PL195893B1

PL195893B1 - Sposób wytwarzania czystej energii z węgla kamiennego

Info

Publication number: PL195893B1
Application number: PL02367509A
Authority: PL
Inventors: Albert Calderon; Terry James Laubis
Original assignee: Calderon Syngas Co
Priority date: 2001-07-09
Filing date: 2002-07-08
Publication date: 2007-11-30
Also published as: PL367509A1; ZA200400170B; NZ530881A; BR0210955A; KR20040015790A; US20030005634A1; US6911058B2; WO2003006585A1; EP1421158A1; UA77679C2; CO5550492A2; CN1551911A; JP2004534903A; KR100817684B1; CN100467578C; CA2452617A1; RU2004102394A; RU2287010C2; HUP0401457A2; YU704A

Abstract

1. Sposób wytwarzania czystej energii z wegla kamien- nego, znamienny tym, ze polega na wprowadzaniu wegla kamiennego w komore szczelna wzgledem atmosfery i posia- dajaca koniec wejsciowy i koniec wyjsciowy; przemieszczaniu wegla w tej komorze w kierunku do konca wyjsciowego; wprowadzaniu tlenu, który jest zasadniczo czysty, w taki spo- sób, aby spalac czesc wegla przy równoczesnym utrzymy- waniu redukujacej atmosfery pod cisnieniem, aby (i) spowo- dowac uwolnienie energii cieplnej w celu usuniecia sub- stancji lotnych z wegla i (ii) uzyskac sprezony surowy gaz bogaty w wodór zawierajacy pochodzace z wegla rakotwór- cze destylaty i weglowodory wraz z goracym koksem; oraz krakowaniu tych pochodzacych z wegla destylatów rakotwór- czych i weglowodorów zawartych w surowym gazie bogatym w wodór, aby otrzymac krakowany gaz bogaty w wodór, który po odsiarczaniu staje sie czystym gazem syntezowym boga- tym w wodór; kierowaniu goracego koksu do gazyfikatora, który jest szczelny wzgledem atmosfery; zgazowywaniu gora- cego koksu przy uzyciu utleniacza w wymienionym gazyfika- torze, by otrzymac surowy drugi gaz i roztopiony zuzel; prze- puszczaniu surowego drugiego gazu wraz z roztopionym zu- zlem poprzez wspólny wylot gazyfikatora, aby utrzymywac ten otwór otwarty dla swobodnego przeplywu surowego drugiego gazu i roztopionego zuzla; oddzielaniu surowego drugiego gazu od roztopionego zuzla po wyjsciu z wymienionego wspól- nego otworu; kierowaniu surowego drugiego gazu do syste- mu oczyszczania, by oczyscic go i otrzymac przez to czysty drugi gaz; oraz schladzaniu roztopionego zuzla, by przetwo- rzyc go w cialo stale nie ulegajace lugowaniu. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Niniejsze zgłoszenie jest dalszym rozwinięciem patentu nr 5.063.732 udzielonego niniejszemu zgłaszającemu, które przedstawia sposób przestawienia zasilania istniejących elektrowni przy równoczesnym wytwarzaniu czystego ciekłego paliwa. Opisuje ono również, że węgiel jest najpierw poddawany pirolizie w celu wytworzenia bogatego gazu, który jest oczyszczany, a następnie jest z niego syntetyzowana ciecz, jak również koksu, który jest zgazowywany, by wytworzyć gaz o małej wartości opałowej, który jest również oczyszczany i następnie wykorzystywany do wytwarzania elektryczności.

Opracowanie to polega na następującym ulepszeniu wymienionego sposobu:

zmniejszenie dużej liczby rur technologicznych (reaktorów), co zmniejsza koszty inwestycyjne, by sposób ten nadawał się do realizacji pod względem opłacalności;

eliminacja skomplikowanego systemu ładowania, który zawiera obrotowe urządzenie, by ułatwić jego konserwację;

ulepszenie grzania wsadu, by zwiększyć sprawność;

zapewnienie, że gazy wytwarzane w reaktorze tego procesu przepływają we właściwym kierunku, by spowodować krakowanie niepożądanych składników rakotwórczych węgla;

przedmuchiwanie gazyfikatora koksu w kierunku do dołu, by przezwyciężyć nadmierne porywanie cząstek stałych przez gaz o małej wartości opałowej;

zapobieganie zatykaniu otworu odpływu żużla z gazyfikatora, by otrzymać swobodny przepływ żużla z gazyfikatora;

zmniejszanie chłodzącego działania schładzania żużla, by zapobiec przedwczesnemu zakrzepnięciu roztopionego żużla przed jego schłodzeniem.

Z trzech głównych kopalnych źródeł energii występujących w naturze, którymi są ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel kamienny, 90% stanowi węgiel, jednakże nie jesteśmy zdolni do wykorzystywania węgla w sposób akceptowalny pod względem ochrony środowiska. Wynalazek ten, który jest realizowany w zamkniętym środowisku pod ciśnieniemi jest pozbawiony pochodzących z węgla czynników rakotwórczych, umożliwia wykorzystywanie węgla w czysty, skuteczny i ekonomiczny sposób. Ponieważ węgiel jest zasadniczo rudą energetyczną, ma on zanieczyszczenia takie same jak każda inna ruda. Zanieczyszczenia te obejmują popiół, siarkę i rakotwórcze destylaty oraz węglowodory, które są chemicznie związane w substancji lotnej węgla.

Głównym celem przedmiotowego wynalazku jest przetwarzanie węgla, który jest uważany za brudne paliwo, by wytworzyć z niego czystą energię i umożliwić ludziom korzystanie z tego obficie występującego i przystępnego zasobu naturalnego.

