PL209860B1 - Sposób i urządzenie do strumieniowego zgazowywania paliw stałych pod ciśnieniem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Wynalazek ten dotyczy sposobu i urządzenia do strumieniowego zgazowywania paliw stałych pod ciśnieniem.

W znanych sposobach zgazowywania zł o ż a pył owego paliwa zawierają cego wę giel z dodatkiem środków zgazowujących, które przeważnie złożone są z tlenu, reakcje przeprowadza się w temperaturach powyżej temperatury płynięcia popiołu i otrzymuje się produkty zgazowania, którymi są surowy gaz i żużel. Aby roztopić popiół, konieczna jest bardzo wysoka temperatura w komorze zgazowywania. W zależności od temperatury płynięcia popiołu temperatura ta wynosi w przybliżeniu 1400 - 1600°C. Surowy gaz i ż u ż el muszą być odprowadzane z urzą dzenia zgazowują cego w takiej wysokiej temperaturze utrzymanej przy wylocie popiołu. Właściwe zapotrzebowanie tlenu w odniesieniu do paliw jest o około 20 - 30% większe w porównaniu ze sposobami zgazowywania takimi jak zgazowywanie w złożu fluidalnym, które przebiega w temperaturach, przy których temperatura wyjściowa surowego gazu jest o około 400 - 600 K niższa. W znanych sposobach, paliwa o dużej zawartości popiołu, większej niż około 20% w stosunku do całej suchej masy, mające wysoką temperaturę płynięcia popiołu, powyżej około 1400°C, nie mogą być wykorzystywane wydajnie energetycznie do strumieniowo-przepływowego zgazowywania w opłacalnie stosowanych warunkach. Decydującą wadą jest ponadto to, że przy zgazowywaniu trzeba ponosić bardzo wysokie koszty eksploatacji i koszty techniczne urządzeń, aby przed dalszym wykorzystywaniem surowego gazu oddzielić od niego żużel, zwłaszcza wtedy, gdy ciepło gorącego gazu wypływającego z urządzenia do zgazowywania powinno być wykorzystywane do wytwarzania pary wodnej odprowadzającej ciepło. W tym celu surowy gaz trzeba bezpośrednio po wyjściu z komory zgazowywania urządzenia do zgazowywania na krótkim odcinku silnie chłodzić/gasić, zanim dopłynie on do wymiennika ciepła surowego gazu. Opracowano wiele odmian zewnętrznego gaszenia surowego gazu, z których w warunkach technicznych przeprowadzono gaszenie gazem i gaszenie chemiczne. Użycie gaszenia gazem prowadzi do strat ciepła nadającego się do wykorzystania. Przy gaszeniu chemicznym, kiedy w strumień gorącego surowego gazu wprowadza się substancje zawierające węgiel, w znacznym stopniu uniknięto tej wady. Jednakże gaszenie chemiczne w pracy ciągłej wiąże się z wysokim nakładem technicznym oraz z poważnymi wadami, takimi jak na przykład powstawanie smoły i sadzy oraz powstawanie osadu. Aby uniknąć wysokich kosztów wykorzystywania odprowadzanego ciepła, stosuje się gaszące chłodzenie wodą, jako alternatywę chłodzenia gorących oraz zawierających żużel surowych gazów wypływających z urządzenia zgazowują cego. Jest to wprawdzie rozwią zanie proste i wytrzymał e, ale ma tę wadę , ż e ciepło niskotemperaturowe wytwarzane przy parowaniu wody praktycznie może być wykorzystywane tylko w najrzadszych przypadkach.

W publikacji DE 26 40 180 B przedstawiono zgazowywanie paliw stałych o różnej wielkości ziaren (od pyłu do materiału gruboziarnistego) w dolnym złożu stałym oraz w górnej strefie zgazowywania pyłu, przy czym ponad stałym złożem wytwarzane jest złoże fluidalne, a ponadto należy przeprowadzać zgazowywanie pyłu. Paliwo stałe należy wprowadzać w złoże fluidalne. W samym procesie powinno być przeprowadzane rozdzielanie paliwa na składowe o różnej wielkości.

Technologia według publikacji DE 26 40 180 B nie nadaje się do przeprowadzania pełnego zgazowania, ponieważ znaczne ilości zawierającego popiół pyłu koksowego dostają się do wytworzonego gazu i trzeba je od niego oddzielać. Zawracanie do procesu nie jest możliwe, ponieważ zawierające popiół cząstki pyłu w krótkim czasie w procesie wzbogaciłyby się na tyle, że proces zostałby zatrzymany. Ponadto pozostają nierozwiązane inne podstawowe zagadnienia, zwłaszcza dostosowanie prowadzenia procesu do często dowolnie zmieniających się rozkładów ziarnistości i wahań zawartości popiołu w odniesieniu zarówno do całości popiołu jak też do poszczególnych frakcji wielkości ziaren. Przykładowo złoże stałe przechodziłoby w złoże fluidalne, kiedy udział dużych ziaren paliwa stałego jest zbyt duży i ze względu na ograniczenia bilansowe i ograniczenia w dziedzinie dynamiki płynów nie można wprowadzać wystarczającej ilości środków zgazowujących do złoża stałego. Proponowany w publikacji DE 26 40 180 B proces nie mógłby być technicznie przeprowadzany, co najmniej ze względu na wymienione powyżej przyczyny.

Z przedstawionych wad wynika zadanie wynalazku polegają ce na rozwinięciu leżącego u podstaw sposobu zgazowywania strumieniowego, za pomocą którego rozwiązuje się ważkie niedogodności zgazowywania, a zwłaszcza można bez problemu stosować paliwa o dużej zawartości popiołu i wysokich temperaturach płynięcia popiołu, zaś surowy gaz z wylotu urządzenia zgazowującego odprowadza się bez zewnętrznego gaszenia do wykorzystania ciepła odlotowego w wymiennikach ciepła

PL 209 860 B1 surowego gazu, przy czym powstające popioły lub żużle oddziela się od surowego gazu przy niskich kosztach urządzeń technicznych, zaś w urządzeniu do zgazowywania strumieniowego, zapewnione jest praktycznie całkowite zgazowanie stosowanego paliwa pyłowego.

