RU2294354C2 - Способ плазмотермической переработки органического топлива и установка для его осуществления - Google Patents
Способ плазмотермической переработки органического топлива и установка для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2294354C2 RU2294354C2 RU2005113825/04A RU2005113825A RU2294354C2 RU 2294354 C2 RU2294354 C2 RU 2294354C2 RU 2005113825/04 A RU2005113825/04 A RU 2005113825/04A RU 2005113825 A RU2005113825 A RU 2005113825A RU 2294354 C2 RU2294354 C2 RU 2294354C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- plasma
- gasifier
- slag
- synthesis gas
- gas
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
- C10J3/72—Other features
- C10J3/721—Multistage gasification, e.g. plural parallel or serial gasification stages
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
- C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
- C10J3/54—Gasification of granular or pulverulent fuels by the Winkler technique, i.e. by fluidisation
- C10J3/56—Apparatus; Plants
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J3/00—Production of combustible gases containing carbon monoxide from solid carbonaceous fuels
- C10J3/72—Other features
- C10J3/723—Controlling or regulating the gasification process
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
- F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
- F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
- F02C3/20—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products
- F02C3/26—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being solid or pulverulent, e.g. in slurry or suspension
- F02C3/28—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid using a special fuel, oxidant, or dilution fluid to generate the combustion products the fuel or oxidant being solid or pulverulent, e.g. in slurry or suspension using a separate gas producer for gasifying the fuel before combustion
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J2300/00—Details of gasification processes
- C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
- C10J2300/0913—Carbonaceous raw material
- C10J2300/093—Coal
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J2300/00—Details of gasification processes
- C10J2300/09—Details of the feed, e.g. feeding of spent catalyst, inert gas or halogens
- C10J2300/0953—Gasifying agents
- C10J2300/0973—Water
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J2300/00—Details of gasification processes
- C10J2300/12—Heating the gasifier
- C10J2300/123—Heating the gasifier by electromagnetic waves, e.g. microwaves
- C10J2300/1238—Heating the gasifier by electromagnetic waves, e.g. microwaves by plasma
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
- C10J—PRODUCTION OF PRODUCER GAS, WATER-GAS, SYNTHESIS GAS FROM SOLID CARBONACEOUS MATERIAL, OR MIXTURES CONTAINING THESE GASES; CARBURETTING AIR OR OTHER GASES
- C10J2300/00—Details of gasification processes
- C10J2300/16—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant
- C10J2300/1603—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with gas treatment
- C10J2300/1621—Compression of synthesis gas
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/16—Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]
- Y02E20/18—Integrated gasification combined cycle [IGCC], e.g. combined with carbon capture and storage [CCS]
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
Abstract
Изобретение относится к технологии комплексной переработки твердого топлива и конструкции устройства для его переработки. Способ плазмотермической переработки органического топлива, включает газификацию органического топлива одновременно с процессом высокотемпературного пиролиза в присутствии реагента, который впрыскивают в реакционную зону с помощью плазменных источников, охлаждение и очистку от примесей полученного синтез-газа. Газификацию исходного сырья в каждом газификаторе производят поочередно в потоке плазмы таким образом, что после окончания окислительного режима в первом газификаторе, отключают в нем плазменную струю, и режим окисления производят во втором газификаторе, при этом цикличность проведения режимов повторяют до достижения высоты жидкого шлака в одном из газификаторов, которая определяется по зависимости:
где Δ - высота жидкого шлака; GП - расход плазмообразующего газа, кг/с; ρП - плотность плазмы, кг/м; ρШ - плотность шлака, кг/м3; dС - диаметр выходного сопла плазмотрона, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; π=3,14. Затем производят продувку жидкого шлака восстановительной плазменной струей и, после слива металла и шлака в одном газификаторе, повторно загружают его исходным сырьем, и цикл повторяют, при этом в качестве одного из плазмообразующих компонентов используют воду. Установка представляет собой два блока - блок газификации и блок преобразования энергии. Блок газификации состоит из спаренных газификаторов и ресивера-циклона, обеспечивающего выравнивание давления синтез-газа в системе и предварительную очистку его от пыли. Плазмотроны обеспечивают работу как в окислительном, так и в восстановительном режимах. Блок преобразования энергии включает систему охлаждения и очистки синтез-газа, газотурбинную и паротурбинную установки с электрическим генератором. При плазмотермической газификации угля выбросы в атмосферу в десятки раз меньше, чем при любых других процессах, основанных на сжигании угля. Способ и установка позволяют эффективно перерабатывать исходное углесодержащее сырье любого фракционного состава с максимальным извлечением качественных готовых продуктов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Взаимосвязанная группа изобретений относится к технологии комплексной переработки твердого топлива и конструкции устройства, которое используется при этом, в частности к технологии газификации низкокачественного угля низкотемпературной плазмой с получением горючего синтез-газа для его дальнейшего сжигания в энергетических установках, а также для получения металлопродукции, и может быть использована во многих отраслях промышленности и коммунальном хозяйстве.
Известен способ газификации углей, включающий ввод пылевидного топлива посредством дутья и газифицирующего агента в реакционную камеру, в котором, перед вводом топлива в реакционную камеру, часть топлива с окислителем подают в подготовительные камеры, выполненные в виде муфеля, в которых предварительно генерируют поток низкотемпературной плазмы, осуществляют смешение потока низкотемпературной плазмы с пылевидным топливом, нагрев и возгорание топлива, и поддерживают процесс горения в подготовительных камерах, выполненных в виде муфеля, затем продукты сгорания направляют в реакционную камеру, в которую тангенциально вводят основной поток пылевидного топлива и газифицирующий агент для осуществления полной газификации топлива, при этом в качестве окислителя используют воздух, а в качестве газифицирующего агента - перегретый пар (Патент России №2062287, заявл. 14.04.94, опубл. Бюл. №17, 1996).