Innym celem przedmiotowego wynalazku jest przetwarzanie węgla pod ciśnieniem, by zwiększyć sprawność i zminimalizować koszty inwestycyjne przez stosowanie modułu, który jest wystarczająco duży, a jednak łatwy do grzania w warunkach redukcyjnych.

Jeszcze innym celem wynalazku jest wytwarzanie energii cieplnej w postaci czystych gazów z węgla.

Jeszcze innym celem niniejszego wynalazku jest dostosowanie go do istn iejących elektrowni opalanych węglem, aby uczynić je czystymi i sprawnymi i przywrócić je dzięki temu do życia, oszczędzając znacznie na nakładach inwestycyjnych.

Dlatego innym celem przedmiotowego wynalazku jest pozyskiwanie z węgla gazu bogatego w wodór, który można przetwarzać w ciekłe paliwa o zwiększonej wartości przez syntezę, co stanowi alternatywę wobec ropy naftowej w transporcie i ogrzewaniu.

Dalszym celem przedmiotowego wynalazku jest wytwarzanie z węgla czystego gazu o małej wartości opałowej (ubogiego gazu), który przy spalaniu wytwarza niewiele tlenków azotu, nadaje się do sprawniejszego wytwarzania energii z możliwością przepływu przez turbinę gazową dzięki swej dużej masie.

Innym celem przedmiotowego wynalazku jest współwytwarzanie w zamkniętym systemie bogatego gazu z substancji lotnej węgla, który ma dużą zawartość wodoru, do syntetyzowania cieczy i związków chemicznych oraz ubogiego gazu z resztkowego koksu do wykorzystania w charakterze paliwa do wytwarzania energii elektrycznej lub w procesach grzejnych.

Jeszcze dalszym celem przedmiotowego wynalazku jest wytwarzanie węgla pierwiastkowego z węgla kamiennego do wykorzystania jako koks lub węgiel aktywny.

Te i inne cele przedmiotowego wynalazku staną się bardziej zrozumiałe dla fachowców w dziedzinie, której dotyczy wynalazek, po zapoznaniu się z następującym opisem i załączonymi zastrzeżeniami

PL 195 893 B1 patentowymi. Załączone rysunki stanowią część niniejszego opisu. Należy zauważyć, że przedstawione tu przykłady realizacji mają za zadanie ujawnienie a nie ograniczanie zakresu wynalazku.

Krótki opis rysunków

Figura 1 przedstawia za pomocą schematu blokowego przepływu sposób, który jest przykładowo stosowany do współwytwarzania.

Figura 2 przedstawia urządzenie do przeprowadzania tego sposobu.

Figura 3 jest przekrojem wzdłuż linii 3-3 z fig. 2.

Figura 4 przedstawia inną odmianę urządzenia z fig. 2, która dotyczy grzania węgla i wyprowadzania ubogiego gazu oraz roztopionego żużla.

Figura 5 jest przekrojem wzdłuż linii 5-5 z fig. 4.

Figura 6 jest powiększeniem części fig. 4 pokazującym alternatywne podejście do oddzielania gazu od roztopionego żużla wobec pokazanego na fig. 2.

Przed przystąpieniem do szczegółowego przedstawienia wynalazku na podstawie tych rysunków należy zauważyć, że dla przejrzystości różne części składowe mają przyporządkowane im oznaczenia cyfrowe.

Szczegółowy opis rysunków

Na fig. 1 przedstawiono schemat przebiegu procesu przetwarzania węgla kamiennego, by równocześnie wytwarzać: (i) wysokokaloryczny gaz, który jest oczyszczany i z którego syntetyzowane jest ciekłe paliwo, takie jak metanol, olej napędowy, benzyna lub substancja chemiczna oraz (ii) niskokaloryczny gaz, który po oczyszczeniu jest wykorzystywany jako paliwo do wytwarzania energii elektrycznej lub energii cieplnej do ogrzewania. Przez 10 oznaczono komorę reaktora, w której węgiel kamienny jest ogrzewany w celu wytworzenia surowego gazu wysokokalorycznego oraz gorącego koksu. Przez 11 oznaczono gazyfikator, który przetwarza gorący koks w surowy gaz niskokaloryczny. Przez 12 oznaczono oczyszczanie surowego gazu wysokokalorycznego, zaś przez 13 oznaczono oczyszczanie surowego gazu niskokalorycznego. Przez 14 oznaczono suszarnię węgla kamiennego, która otrzymuje węgiel kamienny z zasobnika 19. Potem następuje lej wyrównawczy 15 i lej zamykający 16. Poniżej zamykającego leja 16 umieszczony jest dozownik 17 przeznaczony do sterowania dopływem węgla kamiennego. Urządzenie załadowcze 18 doprowadza w sposób wymuszony węgiel kamienny do reaktora 10. Palnik 20 służy do rozruchu i może być wykorzystywany jako pomocnicze źródło ciepła. Tlen i parę wodną wprowadza się z komory krakowania gazu przy wyjściowym końcu reaktora 10, która jest oznaczona przez 21. Komora 21 krakowania ma strefę promiennikową do promieniowania energii cieplnej na węgiel kamienny i koks wychodzący z wyjściowego końca reaktora 10.

Gazyfikator 11 ma wlotowy otwór 22 i wylotowy otwór 23. Wlotowy otwór 22 służy do wprowadzania utleniacza, którym korzystnie jest podgrzane powietrze, a wylotowy otwór 23 służy do wyprowadzania surowego gazu niskokalorycznego i roztopionego żużla. Poniżej otworu 23 umieszczony jest separator 24, który jest przeznaczony do oddzielania surowego gazu niskokalorycznego od roztopionego żużla wytworzonego w gazyfikatorze 11 oraz do schładzania żużla. Zamykany lej 25 jest przeznaczony do usuwania schłodzonego żużla bez powodowania spadku ciśnienia w systemie. Pierwszy cyklonowy oddzielacz 26 służy do usuwania pyłu z surowego gazu niskokalorycznego.

