza dodatko¬ wa ilosc ciepla doprowadzona do reaktora. Ta do¬ datkowa ilosc ciepla daje dodatkowy potencjal re¬ dukcyjny w reaktorze.Zamiast zwiekszac stopien redukcji zelaza, moz¬ na jednak wprowadzac do reaktora przez wtryski¬ wanie wieksza ilosc pary wodnej, co oznacza wzrost ilosci gazowego wodoru w uchodzacym gazie, zwie¬ kszajac tym samym zawartosc w gazie ciepla, które mozna uzyskac na drodze chemicznej i zwiekszenia w nim stosunku Ht/CO. Ten ostat¬ ni efekt jest korzystny przede wszystkim gdy gaz ma byc stosowany np. do wytwarzania metanolu.W opisywanym procesie gazyfikacji wegla po¬ wazny problem stanowi powstawanie pylu. Wspom¬ niano poprzednio, ze zelazo odparowuje z powierz¬ chni granic faz pomiedzy metalem i gazem na ^skutek bardzo wysokiej temperatury powstajacej w wyniku reakcji pomiedzy tlenem a weglem.Calkowita powierzchnia granicy faz przy sta¬ lym przeplywie masy w ukladzie maleje ze wzro¬ stem cisnienia na skutek zmniejszenia przeplywu objetosciowego. To z kolei oznacza zmniejszenie odparowania zelaza i powstawania pylu.Figura 1 przedstawia przykladowo wykres okresl lajacy zawartosc pylu, wyrazony w g/Nim», w za¬ leznosci od calkowitego cisnienia w reaktarze, wy¬ razonego w ^;;$a wjrkje^ pcc4^tawijno trzy rózne krzywe, reprezentujace rózna zawartosc siar- P&5S*? tlem^w^o^^ w^nikj J^bp^te^ tosci siarki 1,75% + 0,19% i zawartosci wegla 0,11% + 0,07% oraz przeplywie powietrza 4,2 N l/minute.Próby, których wyniki zilustrowano na fig. 1 15 prowadzono w skali laboratoryjnej, gdzie zródlo wegla i tlen wtryskiwano do cieklego zelaza o tem¬ peraturze 1550°C. Wykres ten wskazuje wyraznie, ze tworzenie sie pylu znacznie maleje juz przy stosunkowo malym nadcisnieniu. Efekt ten wzrasta M ze wzrostem cisnienia. Przy duzej zawartosci we- * gla w kapieli, tworzenie sie pylu jest na ogól niz- , ;rsz& i podlega; stosunkowo malemu wplywowi cis- ' nfenia w porównaniu z przypadkiem gdy zawar¬ li *rto3sc siarki w kapieli jest duza. Na wykresie po- jjl^kgzano takze, ze przy niezmienionej zawartosci 7 siarki i wegla tworzenie sie pylu maleje z obni- f^zebiem przeplywu tlenu. f^ jjak wiec stwierdzono, ze duza zawartosc siarki [pfcy duzej zawartosci wegla i danym przeplywie 3^-tleHu zmniejsza znacznie tworzenie sie pylu. Za- '^^r wartosc siarki, musi przekraczac 0,5—1,5% ale byc ' nizsza niz 2—2,5%. Korzystny zakres zawartosci siarki wynosi 0,5—2%. Na fig. 2 przedstawiono wy¬ kres zawartosci pylu wyrazonej w g/Nin* w za¬ leznosci od procentowej zawartosci siarki w ka¬ pieli. Pelne kólka na fig. 2 odnosza sie do pomia¬ rów uzyskanych w kapieli stopionego zelaza o za¬ wartosci wegla przekraczajacej 3%, a kólka niewy¬ pelnione odnosza sie do kapieli stopionego zelaza zawierajacej mniej niz 0,8% wegla. Fig. 2 obrazuje warunki pod cisnieniem atmosferycznym.Wedlug wynalazku reaktor korzystnie prowadzi sie w opisany sposób, utrzymujac zawartosc siarki w kapieli 0,5—2% z jednoczesnym utrzymy¬ waniem w tej kapieli zawartosci wegla ponizej 3%, korzystnie ponizej 2%.Zawartosc wegla w kapieli reguluje sie iloscia wtryskiwanego wegla kopalnego w stosunku