Zadanie wynalazku zostało rozwiązane przez sposób strumieniowego zgazowywania pod ciśnieniem paliw stałych, w którym paliwa stałe przetwarza się w przepływającym strumieniu za pomocą czynników zgazowujących, złożonych przeważnie z tlenu, do produktów zgazowywania którymi jest surowy gaz i żużel, w, przy czym w skierowanym do góry, wewnętrznie cyrkulującym, unoszonym strumieniu zawierającym pierwsze bogate w tlen czynniki zgazowujące następuje:

a) daleko idące pełne zgazowanie składników paliw stałych zawierających węgiel i

b) obróbka termiczna gazów ze zgazowywania wtórnego, jak również

c) granulowanie popiołu przy temperaturze powyżej punktu mięknienia popiołu tak, że otrzymuje się zawierające węgiel pozostałości ze zgazowywania, granulat popiołu oraz zawierające pył surowe gazy, z których surowe gazy przy temperaturze poniżej krytycznej temperatury spiekania popiołu odprowadza się do góry w strefę buforową, a stąd do dalszego przetwarzania, przy czym pierwsze czynniki zgazowujące wtryskuje się do strumieniowego przepływu tak, że powstaje skierowany do góry, gorący przepływ środkowy oraz skierowany do dołu zimny przepływ przyścienny, a ponadto do ruchomego złoża usytuowanego pod strumieniowym przepływem doprowadza się drugie ubogie w tlen czynniki zgazowujące dla silnego aż do pełnego utleniania opuszczających do dołu strumieniowy przepływ, zawierających węgiel pozostałości ze zgazowywania i granulatu popiołu w temperaturze poniż ej temperatury mię knienia popioł u, otrzymuje się surowe gazy ze zgazowywania wtórnego i utlenione produkty dolne, przy czym drugie czynniki zgazowujące doprowadza się w takiej ilości i w takim składzie, że z jednej strony górna temperatura mięknienia popiołu w ruchomym złożu nie jest przekraczana, a z drugiej strony istnieje regularny przepływ przez to ruchome złoże, zaś utlenione produkty dolne odprowadza się w przeciwprądzie względem drugich czynników zgazowujących do dołu z ruchomego złoża, a surowe gazy ze zgazowywania wtórnego odprowadza się z ruchomego złoża do góry, do strumieniowego przepływu.

Jako paliwa stałe stosuje się przeważnie takie paliwa stałe, które zawierają zasadniczo pyłowe paliwa oraz pyły zawierające węgiel. Ponadto można również stosować specjalne postaci paliw stałych, takie jak na przykład zawiesiny paliwa w wodzie lub paliwa w oleju, ze zmienną zawartością substancji stałych. Paliwa stałe mogą być stosowane w postaci suchej i/lub w jednej lub kilku takich postaciach specjalnych, odpowiednich do zgazowywania strumieniowego. Zawierają one szeroki zakres różnych gatunków węgli, biomas lub odpadów zawierających węgiel, a w niewielkich ilościach nawet ciekłe lub gazowe paliwa lub pozostałości.

Odprowadzone ze strumieniowego zgazowania surowe gazy zawierające pył są przesyłane do dalszej obróbki korzystnie do bezpośrednich wymienników ciepła, a następnie do oddzielaczy pyłu. W tych oddzielaczach pyłu zawierające węgiel pyły są w przybliżeniu całkowicie oddzielane od zawierających pył surowych gazów i w znacznym stopniu, a nawet całkowicie zawracane do strumieniowego zgazowania.

Wynalazek wykorzystuje spostrzeżenie, że zgazowywanie paliwa stałego w strumieniowym, cyrkulującym wewnętrznym przepływem w połączeniu ze zgazowywaniem w ruchomym złożu, usytuowanym poniżej zgazowywania strumieniowego, przeprowadza się praktycznie całkowite przetworzenie nielotnych paliw w utlenione popioły i żużel oraz w surowy gaz tak, że zawierający pył surowy gaz o temperaturze odpowiadają cej temperaturze wypł ywu surowego gazu ze zgazowywania w ruchomym złożu, można odprowadzać bezpośrednio z reaktora, a utlenione popioły i żużle można odprowadzać z ruchomego zł o ż a o temperaturze < 600°C, korzystnie < 500°C, szczególnie korzystnie < 40°C. Pionowe rozciągnięcie strumieniowego przepływu sięga od wylotu surowego gazu przy górnym końcu reaktora zagazowywania strumieniowego aż do powierzchni zasypywania ruchomego złoża. Ruchome złoże sięga do dołu aż do odprowadzenia produktu dolnego, który jest usytuowany przy dolnym końcu reaktora zgazowywania strumieniowego.

Dla wynalazku ważne jest samoregulujące się współdziałanie procesów zgazowywania paliw stałych i zbrylania popiołów w duże aglomeraty w cyrkulującym przepływie strumieniowym z tworzeniem poniżej cyrkulującego przepływu strumieniowego ruchomego złoża, złożonego z przeważnie gruboziarnistych aglomeratów, przy czym właściwości materiałowe paliw stałych mogą być zmieniane w szerokich granicach bez szkodliwego oddziaływania na prowadzenie procesu. Zasada ta różni się przez to zasadniczo od propozycji rozwiązania opisanych w publikacji DE 26 40 180 B. Dotyczy to zarówno całego procesu (zasadniczo inne wykonanie gorącego i zimnego obszaru reakcji lub różnych

PL 209 860 B1 obszarów zgazowywania (ruchome złoże, złoże fluidalne, przepływ strumieniowy) jak i procesów częściowych, takich jak wprowadzanie paliw stałych (pyłowe, a nie od pyłu do z konieczności gruboziarnistych frakcji), odprowadzanie pozostałości po zgazowaniu z ruchomego złoża lub ze strefy stałego złoża (odprowadzanie regulowane w zależności od zawartości popiołu w paliwie w porównaniu z regulowaniem w zależności od zawartości węgla gruboziarnistego), pionowe przetłaczanie gazu w strefie zgazowywania pyłu (gorące, skierowane do góry przepływy środkowe w porównaniu ze środkowym i skierowanym do doł u wprowadzaniem gazu).