Za oczyszczalnią 12 gazu wysokokalorycznego umieszczona jest chłodnica 27, przeznaczona do doprowadzania oczyszczonego gazu wysokokalorycznego do urządzenia syntetyzującego substancję chemiczną lub ciekłe paliwo, takie jak metanol, benzynę lub olej napędowy itp. zamiast ropy naftowej 28. Za oczyszczalnią 13 gazu niskokalorycznego usytuowany jest drugi cyklonowy oddzielacz 29 jako urządzenie wykończające, a za oddzielaczem cyklonowym 29 umieszczony jest podgrzewacz 30 powietrza i chłodnica 31. Za chłodnicą 31 usytuowana jest stacja 32 ciśnieniowych filtrów workowych z węglem aktywnym. Surowy ubogi gaz po oczyszczeniu jest kierowany jako oczyszczony ubogi gaz np. do elektrowni, ciepłowni, pieca przemysłowego 33 itd.

Na fig. 2 przez 10 oznaczono reaktor do przetwarzania węgla, a przez 11 gazyfikator do przetwarzania koksu w gaz i popiołu w żużel. Reaktor 10 ma wejściowy koniec 34 i wyjściowy koniec 35. Poza wyjściowym końcem 35 usytuowana jest komora 21 krakowania gazu, wyposażona w przewód opadowy 37, który służy do połączenia reaktora 10 z gazyfikatorem 11. Jeden koniec komory 21 krakowania jest otwarty i połączony z wyjściowym końcem 35 reaktora 10 za pomocą kołnierzowego połączenia 38, a drugi koniec komory 21 jest zamknięty i służy jako radiacyjna ściana 39, przez którą wprowadza się lancę 40. Lanca 40, która może być wsuwana i wysuwana, służy do wprowadzania tlenu, ewentualnie w postaci powietrza oraz ewentualnie pary wodnej. Przy wytwarzaniu bogatego gazu wprowadza się stosunkowo mało tlenu. Lanca 40 może być również przeznaczona

PL 195 893 B1 do wprowadzania mieszanki tlenu z paliwem, by zwiększyć ilość energii doprowadzanej do komory 21. Aby zwiększyć zawartość wodoru w gazie, można dodawać nieco pary wodnej do tlenu, co robi się przy wytwarzaniu gazu syntezowego przy wytwarzaniu ciekłych paliw. W reaktorze o dużej średnicy może być stosowane wiele lanc, takich jak lanca 40, przy czym stosuje się kolektor 41 z otworem 42 wlotu tlenu i otworem 43 wlotu pary wodnej. Miejsca przechodzenia lanc 40 przez ścianę 39 są przykładowo pokazane na fig. 3. Komora 21 krakowania ma wyjściowy otwór 44 do wyprowadzania krakowanego bogatego gazu. Otwór ten jest dołączony do gazowego przewodu rurowego 45. W tym przewodzie rurowym 45 umieszczony jest zawór ciśnieniowy 46 do kontrolowania przeciwciśnienia w komorze 21 krakowania. Dalszy ciąg rury 45 (niepokazany, ale zaznaczony strzałką kierunkową) dochodzi do zespołu 12 oczyszczania bogatego gazu (fig. 1).

Gazyfikator 11, który jest połączony opadowym przewodem 37 z komorą 21, jest cylindrycznym zbiornikiem złożonym z ciśnieniowego płaszcza 47, wyłożenia 48, wierzchu 48 i dna 50. Przejścia przez płaszcz 47 i wyłożenie 48 mieszczą wlotowe otwory 22 do wprowadzania utleniacza, korzystnie w postaci podgrzanego powietrza, by przetworzyć gorący koks w surowy ubogi gaz, a popiół w koksie w roztopiony szklisty żużel. Względnie czysty tlen i para wodna mogą zastąpić powietrze, jeżeli zawartość węgla w gorącym koksie ma być przetworzona w gaz syntezowy. Regulator 51 natężenia przepływu służy do kontrolowania dopływu powietrza do gazyfikatora 11. Powietrze może być wprowadzane na różnych poziomach gazyfikatora 11. Dno 50 gazyfikatora 11 ma taki kształt, że korzystnie jest pochylone w kierunku do wylotowego otworu 23, który jest wyposażony w przebijające lance 52 i 53, przeznaczone do wykorzystywania gazu, takiego jak tlen, do utrzymywania poziomego przejścia 54 i pionowego przejścia 55 wylotowego otworu 23 w stanie otwartym, by zapewnić swobodny przepływ gazu i roztopionego żużla z gazyfikatora 11.

Oddzielacz 24, usytuowany poniżej wylotowego otworu 23, jest ciśnieniowym zbiornikiem podzielonym na dwie części: górną część 56 i dolną część 57. Górna część 56 zawiera odsprzęgającą strefę 58, która jest wyposażona w dyszę 59 wyprowadzania żużla i otwór 60 wylotu gazu. Dolna część 57 zawiera zbiornik 61 schładzania żużla, zasilany wodą, jak również zasobnik wyrównawczy 62. Odcinający zawór 63 łączy wyrównawczy zasobnik 62 z zamykanym lejem 25, który ma przy dnie zawór 64 do usuwania schłodzonego żużla z procesu bez zmniejszania ciśnienia w procesie przez utrzymywanie zamkniętego zaworu 63 i otwartego zaworu 64 podczas wyprowadzania schłodzonego żużla do zbiornika 85.