do in¬ nych reagentów. Zawartosc siarki w kapieli zelaza reguluje sie iloscia i rodzajem zwiazków tworza¬ cych zuzel.Jest calkowicie oczywiste, ze wszystkie trudnosci wspomniane we wstepnej czesci opisu zostana wy¬ eliminowane, a w kazdym razie znacznie zlagodzo¬ ne przez prowadzenie procesu przy podwyzszonym cisnieniu w reaktorze. Ulepszenie podkreslone jest tym, ze powoduje sie, ze kapiel przybiera wspom¬ niane wyzej zawartosci siarki i wegla. Tak wiec stosujac sposób wedlug wynalazku, zmniejsza sie znacznie tworzenie sie pylu i zuzywanie wykla¬ dziny. Ponadto mozliwe jest uzyskanie znacznej produkcji surówki dziejki wiekszej ilosci energii cieplnej wydzielajacej sie w kapieli. Jedna z naj¬ istotniejszych zalet sposobu wedlug wynalazku jest to, ze mozna znacznie zwiekszyc produkcje gazu. 35 50 55 607 129 958 8 Zastrzezenia patentowe 1. Sposób zgazowywania wegla w postaci wegla kopalnego, weglowodorów i/Lub zwiazków weglo¬ wodorów, obejmujacy wtryskiwanie do reaktora, zawierajacego kapiel ze stopionego zelaza, poni¬ zej powierzchni kapieli ze stopionego zelaza, zród¬ la wegla, tlenu i tlenków zelaza, przy czym tlenki zelaza stanowia srodek chlodzacy i ulegaja reduk¬ cji a wegiel wprowadza sie w nadmiarze stechio- 10 metrycznym w stosunku do tlenu zawartego w ka¬ pieli w postaci tlenków, zas kapiel ze stopionego zelaza zawiera wegiel w takiej ilosci, ze jest on rozpuszczony, znamienny tym, ze w reaktorze utrzymuje sie cisnienie calkowite wynoszace 2—50X10* Pa, korzystnie 4^10X10* Pa. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze utrzymuje sie w kapieli ze stopionego zelaza za¬ wartosc wegla ponizej 3%, korzystnie 2%, i jed¬ noczesnie zawartosc siarki 0,5—2%.C29-Z 2 r3 ioH 9 8 7 6 5 k 3 21 1.0 1.6 2,2 2.8 3,4 4,0 X fO* Ciinicnie oakkohfte tf*a \ ttg.3 i 50- - £0- Z30- ^20- -3 10- 2. r^j o c i \ • i ) 0£ • o 1 I ' 1.0 • I ¦ 1.5 • %C3 o %c<0.8 o o I ¦ I *¦ 2.0 2,5 %S Cena 100 zl PZGraf. Koszalin A-53 85 A-4 PL

Claims (2)

1. Zastrzezenia patentowe 1. Sposób zgazowywania wegla w postaci wegla kopalnego, weglowodorów i/Lub zwiazków weglo¬ wodorów, obejmujacy wtryskiwanie do reaktora, zawierajacego kapiel ze stopionego zelaza, poni¬ zej powierzchni kapieli ze stopionego zelaza, zród¬ la wegla, tlenu i tlenków zelaza, przy czym tlenki zelaza stanowia srodek chlodzacy i ulegaja reduk¬ cji a wegiel wprowadza sie w nadmiarze stechio- 10 metrycznym w stosunku do tlenu zawartego w ka¬ pieli w postaci tlenków, zas kapiel ze stopionego zelaza zawiera wegiel w takiej ilosci, ze jest on rozpuszczony, znamienny tym, ze w reaktorze utrzymuje sie cisnienie calkowite wynoszace 2—50X10* Pa, korzystnie 4^10X10* Pa. 2. Sposób wedlug zastrz. 1, znamienny tym, ze utrzymuje sie w kapieli ze stopionego zelaza za¬ wartosc wegla ponizej 3%, korzystnie 2%, i jed¬ noczesnie zawartosc siarki 0,5—2%. C29-Z 2 r3 ioH 9 8 7 6 5 k 3 21 1.0 1.6 2,2 2.8 3,4 4,0 X fO* Ciinicnie oakkohfte tf*a \ ttg.3 i 50- - £0- Z30- ^20- -3 10- 2. r^j o c i \ • i ) 0£ • o 1 I ' 1.0 • I ¦ 1.5 • %C3 o %c<0.8 o o I ¦ I *¦
2. 2.0 2,5 %S Cena 100 zl PZGraf. Koszalin A-53 85 A-4 PL