Zgazowywanie w cyrkulującym przepływie strumieniowym odbywa się następująco. Do przepływu strumieniowego, jako paliwa stałe doprowadzane są przeznaczone do zgazowania paliwa pyłowe oraz zawracane do obiegu pyły zawierające węgiel, jak również surowe gazy z wtórnego zgazowywania i pierwsze czynniki zgazowujące. Czynniki zgazowujące są w stosunku do wprowadzonych paliw stałych doprowadzane w takiej ilości i o takim składzie, że u wylotu surowego gazu ustalane są temperatury, które leżą poniżej krytycznego punktu spiekania popiołów, ale są, co najmniej na tyle wysokie, że następuje prawie całkowite zgazowanie składników zawierających węgiel. Pyły zabierane przez surowe gazy unoszące pył mają zawartość węgla mniejszą niż około 30% wag. do mniej niż około 80% wag. Pyły zawierające węgiel zostają po ich oddzieleniu z surowych gazów praktycznie całkowicie zawrócone do przepływu strumieniowego i są ponownie poddawane procesowi zgazowywania. Zasadnicze dla prawie całkowitego zgazowania jest stosowanie czynników zgazowujących zawierających tlen. Stężenie tlenu w nich jest regulowane w zakresie wartości od 21 do 100% obj., korzystnie od 40 do 70% obj., a w przypadku stosowania pary wodnej z wartością stosunku pary do tlenu od 0 do 1,5 kg/m³ (w warunkach normalnych). Wysokie wartości stężenia tlenu są konieczne dla paliw z dużą zawartością popiołu i z wysoką temperaturą płynięcia popiołu.

Za krytyczny punkt spiekania popiołów tSp uważa się temperaturę, która musi być obniżona, aby popioły w stanie swobodnym i po schładzaniu surowych gazów zawierających pył nie powodowały zapiekania się ich lub odkładania. Niereprezentatywne, typowe przykłady liczbowe dla krytycznego punktu spiekania tSp popiołu stanowi na przykład 700°C dla biomasy, na przykład 1000°C dla węgli brunatnych oraz na przykład 1100°C dla węgli kamiennych. W przypadku węgli brunatnych, które mają krytyczny punkt spiekania popiołu przykładowo 1000°C, zasadniczo całkowite zgazowywanie następuje, kiedy temperatury przy odprowadzeniu surowego gazu mają wartości od 900 do 950°C (przedział różnicy temperatury: od 50 do 100 K). Wynalazek wykorzystuje zatem odpowiedni dla większości pylistych węgli brunatnych zakres temperatury pomiędzy tymi dwiema charakterystycznymi wartościami temperatury. Jeżeli krytyczny punkt spiekania popiołu tSp jest mniejszy od temperatury koniecznej do zgazowywania, jak na przykład przy wielu biomasach, wówczas do reaktora zgazowywania w przepływie strumieniowym dodatkowo doprowadza się dodatki podwyższające temperaturę topnienia i temperaturę spiekania, aby krytyczny punkt spiekania popiołu tSp podnieść powyżej temperatury zgazowywania. Dodatki podwyższające punkt spiekania można przy tym wprowadzać razem z paliwami stałymi lub oddzielnie.

Cyrkulujący wewnątrz przepływ strumieniowy wytwarza się następująco. Paliwa stałe, podobnie jak pierwsze czynniki zgazowujące, są z przestrzennym oddzieleniem wprowadzane do komory zgazowywania w dolnym obszarze strumieniowego przepływu, przy czym możliwe jest również doprowadzenie paliwa w postaci szlamu. Zależnie od wydajności cieplnej reaktora do zgazowywania strumieniowego i od paliwa, które ma być doprowadzone, przewidziano jedną lub więcej doprowadzających dysz, korzystnie rozmieszczonych na obwodzie reaktora zgazowywania strumieniowego, korzystnie dysze są rozmieszczone w jednej płaszczyźnie. Pierwsze czynniki zgazowujące wtryskuje się za pomocą dysz, przy czym wtryskiwanie to skierowane jest przeważnie poziomo oraz przeważnie promieniowo względem osi przepływu komory zgazowywania i następuje z prędkością większą niż 10 m/s do około 80 m/s. Dysze czynników zgazowujących usytuowane są również korzystnie w jednej płaszczyźnie. Możliwe jest również doprowadzanie miejscowo oddzielonego wprowadzania paliw i czynników zgazowujących przez jeden lub więcej palników pyłu. Zgazowywanie strumieniowe w wewnętrznie cyrkulującym przepływie dzięki bardzo dużej prędkości nagrzewania i szybkiemu rozdzielaniu w komorze reakcji umożliwia stosowanie węgli spiekanych i tworzących pory, jak również stosowanie węgli o dużej zawartości popiołu i najwyższych temperaturach płynięcia popiołu. Decydujące jest przy tym to, że w obszarach płomieniowych ustalają się temperatury, które przewyższają temperatury punktu płynięcia popiołu o około 1000 K i więcej.

Na skutek czynników zgazowujących wchodzących z dużymi prędkościami przepływu do komory zgazowywania, przed dyszami czynników zgazowujących powstają obszary płomieniowe o temperaturze do powyżej 2000°C, które wytwarzają skierowany do góry gorący przepływ, korzystnie w postaci przepływu środkowego. W tych obszarach płomieniowych i w obszarze gorącym powstającego

PL 209 860 B1 przepływu środkowego popiół topi się i zbryla. Na skutek tego powiększa on wielkość swego ziarna na tyle (w przybliżeniu 1 - 5 mm), aż aglomeraty z przepływu strumieniowego opadają do dołu na ruchome złoże. Wraz ze zwiększającą się wysokością obszary płomieniowe lub środkowy przepływ rozszerzają się, aż przy odpływie surowego gazu wypełnią cały przekrój poprzeczny komory zgazowywania w przybliżeniu w postaci przepływu surowego gazu. Równocześnie przepływ chłodzi się na skutek reakcji endotermicznych na drodze przepływu do odpływu surowego gazu i osiąga temperatury odpowiadające temperaturom, kiedy endotermiczne reakcje zgazowywania kończą się.