Otwór 60 wylotu gazu jest połączony z cyklonowym oddzielaczem 26 poprzez rurę 65, która kieruje oddzielony gaz do cyklonowego oddzielacza 26. Cyklonowy oddzielacz 26 ma u dołu wyrównawczy zbiornik 66, który z kolei jest dołączony do zamykanego leja 67. Odcinające zawory 68 i 69 umożliwiają wyprowadzanie ziarnistego materiału z zamykanego leja 67 do zbiorczej skrzyni 70, która jest otwarta do atmosfery, bez spadku ciśnienia w systemie. Cyklonowy oddzielacz 26 jest wyposażony w wylotowy przewód gazowy 71 kierujący ubogi gaz do dalszej obróbki. Zawór 72 regulacji ciśnienia służy do regulowania przeciwciśnienia w gazyfikatorze 11. Dalszy ciąg gazowego przewodu 71 (niepokazany, ale zaznaczony strzałką kierunkową) jest dołączony do zespołu 13 oczyszczania ubogiego gazu (fig. 1).

Jak pokazano na fig. 4 i dodatkowo w szczegółach na fig. 5, reaktor 10 jest podobny do reaktora 10, pokazanego na fig. 2 z pewnymi modyfikacjami. Reaktor 10 na fig. 4 ma palnik 20 prowadzący do wlotowego otworu 73 poprzez kanał 74 do przepływu gorących gazów odlotowych do elementu grzejnego 75, który częściowo nagrzewa węgiel bezpośrednio i obwodowo przez przewodzenie, przy czym gazy odlotowe przepływają przez kanały dymowe 76 (pokazane na fig. 5) i wypływają z wylotowego otworu 77. Izolujący materiał 78 jest usytuowany pomiędzy grzejnym elementem 75 a ciśnieniowym płaszczem 79, zaś masa węgla wewnątrz reaktora 10 jest oznaczona przez 80. Oba reaktory pokazane na fig. 2 i 4 są wyposażone w rozszerzenie rozbieżne od wsadowego końca 34 do wylotowego końca 35, aby ułatwić ruch węgla wewnątrz reaktora 10, gdy węgiel jest doprowadzany siłowo za pomocą suwaka 81 poruszanego przez zespół 18 ładowania węgla (fig. 1).

Jak pokazano na fig. 4, poniżej gazyfikatora 11 umieszczony jest odbieralnik 36. Ten odbieralnik 36, pokazany w powiększeniu na fig. 6, zawiera płaszcz 86, wyłożenie 87 i otwory 88, 89 i 90. Dolna część odbieralnika 36 ma tygiel 91, który jest ogrzewany np. przez indukcyjne uzwojenie 92. Od otworu 88 przebiega do dołu w odbieralnik 36 króciec 93 do kierowania gazu i roztopionego żużla do odbieralnika 36 w zanurzeniu i w taki sposób, aby gaz przedostawał się pęcherzykami poprzez roztopiony żużel i wypływał z odbieralnika 36 poprzez otwór 89. Otwór 90 służy do wypływania roztopionego żużla z odbieralnika 36, kiedy poziom roztopionego żużla osiągnie poziom przelewowy 102, jak

PL 195 893 B1 pokazano wyraźniej na fig. 6. Odbieralnik 36 ma dolny wypływ 108 do opróżniania odbieralnika 36, kiedy pojawią się warunki wymagające tego. Za otworem 89 wylotu gazu usytuowany jest gazowy przewód 101 łączący odbieralnik 36 z zespołem 13 czyszczenia gazu.

Za otworem 90 usytuowany jest zbiornik 57 schładzania żużla z opadowym przewodem 94 łączącym odbieralnik 36 z chłodzącym zbiornikiem 57. Zastosowano również lance 95 i 96 do utrzymywania opadowego przewodu 94 w stanie otwartym przy wprowadzaniu tlenu. Zapewnia to swobodny przepływ roztopionego żużla. Chłodzący zbiornik 57 ma trzy otwory 97, 98 i 99. Otwór 97 służy do wprowadzania roztopionego żużla z opadowego przewodu 94. Otwór 98 służy do wyprowadzania pary wytwarzanej, gdy roztopiony żużel wpada w kąpiel wodną 61. Otwór 99 służy do wyprowadzania schłodzonego żużla. Cząstki stałe z pary wodnej są usuwane dowolnym znanym sposobem, np. za pomocą cyklonowego oddzielacza 26, który opisano wcześniej na podstawie fig. 2. Zawór regulacyjny 100 służy do wyrównywania ciśnienia u wylotu oddzielacza cyklonowego 26. Zawór zwrotny 100 zapewnia, że para wodna wytworzona przy schładzaniu nie powraca do odbieralnika 36 przy utrzymywaniu ciśnienia w odbieralniku 36 powyżej ciśnienia w chłodzącym zbiorniku 57, aby uniemożliwić przedwczesne zakrzepnięcie żużla na skutek chłodzącego działania pary wodnej.

Opis działania

W opisie działania przedmiotowego wynalazku, przedstawionego powyżej, węgiel jest zasadniczo źródłem energii o następującym składzie: węgiel, popiół, siarka i substancja lotna (gaz). Aby można było wykorzystywać węgiel w czysty sposób, zanieczyszczenia, zawierające popiół, siarkę i substancje rakotwórcze w gazie, trzeba usunąć i przetworzyć w produkty użyteczne. Popiół trzeba zeszklić, by nie ulegał ługowaniu, siarkę trzeba usunąć jako siarkę pierwiastkową, a destylaty rakotwórcze, takie jak smoły i lekkie oleje, które zawierają benzen, trzeba rozłożyć przez krakowanie. Zostaną opisane różne konfiguracje odpowiadające potrzebom, do których wynalazek jest dostosowany. Konfiguracja, która dotyczy współwytwarzania gazu do syntezy paliw ciekłych do transportu lub ogrzewania oraz gazu opałowego do wytwarzania energii elektrycznej, zostanie opisana szczegółowo, a inne będą opisane w odniesieniu do współwytwarzania ze wskazaniem różnic.

Konfiguracja przedstawiona na fig. 1 dotyczy współwytwarzania. Węgiel doprowadzany jest z bunkra 19 do suszarni 14, a następnie do zamykanego leja 16 poprzez wyrównawczy zbiornik 15. Wraz z węglem mogą być dostarczane inne materiały, takie jak biomasa i/lub odpady do przetwarzania wraz z węglem. Po napełnieniu zamykanego zbiornika 16zostaje on zamknięty i podajnik 17 dozuje węgiel z zamykanego leja 16 do załadowczego końca 34. Załadowcze urządzenie 18 wtłacza węgiel do reaktora 10 w taki sposób, aby zagęścić węgiel, by był on zasadniczo nieprzepuszczalny dla przepływu gazu przy załadowczym końcu, by wymuszać przepływ sprężonych surowych gazów wytworzonych podczas spalania części węgla współprądowo z ruchem węgla w reaktorze 10 w kierunku do wylotowego końca reaktora 10. Zakładając, że uruchamiający palnik 20 zapalił węgiel przy wyjściowym końcu reaktora 10 i proces jest już w stanie stabilnym, węgiel jest przemieszczany w reaktorze 10, podczas gdy tlen (i ewentualnie para wodna) jest wprowadzany poprzez lance 40 w węgiel korzystnie z komory 21 krakowania w celu odgazowania węgla i wytworzenia surowego bogatego gazu z utrzymywaniem warunków redukcyjnych wewnątrz reaktora działającego podstechiometrycznie. Temperatura w komorze 21 jest utrzymywana powyżej temperatury krakowania smoły węglowej, olejów, węglowodorów itd., by krakować te związki rakotwórcze w celu otrzymania krakowanego gazu bogatego w wodór, który jest kierowany przewodem 104 do zespołu 12 oczyszczania gazu do dalszej obróbki, takiej jak odsiarczanie, aby otrzymać przez toidealny gaz syntezowy złożony z 2H2 i 1CO. Gdyby w komorze 21 było za mało paliwa na skutek zastosowania węgla o małej zawartości substancji lotnych, można dodawać uzupełniające paliwo wraz z tlenem w celu osiągnięcia temperatury krakowania. Komora krakowania 21, która służy do oddzielania bogatego gazu od gorącego koksu, jest również wykorzystywana do wstępnej obróbki surowego bogatego gazu przez krakowanie ciekłych substancji rakotwórczych i węglowodorów z węgla dzięki podwyższonej temperaturze w komorze krakowania 21 przez wprowadzanie wystarczającej ilości utleniacza poprzez otwory 103 (pokazane na fig. 2) lancy 40 i wypalanie części substancji lotnych z węgla w celu uzyskania krakowanego gazu, który jest pozbawiony cieczy węglowych i węglowodorów i który składa się głównie z H2 i CO, przy czym dominującym gazem składowym jest H2. W komorze 21 strefa 107 promieniowania zapewnia skuteczne przenoszenie energii cieplnej do węgla wychodzącego z wyjściowego końca 35. Węgiel/koks jest wypychany z komory 80 stopniowo w trybie pulsacyjnym, aby tworzyć świeże nowe czoło węgla/koksu, które jest czołowo ogrzewane przez promieniowanie z komory 21. Zależnie od użytego węgla możliwe jest otrzymanie krakowanego gazu złożonego z 2H2 i 1CO z tego procesu bez

PL 195 893 B1 konieczności stosowania urządzenia do konwersji tlenku węgla z parą wodną, jak to jest znane. Jeżeli w węglu zawarte są nieodpowiednie substancje lotne, dodaje się pary wodnej, aby zwiększyć zawartość wodoru w gazie. Po oczyszczeniu powstaje gaz syntezowy złożony zasadniczo z dwóch części H2 i jednej części CO. Gaz ten po ochłodzeniu w wymienniku ciepła 27 i po skierowaniu do urządzenia 28 przewodem 105 nadaje się idealnie do syntetyzowania z niego cieczy. Urządzenie 28 może być urządzeniem Fischer-Tropscha lub urządzeniem do produkcji metanolu, za którym może być z kolei zastosowana instalacja do przetwarzania metanolu w benzynę, taka jak instalacja opracowana przez Mobil Oil. Takie procesy przetwarzania gazu syntezowego w różne ciecze są znane i nie stanowią części niniejszego wynalazku. Ponieważ większą część kosztu wytwarzania z gazu syntezowego paliwa alternatywnego wobec ciekłego paliwa naftowego jest koszt wytwarzania gazu syntezowego, krakowanie substancji lotnych z węgla, opisane tu, jest eleganckim i ekonomicznym podejściem do wytwarzania surowca do urządzeń syntezujących.