Gorący przepływ środkowy jest otoczony przez skierowany do dołu zimny przepływ przyścienny, w którym również dominują reakcje endotermiczne. Przepływ przyścienny zawiera cząstki opadające z obszarów płomieniowych i ze środkowego przepływu do dołu pod działaniem siły ciężkości i jest silnie obciążony ciałami stałymi. Przepływ przyścienny miesza się przy dolnym końcu przepływu strumieniowego z powrotem z przepływem skierowanym do góry, przy czym większe cząstki opadają do dołu. Obszar reakcji cyrkulującego wewnątrz przepływu strumieniowego złożony jest zatem z jednego lub wielu gorących obszarów reakcji, w których przeważnie przebiegają egzotermiczne reakcje utleniania i w których następuje granulacja popiołów, oraz ze zbliżonej do ściany głowicy reaktora zgazowującego i do powierzchni ruchomego złoża obszarów „zimnej strefy reakcji, w których dominują endotermiczne reakcje zgazowywania i następuje zasadnicza przemiana węgla. Strefa przepływu rurowego przy górnym końcu komory zgazowywania tworzy poniekąd strefę buforową dla niezbędnego obniżenia temperatury przed wyprowadzeniem surowego gazu.

Już przy pierwszym przepływie wprowadzonych paliw lotnych przez gorące obszary reakcji, przeważająca część popiołów zostaje zgranulowana i opada na ruchome złoże. Na skutek warunków korzystnych do granulacji popiołów w środkowych, gorących obszarach reakcji ilość pyłów zabieranych przez zapylone surowe gazy zostaje sprowadzona do bardzo niskiego poziomu odpowiadającego od 1 do 1/2 ilości popiołów wprowadzanych wraz z lotnymi paliwami. Przez specyficzne ustanowienie reakcji zgazowywania i kierowanie przepływem tworzy się w niewielkiej przestrzeni warunki reakcji, które zapewniają odprowadzanie z reaktora zgazowującego surowych gazów z niewielkim obciążeniem pyłami w temperaturze poniżej krytycznego punktu spiekania popiołu tSp, które bez dodatkowych wydatków można doprowadzać do wytwornic pary w celu wykorzystania ciepła odlotowego. Gdyby przy silniej tworzących pyły paliwach ze względu na niemożliwe całkowicie do uniknięcia niebezpieczeństwo zanieczyszczenia i zatrzymania obciążonych pyłem surowych gazów odprowadzanych z reaktora zgazowują cego był o konieczne przeprowadzanie dalszego chł odzenia, wówczas przy wierzchołku reaktora zgazowującego wtryskuje się do strumienia przepływowego, korzystnie wodę lub parę wodną, zależnie od tego, czy potrzebne jest silne (> około 200, korzystnie > 100 K), czy słabsze chłodzenie (< około 200, korzystnie < około 100 K). Przy takim dodatkowym chłodzeniu następuje korzystnie przemiana reakcji endotermicznej wskutek przebiegających reakcji zgazowywania (konwersja przez szybkie chłodzenie gazów cieczą).

Ruchome złoże dostosowuje się do wymagań przepływu. Drugie ubogie w tlen czynniki zgazowujące doprowadza się w takiej ilości i o takim składzie, że z jednej strony nie przekracza się do góry temperatury mięknienia popiołu, a z drugiej strony przez ruchome złoże gazowe media przepływają regularnie, to znaczy ani kanałowo, ani warstwą wirową. Na skutek mniejszej zawartości tlenu zapewnia się, że popioły i granulaty popiołu przy uniknięciu mięknienia lub roztopienia zostają praktycznie całkowicie utlenione. Dostosowano się zatem do konieczności działania ruchomego złoża bez zapychania się i bez powstawania żużla. W zależności od poziomu temperatury mięknienia popiołu ze stosowanych paliw, jako odpowiednie okazały się wartości stężenia tlenu w zakresie od około 5 do około 20% obj. Tlen doprowadzany wraz z innymi ubogimi w tlen czynnikami zgazowującymi stanowi w przybliżeniu 10 - 30% całej ilości doprowadzanego tlenu. Większe wartości należy przypisywać węglom o dużej zawartości popiołu, ponieważ z większymi ilościami odprowadzanego popiołu związane są większe koszty przewozu węgla.

Zaleta wynalazku polega na tym, że chemiczne zużycie tlenu do utleniania popiołów powstających u dołu reaktora lub popiołów z paliwa jest mniejsze w porównaniu z klasycznym zgazowywaniem w złożu stałym, przykładowo w procesie Lurgi. Z tego ostatniego wiadomo, że pewien procent tlenu stosowanego do zgazowywania jest tracony dla właściwego procesu zgazowywania, ponieważ jest potrzebny do dalszego utlenienia przeważnie niezeszklonych popiołów powstających z paliwa do najwyższych stopni utlenienia. Tak nie jest w przypadku przedmiotowego wynalazku, ponieważ przeważające udziały ilościowe popiołów z paliw są stapiane w redukcyjnej atmosferze gazowej z minimal6

PL 209 860 B1 nym chemicznym zużyciem tlenu, a tworzące się przy tym granulaty popiołu zachowują się wobec tlenu obojętnie w ruchomym złożu.