Gorący koks, który jest dość porowaty i silnie reaktywny na skutek usunięcia z węgla substancji lotnych, spada do gazyfikatora 11 i zostaje zgazowany z powietrzem, które może być podgrzane. Powietrze to jest korzystnie wprowadzane do gazyfikatora 11 przez wciąganie do dołu, aby wyrównywać temperaturę koksu. Powietrze może być wprowadzane w kilku punktach, jak pokazano na fig. 2 i 4. Powietrze reaguje z węglem w koksie, aby wytworzyć gaz producenta, który jest również znany jako ubogi gaz ze względu na swą małą wartość opałową. Ten ubogi gaz jest doprowadzany do zespołu 13 oczyszczania gorącego gazu poprzez kanał 106 w celu usuwania siarki. Jeżeli ubogi gaz nie jest nagrzany do temperatury odpowiedniej dla zespołu oczyszczania gorącego gazu, wówczas dodaje się utleniacza (jak zaznaczono przez 9) przed wprowadzeniem w zbiornik 13 oczyszczania. Po wyjściu ze zbiornika 13 oczyszczania ubogi gaz jest kierowany do cyklonowego oddzielacza 29 do usuwania cząstek stałych, a następnie do podgrzewacza 30 powietrza. Ubogi gaz po wyjściu z podgrzewacza 30 kierowany jest do wymiennika ciepła 31, aby wytworzyć parę wodną, która jest wykorzystywana w procesie wytwarzania wodoru, do zmniejszania temperatury, do śledzenia pary wodnej itd. Ubogi gaz jest następnie wprowadzany do stacji 32 filtrów workowych, by zatrzymywać rtęć i substancje alkaliczne, a następnie gaz jest kierowany do urządzenia 33, które może stanowić elektrownię. Ten ubogi gaz jest doskonałym paliwem do stosowania w silniku turbinowym ze względu na swą masę, by wytwarzać sprawniej energię elektryczną i ze względu na wytwarzanie małych ilości NOX przy spalaniu, ponieważ spalanie odbywa się przy niskiej temperaturze. Za silnikiem turbinowym może być umieszczona turbina parowa, by utworzyć urządzenie z cyklem kombinowanym, co stanowi skuteczny sposób wytwarzania energii elektrycznej, pospolicie stosowany w praktyce.

Oprócz ubogiego gazu wytwarzanego w gazyfikatorze popiół z węgla jest przetwarzany w roztopiony żużel i zarówno ubogi gaz, jak i roztopiony żużel są wyprowadzane z gazyfikatora 11 poprzez wylotowy otwór 23 do separatora 24, gdzie gaz jest kierowany do cyklonowego oddzielacza 26, a żużel po schłodzeniu jest doprowadzany do zamykanego leja 25 do wyprowadzenia go do atmosfery bez zmniejszania ciśnienia w systemie. Wytworzony żużel jest szklisty i obojętny (jak wykazują badania, nie ulega ługowaniu).

Siarka zarówno w surowym bogatym gazie, jak i w surowym gazie opałowym opuszcza proces w postaci H2S, który jest usuwany dowolnym ze znanych sposobów, łącznie z systemem zgłaszającego, opisanym w wymienionym patencie. Siarkowodór jest pochłaniany przez sorbent zawarty w zbiorniku 12 i 13 oczyszczania, pokazanym na fig. 1. Sorbent, który jest zawracany do obiegu i regenerowany w zbiorniku 7, ekstrahuje siarkę pierwiastkową w postaci pary i skroploną w skraplaczu 8. Gaz wylotowy ze skraplacza 8, który jest wykorzystywany do powtórnego wykorzystywania sorbentu, ma ciśnienie zwiększane w sprężarce 109. Boczny strumień ze zbiornika 12 czyszczenia jest kierowany za pomocą zaworowego zasilacza 110 do regeneracji w regeneratorze 7. Zaporowy zasilacz 111 powoduje recyrkulację sorbentu do zbiornika 13 oczyszczania. Oddzielacz cyklonowy powyżej regeneratora 7, oznaczony przez 112, usuwa cząstki stałe z recyrkulowanego gazu odlotowego.

Przy wykorzystywaniu niniejszego wynalazku do wyłącznego wytwarzania gazu syntezowego, powietrze w gazyfikatorze 11 jest zastępowane tlenem i parą do reagowania z koksem i wytwarzania przez to dodatkowego gazu bogatego w wodór, który po oczyszczeniu można przetwarzać przez syntezę w ciecz i/lub związek chemiczny taki sam jak w przypadku gazu bogatego w wodór, otrzymanego z gazu krakowanego po przejściu przez reakcję konwersji tlenku węgla z parą wodną, która jest znana w dziedzinie zgazowywania. Przy wykorzystywaniu niniejszego wynalazku do wyłącznego wytwarzania gazu opałowego tlen wprowadzany poprzez generator krakowania jest rozcieńczony powietrzem, by wytworzyć ubogi gaz, który po oczyszczeniu można wykorzystywać jako gaz opałowy tak samo, jak

PL 195 893 B1 gaz wytworzony z gazyfikatora 11 przy przedmuchiwaniu powietrzem. Ten gaz opałowy można wykorzystywać jako paliwo w różnych zastosowaniach grzejnych, łącznie z wytwarzaniem energii elektrycznej.

Celem niniejszego wynalazku jest również unowocześnienie istniejących elektrowni, by nadal mogły działać, ponieważ ponad 50% energii elektrycznej jest nadal wytwarzane w Stanach Zjednoczonych w elektrowniach z kotłami opalanymi miałem, co powoduje poważne zanieczyszczenie środowiska.

Innym zastosowaniem wynalazku jest przetwarzanie węgla w reaktorze 10 w celu uzyskania koksu, a nie zgazowania go, przy czym koks taki jest użyteczny w metalurgii. Koks taki w stanie rozżarzonym jest traktowany parą wodną, by przetworzyć go w węgiel aktywny do wykorzystania w systemach filtrowania, łącznie z zatrzymywaniem rtęci.