Ilość doprowadzanych drugich czynników zgazowujących zostaje ograniczona do takiej wartości, że prędkości przepływu powstających surowych gazów z wtórnego zgazowywania przy górnym końcu ruchomego złoża (w odniesieniu do przekroju przepływu pozbawionego ciał stałych) nie przewyższają 0,1 - 0,5 m/s, korzystnie 0,1 - 0,3 m/s. Niska górna granica prędkości przepływu odnosi się do warunków w strumieniu przepływającym, przy których na skutek zastosowania czynników zgazowujących o stosunkowo niskim stężeniu tlenu przeważnie tworzą się bardzo drobnoziarniste granulaty popiołu o wielkości ziarna zasadniczo < 0,5 mm (na przykład przy paliwach z popiołami topiącymi się w wysokiej temperaturze, ale o niższych krytycznych wartościach temperatury spiekania popiołu), a wysoka granica górna odnosi się do warunków, przy których na skutek zastosowania czynników zgazowujących o stosunkowo dużej zawartości tlenu powstają przeważnie gruboziarniste granulaty popiołu o wielkości ziarna zasadniczo > 0,5 mm. Również w przypadku paliw o dużej zawartości popiołu może okazać się korzystne ustawienie dużych wartości prędkości przepływu około 0,5 m/s. Przetwarza się odpowiednio duże ilości węgla i odpowiednio chłodzi się popioły. Duże prędkości przepływu mają w całości dodatni wpływ, ponieważ zwiększają się wielkości ziaren aglomeratów tworzących ruchome złoże z pozytywnym skutkiem homogenizacji ruchomego złoża. Prędkości przepływu surowych gazów z wtórnej gazyfikacji przy wychodzeniu z ruchomego złoża, wynoszące 0,1 - 0,5 m/s, są wystarczająco duże, tak, że tylko bardzo niewielkie ilości paliw wprowadzonych do komory gazyfikacji osadzają się na ruchomym złożu. Stężenie węgla w ruchomym złożu jest zatem z reguły tak małe, że tlen występuje nadstechiometrycznie w stosunku do węgla i na skutek tego przetwarzanie węgla jest praktycznie całkowite oraz zapewnione jest całkowite utlenienie wszystkich nadających się do utlenienia składników popiołu. Surowe gazy z wtórnej gazyfikacji, wychodzące z ruchomego złoża do góry w cyrkulujący strumieniowy przepływ, zostają tam domieszane, obrobione cieplnie i uczestniczą w reakcji zgazowywania zgodnie z wystę pują cymi warunkami gazyfikacji.

Do chłodzenia utlenionych produktów dolnych w przeciwprądzie stosowane są korzystnie drugie czynniki gazyfikujące złożone z tlenu i dwutlenku węgla (zamiast pary wodnej), których temperatura jest możliwie zbliżona do temperatury otoczenia. Dzięki temu można wykorzystywać ciepło utlenionych produktów dolnych w procesie gazyfikacji w reaktorze gazyfikującym w przepływającym strumieniu, a z drugiej strony można zrezygnować z chłodzenia normalnie koniecznego przy obróbce popiołów. Zalety stosowania dwutlenku węgla są wyraźne dzięki temu, że temperatury wyprowadzania produktów dolnych, wynoszące poniżej około 650°C, korzystnie poniżej około 600°C, w przypadku tlenu i pary wodnej, jako drugiego czynnika zgazowują cego moż na obniż y ć do poniż ej okoł o 400°C, korzystnie do poniżej około 300°C w przypadku zastosowania dwutlenku węgla zamiast pary wodnej. Prawie pozbawione węgla, utlenione produkty dolne można bez problemu składować lub wykorzystywać wtórnie. Inny korzystny przykład realizacji wynalazku polega na tym, że parę wytworzoną w pł aszczu wodnym otaczają cym komorę zgazowywania częściowo lub cał kowicie doprowadza się do drugich czynników zgazowujących.

Należy jeszcze zwrócić uwagę na to, że wysokość zasypania ruchomego złoża podczas działania określa się przez pomiar stanu napełnienia, na przykład radiometrycznie i przez regulowanie odprowadzania produktu dolnego ustawia się na żądanej wysokości i/lub stabilizuje się. Wyprowadzanie produktu dolnego odbywa się przykładowo za pomocą obrotowego rusztu o znanej i sprawdzonej konstrukcji. Obrotowy ruszt służy równocześnie do doprowadzania i rozdzielania drugich czynników gazyfikujących na przekroju poprzecznym ruchomego złoża.

Według wynalazku zadanie to zostało rozwiązane przez reaktor zgazowujący do zgazowywania strumieniowego paliw stałych pod ciśnieniem, którym zasadniczo jest chłodzony ciśnieniowy zbiornik 3 posiadający ochronę cieplną wewnętrznego płaszcza 7, przy czym przy górnym końcu ciśnieniowego zbiornika 3 umieszczony jest, co najmniej jeden odpływ 8 surowego gazu, a przy dolnym końcu umieszczone jest, co najmniej jedno odprowadzenie 9 produktu dolnego, pomiędzy którymi ciśnieniowy zbiornik 3 ma, co najmniej komorę na ruchome złoże oraz na wewnętrzny przepływ cyrkulujący i strumieniowy nad powierzchnią 12 tego ruchomego złoża, a ponadto ma strefę buforową usytuowaną nad tym złożem, przy czym na wysokości w przybliżeniu 1 - 3 m nad powierzchnią 12 ruchomego złoża 13 usytuowane są króćce 15 doprowadzające pyłowe paliwa i dysze 16 do wprowadzania pierwszych zgazowujących czynników 17, przy czym dysze czynników zgazowujących są wykonane tak, że pierwsze czynniki zgazowujące są wtryskiwane w przepływ strumieniowy tak, że powstaje skierowany do góry gorący przepływ środkowy oraz skierowany do dołu zimny przepływ przyścienny,

PL 209 860 B1 a ponadto przy odprowadzeniu 9 produktu dolnego usytuowane jest, co najmniej jedno urzą dzenie doprowadzające drugie czynniki zgazowujące.

Ściany otaczające komorę zgazowywania, które sięgają od odpływu 8 surowego gazu przy górnym końcu aż do odprowadzenia 9 produktu dolnego przy dolnym końcu reaktora do zgazowania w przepływie strumieniowym, są na swej wysokości wykonane korzystnie bez technicznych zmian przekroju poprzecznego, najprościej w kształcie cylindra. Całe urządzenie zgazowujące jest korzystnie analogiczne jak urządzenia zgazowujące ze stałym złożem wyposażone w celu chłodzenia w płaszcz wodny, ale można również stosować rurowe ścianki membranowe chłodzone wodą. Zabezpieczenie wewnętrznego płaszcza 7 urządzenia zgazowującego po stronie gorącej polega korzystnie na zwykłym okołkowaniu lub na cienkiej powłoce ceramicznej, na przykład z SiC lub innych ognioodpornych materiałów ceramicznych stanowiących ochronę ceramiczną.

Dysze 16 czynników zgazowujących są w korzystnym przykładzie realizacji wynalazku rozmieszczone równomiernie na obwodzie zewnętrznego ciśnieniowego płaszcza 5, usytuowane promieniowo i pod kątem 10 - 30° do góry.

Doprowadzające króćce 15 na paliwa stałe są korzystnie umieszczone w przybliżeniu na jednakowej wysokości lub poniżej dysz czynników zgazowujących.

Wysokość usytuowania dysz czynników zgazowujących i króćców doprowadzających jest zmienna w określonych granicach. Króćce doprowadzające usytuowane są w przybliżeniu na jednakowej wysokości lub do około 1 m poniżej dysz czynników zgazowujących i co najmniej w przybliżeniu 1 m powyżej powierzchni nasypowej ruchomego złoża. Korzystnie dysze czynników zgazowujących i króć ce doprowadzają ce są umieszczone na wspólnej pł aszczyź nie w przybliż eniu 1 - 3 m powyż ej powierzchni nasypowej ruchomego złoża. Utrzymanie minimalnego odstępu pionowego króćców doprowadzających od ruchomego złoża zapewnia niezakłócone doprowadzanie paliw stałych, a takie samo lub niższe usytuowanie króćców doprowadzających względem dysz czynników zgazowujących zapewnia, że wolny tlen nie reaguje w pobliżu ściany z paliwami stałymi.

Odprowadzenie 9 produktu dolnego jest korzystnie wykonane, jako obrotowy ruszt.

Cyrkulujący wewnątrz przepływ strumieniowy 11 jest utworzony powyżej powierzchni 12 ruchomego złoża 13. Powyżej cyrkulującego wewnątrz przepływu strumieniowego 11 jest usytuowany obszar buforowy.

Połączenie cyrkulującego wewnątrz strumieniowego przepływu i ruchomego złoża poniżej tego cyrkulującego strumieniowego przepływu zgodnie z wynalazkiem prowadzi do zasadniczego uproszczenia całego urządzenia i zakładu gazyfikującego. Najważniejsze uproszczenia dotyczą reaktora do zgazowywania w przepływającym strumieniu. Otaczające ściany komory gazyfikacji, które od wylotu surowego gazu przy górnym końcu sięgają aż do odprowadzenia produktu dolnego przy dolnym końcu urządzenia gazyfikującego w przepływającym strumieniu, są na całej wysokości wykonane bez technicznych zmian przekroju poprzecznego, najprościej w postaci cylindra. Osłona cieplna płaszcza wewnętrznego urządzenia gazyfikującego po stronie gorącej utworzona jest korzystnie przez zwykłe kołkowanie i powłokę ceramiczną. Wymurówka nie jest konieczna. W przypadku powłok ceramicznych możliwe do realizacji są szybkie czasy rozruchu i zatrzymania. Po stronie surowego gazu nie jest konieczne stosowanie działających na gorąco separatorów cyklonowych, zimnego gaszenia gazu oraz urządzenia do chłodzenia i dalszej obróbki oddzielonych pyłów, a po stronie produktu dolnego również urządzenia chłodzącego i przeprowadzającego dalszą obróbkę. Wreszcie doprowadzanie czynników zgazowujących i paliw stałych upraszcza się drastycznie, przy czym zamiast kosztownych zintegrowanych konstrukcji palnikowych można stosować oddzielne systemy z chłodzonymi doprowadzeniami rurowymi.

Przedmiotem wynalazku jest również urządzenie do zgazowywania w strumieniu przepływającym pod ciśnieniem. Urządzenie to złożone jest z reaktora zgazowującego według wynalazku z przynależnymi urządzeniami do doprowadzania czynników zgazowujących i paliw stałych, do dalszej obróbki surowych gazów i do odprowadzania popiołów.

Odpływ 8 surowego gazu z reaktora zgazowującego jest połączony z wymiennikiem 25 ciepła odlotowego, za którym dołączony jest osadnik pyłu do oddzielania pyłów zawartych w przepływie oraz przenośnik do zawracania oddzielonych pyłów do komory cyrkulującego strumieniowego przepływu 11.

Surowe gazy opuszczające separator pyłu mogą być wykorzystywane lub przed wykorzystaniem doprowadzane do urządzenia przetwarzającego gaz.

Wynalazek zostanie dokładniej opisany na podstawie rysunku.

Rysunek przedstawia schematycznie w znacznym uproszczeniu zgazowujący reaktor 1 z cyrkulującym przepływem strumieniowym. Komora 3 zgazowywania reaktora 1 do zgazowywania w prze8

PL 209 860 B1 pływie strumieniowym umieszczona jest w cylindrycznym ciśnieniowym zbiorniku 4, który złożony jest z zewnę trznego ciś nieniowego pł aszcza 5, wodnej komory 6 oraz wewnę trznego p ł aszcza 7. Wewnętrzny płaszcz 7 jest kołkowany i wyłożony ogniotrwałym materiałem, jako osłoną ceramiczną. Przy górnym końcu reaktora 1 zgazowywania w przepływie strumieniowym usytuowany jest odpływ 8 surowego gazu, a przy dolnym końcu odprowadzenie 9 produktu dolnego, przy czym na rysunku z tego odprowadzenia zaznaczono tylko górny kontur obrotowego rusztu 10. Cyrkulujący wewnątrz strumieniowy przepływ 11 jest kształtowany przez powierzchnię 12 ruchomego złoża 13. Na płaszczyźnie 14 na wysokości około 1 m powyżej powierzchni 12 ruchomego złoża 13 usytuowane są przestawione o 180° dwa doprowadzają ce króć ce 15 do doprowadzania pylistego suchego brunatnego wę gla 2 i sześć dysz 16 czynników zgazowujących do zasilania pierwszymi zgazowującymi czynnikami 17. Dysze 16 czynników zgazowujących są rozmieszczone równomiernie na obwodzie zewnętrznego ciśnieniowego płaszcza 5. Są one usytuowane promieniowo i z nachyleniem pod kątem 30° do góry.

Odpływ 8 surowego gazu jest połączony z wymiennikiem 25 ciepła odlotowego, za którym dołączony jest filtr 26 gorącego gazu do oddzielania porywanych pyłów oraz przenośnik do zawracania oddzielonych pyłów 20 do cyrkulującego wewnątrz strumieniowego przepływu 11.