Przedstawiono tu sposób, który umożliwia przetwarzanie węgla w rozpowszechnioną czystą energię sprawnie i w sposób zamknięty wobec środowiska do ogrzewania, transportu, wytwarzania energii elektrycznej, wytwarzania substancji chemicznych itp., przy czym węgiel stanowi tu alternatywę wobec ropy naftowej i gazu ziemnego łącznie z możliwością wytwarzania koksu i węgla aktywnego.

Claims

1. Sposób wytwarzania czystej energii z węgla kamiennego, znamienny tym, że polega na wprowadzaniu węgla kamiennego w komorę szczelną względem atmosfery i posiadającą koniec wejściowy i koniec wyjściowy; przemieszczaniu węgla w tej komorze w kierunku do końca wyjściowego; wprowadzaniu tlenu, który jest zasadniczo czysty, w taki sposób, aby spalać część węgla przy równoczesnym utrzymywaniu redukującej atmosfery pod ciśnieniem, aby (i) spowodować uwolnienie energii cieplnej w celu usunięcia substancji lotnych z węgla i (ii) uzyskać sprężony surowy gaz bogaty w wodór zawierający pochodzące z węgla rakotwórcze destylaty i węglowodory wraz z gorącym koksem; oraz krakowaniu tych pochodzących z węgla destylatów rakotwórczych i węglowodorów zawartych w surowym gazie bogatym w wodór, aby otrzymać krakowany gaz bogaty w wodór, który po odsiarczaniu staje się czystym gazem syntezowym bogatym w wodór; kierowaniu gorącego koksu do gazyfikatora, który jest szczelny względem atmosfery; zgazowywaniu gorącego koksu przy użyciu utleniacza w wymienionym gazyfikatorze, by otrzymać surowy drugi gaz i roztopiony żużel; przepuszczaniu surowego drugiego gazu wraz z roztopionym żużlem poprzez wspólny wylot gazyfikatora, aby utrzymywać ten otwór otwarty dla swobodnego przepływu surowego drugiego gazu i roztopionego żużla; oddzielaniu surowego drugiego gazu od roztopionego żużla po wyjściu z wymienionego wspólnego otworu; kierowaniu surowego drugiego gazu do systemu oczyszczania, by oczyścić go i otrzymać przez to czysty drugi gaz; oraz schładzaniu roztopionego żużla, by przetworzyć go w ciało stałe nie ulegające ługowaniu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że z wymienionego czystego gazu syntezowego bogatego w wodór syntezuje się ciekłe paliwo lub związek chemiczny.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wymieniony czysty drugi gaz wykorzystuje się do wytwarzania energii elektrycznej.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się podgrzane powietrze do zgazowywania gorącego koksu.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się powietrze wzbogacone tlenem do zgazowywania gorącego koksu.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap zgazowywania gorącego koksu przy użyciu utleniacza w gazyfikatorze obejmuje wprowadzanie utleniacza od dołu.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że utleniacz wprowadza się w wielu miejscach do wymienionego gazyfikatora.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto zagęszcza się węgiel przy ścianie komory przy końcu od strony ładowania w takim stopniu, aby stał się on zasadniczo nieprzepuszczalny dla przepływu gazu od strony doprowadzania, by zmusić surowe sprężone gazy wytwarzane podczas ogrzewania węgla do wypływania z wyjściowego końca komory.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w trakcie przepływania surowego drugiego gazu wraz z roztopionym żużlem przez wspólny otwór gazyfikatora, dostarcza się dodatkową energię cieplną, by uniemożliwiać krzepnięcie roztopionego żużla w tym otworze.

PL 195 893 B1

10. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że stosuje się środki wprowadzania utleniacza, by spalać część surowego drugiego gazu w celu wytworzenia wymienionej dodatkowej energii cieplnej.

11. Sposób według zastrz. 9, znamienny tym, że dodatkową energię cieplną uzyskuje się z elektrycznego urządzenia indukcyjnego.

12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przepływ surowego gazu opałowego wraz z roztopionym żużlem poprzez wspólny otwór z gazyfikatora obejmuje zbieranie roztopionego żużla w odbieralniku, by służył jako roztopiona kąpiel.

13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że ponadto kieruje się surowy drugi gaz wraz z roztopionym żużlem do odbieralnika w przepływie krytym, aby surowy drugi gaz przedostawał się pęcherzy kami poprzez roztopioną kąpiel w celu oddzielenia porwanego żużla od surowego drugiego gazu i w celu przepłukania drugiego gazu przez wykorzystanie roztopionego żużla w wymienionym odbieralniku.

14. Sposób według zastrz. 13, znamienny tym, że ponadto umieszcza się otwór wypływu gazu powyżej kąpieli w celu wyprowadzania przepłukanego drugiego gazu.

15. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że ponadto przewiduje się przelew do wypływu roztopionego żużla z odbieralnika.

16. Sposób według zastrz. 15, znamienny tym, że ponadto za przelewem stosuje się wodną komorę schładzania roztopionego żużla do ciała stałego nie ulegającego ługowaniu.

17. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że przeprowadza się go pod ciśnieniem.

18. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap wprowadzania zasadniczo czystego tlenu przeprowadzany tak, aby spalać część węgla, charakteryzuje się tym, że tlen wprowadza się z komory usytuowanej za wylotowym końcem tej komory.

19. Sposób według zastrz. 18, znamienny tym, że zawiera strefę promieniowania cieplnego usytuowaną względem wymienionej komory tak, aby odbijała silną energię cieplną do węgla w wyjściowym końcu wymienionej komory, by doskonale odgazować węgiel i krakować destylaty węglowe oraz węglowodory, które są rakotwórcze.

20. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obwodowo ogrzewa masę węglową przez ścianę wymienionej komory.

21. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap przemieszczania węgla w komorze w kierunku do wyjściowego końca charakteryzuje się tym, że węgiel przemieszcza się stopniowo z przerwami, aby wytwarzać kolejne nowe czoła węgla przy wyjściowym końcu komory, w celu skutecznego wystawiania węgla na działanie ciepła promiennikowego.

22. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że równoważy się ciśnienie pomiędzy etapem wprowadzania tlenu w celu spalania części węgla a etapem zgazowywania koksu przy użyciu utleniacza tak, aby zasadniczo zapobiec zanieczyszczeniu gazu bogatego w wodór drugim gazem.

23. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że ponadto odbieralnik podgrzewa się.

24. Sposób według zastrz. 23, znamienny tym, że ogrzewanie odbieralnika pochodzi z elektrycznego urządzenia indukcyjnego.

25. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wprowadza się tlen zasadniczo czysty tak, aby spalać część węgla, w wielu punktach, by skuteczniej spalać węgiel utrzymując atmosferę redukującą.

26. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodaje się utleniacza w celu podwyższenia temperatury krakowanego gazu bogatego w wodór, przed odsiarczaniem tego gazu.

27. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dodaje się utleniacza, aby podwyższyć temperaturę drugiego gazu przed odsiarczeniem tego gazu.

28. Sposób według zastrz. 26, znamienny tym, że odsiarczanie przeprowadza się w systemie oczyszczania, który jest regeneracyjny.

29. Sposób według zastrz. 27, znamienny tym, że odsiarczanie przeprowadza się w systemie oczyszczania, który jest regeneracyjny.

30. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto komorę reaktora zwęża się tak, aby była ona rozbieżna w kierunku do wyjściowego końca, by ułatwić ruch węgla w komorze.

31. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto przepuszcza się gazy w kanałach dymowych do komory reaktora.

32. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto do węgla dodaje się biomasę, by przetwarzać je razem.

PL 195 893 B1

33. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto do węgla dodaje się odpady, by przetwarzać je razem.

34. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ponadto równoważy się wartości ciśnienia pomiędzy etapem wprowadzania tlenu i etapem zgazowywania koksu oraz etapem zgazowywania koksu i chłodzeniem roztopionego żużla, aby kontrolować różne przepływy gazów w tym procesie.

35. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gorący koks zgazowywuje się powietrzem dostarczając surowy gaz opałowy, który po oczyszczeniu dostarcza czysty gaz opałowy nadający się dospalania z niskim stopniem tworzenia NOX.

36. Sposób wytwarzania czystej energii z węgla kamiennego, znamienny tym, że polega na wprowadzaniu węgla kamiennego w komorę szczelną względem atmosfery i posiadającą koniec wejściowy i koniec wyjściowy; przemieszczaniu węgla w tej komorze w kierunku do końca wyjściowego; wprowadzaniu tlen w taki sposób, aby spalać część węgla przy równoczesnym utrzymywaniu redukującej atmosfery pod ciśnieniem, aby (i) spowodować uwolnienie energii cieplnej w celu usunięcia substancji lotnych z węgla i (ii) uzyskać sprężony surowy gaz bogaty w wodór zawierający pochodzące z węgla rakotwórcze destylaty i węglowodory wraz z gorącym koksem; oraz kierowaniu sprężonego surowego gazu bogatego w wodór tak, aby wychodził przez końca wyjściowego komory; krakowaniu pochodzących z węgla rakotwórczych destylatów i węglowodorów zawartych w surowym gazie bogatym w wodór, aby otrzymać pierwszy krakowany gaz bogaty w wodór; kierowaniu gorącego koksu do gazyfikatora żużlowego, który jest szczelny względem atmosfery, zgazowywaniu tego koksu, by otrzymać drugi gaz i roztopiony żużel; usuwaniu wymienionego żużla z układu; oraz oczyszczaniu wymienionego pierwszego i drugiego gazu by otrzymać czyste gazy mające użyteczne zastosowania.

37. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gorący koks zgazowywuje się przy użyciu zasadniczo czystego tlenu i pary w celu uzyskania surowego gazu bogatego w wodór z koksu, z którego po oczyszczeniu otrzymuje się czysty gaz syntezowy, z którego można syntetyzować bogate w wodór paliwo gazowe lub ciekłe.

38. Sposób według zastrz. 36, znamienny tym, że ponadto z tlenem wprowadza się parę.

39. Sposób wytwarzania czystej energii z węgla kamiennego, znamienny tym, że polega na wprowadzaniu węgla kamiennego w komorę szczelną względem atmosfery i posiadającą koniec wejściowy i koniec wyjściowy; przemieszczaniu węgla w tej komorze w kierunku do końca wyjściowego; wprowadzaniu tlenu, który jest zasadniczo czysty, w taki sposób, aby spalać część węgla przy równoczesnym utrzymywaniu redukującej atmosfery pod ciśnieniem, aby (i) spowodować uwolnienie energii cieplnej w celu usunięcia substancji lotnych z węgla i (ii) uzyskać sprężony surowy gaz bogaty w wodór zawierający pochodzące z węgla rakotwórcze destylaty i węglowodory wraz z gorącym koksem; oraz krakowaniu tych pochodzących z węgla destylatów rakotwórczych i węglowodorów zawartych w surowym gazie bogatym w wodór, aby otrzymać krakowany gaz bogaty w wodór, który po odsiarczaniu staje się czystym gazem syntezowym bogatym w wodór; oddzielaniu krakowanego gazu bogatego w wodór od koksu otrzymując koks użyteczny w dziedzinie metalurgii.

40. Sposób według zastrz. 39, znamienny tym, że koks przetwarza się w węgiel aktywny.