W zgazowującym reaktorze 1 do zgazowywania w strumieniu przepływającym przy ciśnieniu 3,3 MPa (33 bary) zgazowuje się pylisty suchy brunatny węgiel 2 o zawartości wody 12% wagowe, o zawartości popiołu 6% wagowe oraz o krytycznej temperaturze spiekania popiołu 1000°C. Ilościowe doprowadzanie pierwszych zgazowujących czynników 17 jest ponadto dla lepszej zrozumiałości objaśnione na podstawie jednego kilograma suchego brunatnego węgla 2. Na 1 kg suchego brunatnego węgla 2 doprowadza się razem 0,366 m³ (w stanie normalnym) tlenu 18, 0,058 m³ (w stanie normalnym) dwutlenku węgla 29 oraz 0,171 kg pary wodnej 19.

Pierwsze zgazowujące czynniki 17 wtryskiwane są z prędkością przepływu 30 m/s, w temperaturze 280°C przez dysze 16 czynników zgazowujących do komory 3 zgazowywania zgazowującego reaktora 1. W cyrkulujący wewnętrznie strumieniowy przepływ 11 oprócz pierwszych zgazowujących czynników 17 oraz pylistego suchego brunatnego węgla 2 wprowadza się zawrócone do obiegu pyły 20 oraz surowy gaz 21 z wtórnego zgazowywania opuszczający do góry ruchome złoże 12.

Przy intensywnym mieszaniu uczestniczących materiałów wejściowych wewnątrz cyrkulującego strumieniowego przepływu 11 tworzy się skierowany do góry, gorący środkowy przepływ 22, który jest otoczony skierowanym do dołu zimnym przyściennym przepływem 23. W skierowanym do góry, gorącym środkowym przepływie 22 popioły zbrylają się tworząc granulat popiołu, który z wielkością ziaren zasadniczo 2 mm opada osadzając się na powierzchni ruchomego złoża 12. Zawierający pył w ilości w przybliż eniu 30 g/m³ (w warunkach normalnych) surowy gaz 24, przy czym pył ten jest iloś ciowo złożony po połowie z węgła i popiołu, opuszcza reaktor 1 zgazowywania w temperaturze w przybliżeniu 950°C przez odpływ 8 surowego gazu i dostaje się poprzez wymiennik 25 ciepła odlotowego, w którym zostaje schłodzony do temperatury w przybliżeniu 250°C, do filtra 26 gorącego gazu. Tam doprowadzony pył 20 zostaje praktycznie całkowicie oddzielony i za pomocą urządzenia 27 zostaje zawrócony do cyrkulującego strumieniowego przepływu 11.

Poprzez obrotowy ruszt 10 drugie czynniki zgazowujące 28, utworzone przez zmieszanie tlenu 18 i dwutlenku wę gla 29 w stosunku obję toś ciowym 10% obj. tlenu i 90% obj. dwutlenku wę gla, zostają w temperaturze 80°C wprowadzone w ruchome złoż e 13. Odprowadzane przez odprowadzenie 9 produktu dolnego utlenione dolne produkty 30, opuszczają reaktor 1 zgazowywania w strumieniu przepływającym w temperaturze 140°C. Zawartość węgla wynosi w nich < 2% wagowych, tak, że bez dalszej obróbki można je bez zagrożenia dla środowiska składować lub spożytkować. Drugie zgazowujące czynniki 28 doprowadza się ilościowo tak, że na powierzchni 12 ruchomego złoża 13 ustalają się prędkości przepływu w odniesieniu do swobodnego przekroju przepływu około 0,3 m/s. Dzięki temu zapewnia się równomierny, regularny przepływ ruchomego złoża 13.

Wykaz oznaczeń reaktor zgazowywania w przepływie strumieniowym suchy pylisty wę giel brunatny cylindryczny zbiornik ciśnieniowy zbiornik ciś nieniowy zewnę trzny płaszcz ciśnieniowy komora wodna płaszcz wewnętrzny odpł yw surowego gazu

PL 209 860 B1 odprowadzenie produktu dolnego górny kontur obrotowego rusztu wewnętrzny cyrkulacyjny przepływ strumieniowy powierzchnia ruchome złoże płaszczyzna króciec doprowadzający dysza czynników zgazowujących pierwsze czynniki zgazowujące tlen para wodna pyły surowy gaz z wtórnej gazyfikacji gorący przepływ środkowy zimny przepływ przyścienny surowy gaz obciążony pyłem wymiennik ciepła odlotowego filtr gorącego gazu urządzenie do odprowadzenia pyłu drugie czynniki zgazowujące dwutlenek węgla utleniony produkt dolny

Claims (19)

1. Sposób strumieniowego zgazowywania paliw stałych pod ciśnieniem, w którym paliwa stałe są przetwarzane za pomocą czynników zgazowujących, złożonych przeważnie z tlenu, do produktów zgazowywania, którymi są surowy gaz i żużel, znamienny tym, że w skierowanym do góry, wewnętrznie cyrkulującym strumieniowym przepływie mediów przy użyciu pierwszych bogatych w tlen czynników zgazowujących prowadzi się

a. daleko idące pełne zgazowanie składników paliw stałych zawierających węgiel i

b. obróbkę termiczną gazów ze zgazowywania wtórnego, jak również

c. granulowanie popiołu w temperaturze powyżej punktu mięknienia popiołu, po czym otrzymuje się zawierające węgiel pozostałości ze zgazowywania, granulat popiołu oraz zawierające pył surowe gazy, które w temperaturze poniżej krytycznej temperatury spiekania popiołu odprowadza się ze strumieniowego przepływu mediów do góry do strefy buforowej, a stąd do dalszego przetwarzania przy czym pierwsze czynniki zgazowujące wtryskuje się w strumieniowy przepływ tak, że powstaje skierowany do góry, gorący przepływ środkowy oraz skierowany do dołu zimny przepływ przyścienny, a ponadto w ruchomym złożu usytuowanym pod strumieniowym przepływem, przy użyciu drugich ubogich w tlen czynników zgazowujących prowadzi się silne aż do pełnego utlenianie opadających do dołu ze strumieniowego przepływu, zawierających węgiel pozostałości ze zgazowywania i granulatu popiołu utrzymując temperaturę w wysokości poniżej temperatury mięknienia popiołu, i otrzymuje się powstające surowe gazy ze zgazowywania wtórnego i utlenione produkty dolne, przy czym drugie czynniki zgazowujące doprowadza się w takiej ilości i z takim składem, że z jednej strony temperatura mięknienia popiołu w ruchomym złożu nie jest przekraczana do góry, a z drugiej strony istnieje regularny przepływ przez to ruchome złoże, zaś utlenione produkty dolne odprowadza się w przeciwprądzie względem drugich czynników zgazowujących do dołu z ruchomego złoża, a surowe gazy ze zgazowywania wtórnego odprowadza się z ruchomego złoża do góry do strumieniowego przepływu.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że obciążone pyłem surowe gazy odprowadzone ze strumieniowego przepływu korzystnie bezpośrednio doprowadza się do wymienników ciepła, a nastę pnie do osadników pył u w celu oddzielenia pył ów zawierają cych wę giel, a ponadto oddzielone pyły zawierające węgiel zawraca się do strumieniowego przepływu.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pierwsze czynniki zgazowujące doprowadza się z zawartością tlenu od 21 do 100% obj.

PL 209 860 B1

4. Sposób według zastrz. 1 - 3, znamienny tym, że drugie czynniki zgazowujące doprowadza się z zawartością tlenu od 5 do 20% obj.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że drugie ubogie w tlen czynniki zgazowujące złożone są z tlenu i dwutlenku węgla i wprowadza się je w ruchome złoże w temperaturze korzystnie mniejszej niż 100°C.

6. Sposób według zastrz. 1 - 5, znamienny tym, że paliwa stałe wybiera się z pyłów zawierających węgiel lub ich mieszanin, albo zawierających ciała stałe zawiesin paliwa z wodą lub paliwa z olejem.

7. Sposób według zastrz. 1 - 6, znamienny tym, że paliwa stałe doprowadza się na jednakowej wysokości, i/lub do około 1 m poniżej wysokości doprowadzania pierwszych czynników zgazowujących, korzystnie, co najmniej około 1 m powyżej powierzchni ruchomego złoża.

8. Sposób według zastrz. 1 - 7, znamienny tym, że paliwa stałe wprowadza się za pomocą strumieniowego podajnika i/lub w postaci zawiesin.

9. Sposób według zastrz. 1 - 8, znamienny tym, że pierwsze czynniki zgazowujące wtryskuje się w komorę zgazowywania z prędkościami przepływu od > 10 do około 80 m/s.

10. Sposób według zastrz. 1 - 9, znamienny tym, że do paliw stałych, których krytyczna temperatura spiekania popiołu jest niższa od temperatury koniecznej do zgazowywania, dodaje się dodatki zwiększające temperaturę topnienia i temperaturę spiekania.

11. Reaktor do strumieniowego zgazowywania paliw stałych pod ciśnieniem złożony zasadniczo z chłodzonego ciśnieniowego zbiornika (3) z wewnętrznym płaszczem (7) z osłoną cieplną, przy czym przy górnym końcu cylindrycznego ciśnieniowego zbiornika (3) usytuowany jest odpływ (8) surowego gazu, a przy dolnym końcu co najmniej jedno odprowadzenie (9) produktu dolnego, znamienny tym, że ciśnieniowy zbiornik (3) ma co najmniej komorę na ruchome złoże oraz cyrkulujący wewnętrznie nad powierzchnią (12) tego ruchomego złoża strumieniowy przepływ medium, a ponadto ma strefę buforową, przy czym na wysokości w przybliżeniu 1 - 3 m nad powierzchnią (12) ruchomego złoża (13) usytuowany jest króciec (15) doprowadzania paliw stałych i dysze (16) czynników zgazowujących do wprowadzania pierwszych zgazowujących czynników (17), przy czym te dysze czynników zgazowujących są skierowane pod kątem, przy którym pierwsze czynniki zgazowujące są wtryskiwane w strumieniowy przepływ tak, że tworzy on skierowany do góry gorący przepływ środkowy oraz skierowany do dołu zimny przepływ przyścienny, a ponadto przy odprowadzeniu (9) produktu dolnego umieszczone jest co najmniej jedno urządzenie doprowadzające drugie czynniki zgazowujące.

12. Reaktor zgazowujący według zastrz. 11, znamienny tym, że dysze (16) czynników zgazowujących są rozmieszczone równomiernie na obwodzie zewnętrznego ciśnieniowego płaszcza (5) i skierowane promieniowo oraz nachylone pod ką tem 10 - 30° do góry.

13. Reaktor zgazowujący według zastrz. 11 albo 12, znamienny tym, że ciśnieniowy zbiornik (3) jest wykonany jako cylindryczny zbiornik ciśnieniowy bez technicznie znaczących zmian przekroju poprzecznego.

14. Reaktor zgazowujący według zastrz. 11 - 13, znamienny tym, że wewnętrzny płaszcz (7) jest kołkowany i osłonięty ceramiczną warstwą osłony cieplnej z SiC i/lub innego ogniotrwałego materiału ceramicznego.

15. Reaktor zgazowujący według zastrz. 11 - 13, znamienny tym, że zbiornik ciśnieniowy ma chłodzoną wodą rurową ścianę membranową.

16. Reaktor zgazowujący według zastrz. 11-15, znamienny tym, że króćce (15) doprowadzające stałe paliwo są usytuowane na prawie jednakowej wysokości lub poniżej dysz czynnika zgazowującego.

17. Reaktor zgazowujący według zastrz. 11-15, znamienny tym, że odprowadzenie produktu dolnego jest wykonane jako obrotowy ruszt.

18. Urządzenie do zgazowywania strumieniowego pod ciśnieniem, znamienne tym, że zawiera co najmniej jeden reaktor zgazowujący opisany zastrz. 11 - 17 z przyporządkowanymi mu urządzeniami do doprowadzania czynników zgazowujących i paliw stałych, do dalszego przetwarzania surowych gazów i odprowadzania popiołów, przy czym odpływ (8) surowego gazu z reaktora zgazowującego jest połączony z wymiennikiem (25) ciepła odlotowego, do którego dołączony jest separator (26) pyłu do oddzielania pyłów zawartych w gazie oraz przenośnik przepływowy do zawracania oddzielonych pyłów zawierających węgiel do wewnętrznie cyrkulującego przepływu strumieniowego (11).

19. Urządzenie według zastrz. 18, znamienne tym, że odpływ surowego gazu z separatora (26) pyłu jest połączony z urządzeniem do oczyszczania gazu.