Указанный способ не обеспечивает полную переработку исходного сырья и характеризуется невысокой производительностью и сложностью технологического процесса.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является плазмотермический способ переработки угля в синтез-газ, который включает подготовку, термообработку и газификацию угля с помощью плазмы, а процесс газификации осуществляют в три стадии, две из которых ведут в трубчатых теплообменниках газификационной колонны, а третью заключительную стадию газификации проводят непосредственно в объеме плазмотрона одновременно с процессом высокотемпературного пиролиза в присутствии реагента. При этом подготовку угля осуществляют путем диспергирования в метановой воде, в которую добавляют поверхностно-активные вещества - алкилоламиды и полученную угольную суспензию нагревают перед первой стадией газификации до 500-600К в потоке отходящих из газификационной колоны дымовых газов, а перед второй стадией газификации нагревают до 1200-1400К в потоке синтез-газа, отводимого из плазмотрона, при этом в качестве реагента при высокотемпературном пиролизе используют пары воды, которые впрыскивают в реакционную зону с помощью плазменного источника, так что вектор скорости движения плазменных струй и вектор скорости газифицируемой смеси противоположны друг другу при проекции на ось плазмотрона и совпадают при их проекции на плоскость, перпендикулярную оси плазмотрона, а полученный в плазмотроне синтез-газ охлаждают и очищают от смеси в центробежно-барабанном аппарате с помощью атмосферного воздуха и воды, а атмосферный воздух затем используют с частью синтез-газа в топочном устройстве газификационной колоны, а воду подают в диспергирующее устройство для приготовления угольной суспензии (Патент России №2047650, заявл. 28.09.93, опубл. Бюл. №31, 1995).
Однако известный способ недостаточно экономичен, поскольку предварительная подготовка исходного сырья и многостадийность процесса газификации отрицательно сказываются на энергетическом балансе процесса в целом. Кроме того, он не обеспечивает полного извлечения из исходного сырья ценных компонентов, так как предназначен исключительно для получения газообразных и жидких конечных продуктов, в то время как отходящие расплавленные шлаки имеют достаточно высокое содержание окислов железа (до 24%) и окислов кремния (до 40%).
Известна энерготехнологическая установка, содержащая футерованный газификатор для получения синтез-газа с установленным в его нижней части плазмотроном, а в верхней - дозатором подачи твердого низкосортного топлива и патрубками отвода нагретого синтез-газа и отвода шлака (А.Г.Артамонов. Переработка различных органических отходов в плазмохимическом реакторе. В кн. Аппараты высокотемпературной техники. - М.: Московский институт химического машиностроения, Межвузовский сборник научных трудов, 1988, с.63-64).
Данная установка предназначена исключительно для получения газа, при этом твердый металл используется практически полностью, а отходами является зола и шлак. Конструкция указанной установки не обеспечивает достаточной гибкости технологического процесса в отношении производства других продуктов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату (прототип) является комбинированная парогазовая установка с плазмотермической газификацией угля, которая включает две паровые и одну газовую турбины с электрогенераторами, плазмотермический газификатор с узлом подачи угля, парогенераторы, котел-утилизатор, камеру сгорания, газовый аккумулятор, систему очистки газа, воздушный и газовые компрессоры и каталитический реактор для получения сжиженных углеводородов, отличающаяся тем, что один из парогенераторов установлен внутри плазмотермического газификатора, имеющего по меньшей мере два плазмотрона на парах воды, и гидравлически связан с паровой турбиной, узлом подачи угля и одним из плазмотронов, второй парогенератор установлен внутри котла-утилизатора под газовой горелкой для сжигания синтез-газа и гидравлически связан с второй паровой турбиной, узлом подачи угля и другим плазмотроном, при этом оба парогенератора гидравлически связаны с контуром утилизации тепла, а выход газовой турбины расположен внутри котла - утилизатора в зоне действия пламени его газовой горелки и гидравлически связан через теплообменник парогенератора и дымосос с дымовой трубой, при этом система очистки синтез-газа разделена на две ступени, связанные с плазмотермическим газификатором при помощи пароэжектора и между собой - с помощью газодувки, из которых первая ступень - мокрая и включает центробежно-барботажный аппарат с рециркуляционным контуром жидкого абсорбента и устройством для удаления шлака, а вторая ступень - сухая и включает сменный блок катализаторов с электрофильтрами и устройством для удаления серы и ее соединений, а газовая горелка котла-утилизатора, камера сгорания газовой турбины и газовый аккумулятор гидравлически соединены с газовым компрессором низкого давления, расположенным после второй ступени очистки синтез-газа, а в линии питания каталитического реактора синтез-газом установлен газовый процессор высокого давления и предусмотрено устройство для забора газообразного и сжиженного продуктов газификации, например синтез-газа и бензина (Патент России №2105040, заявл. 29.03.95, опубл. Бюл. №5, 1998).
Недостатком известной установки является неполное использование ее рабочего объема, ограниченная область ее применения - невозможность ее использования в металлургии. Образующийся в процессе газификации шлак находится при температуре газификации в жидком состоянии, а при поступлении шлака в нижнюю часть газификатора, где температура значительно ниже температуры газификации, жидкий шлак затвердевает и образует отложение на дне газификатора, что сокращает срок его работы. Кроме того, размещение парогенераторов внутри плазмотермического газификатора и котла-утилизатора в случае необходимости проведения на них ремонтных работ приводит к остановке установки в целом. В установке предусмотрена обязательная предварительная подготовка исходного топлива, что также снижает ее эффективность.
В основу первого из группы изобретений поставлена задача усовершенствования способа плазмотермической переработки органического топлива путем создания цикла безостановочной переработки любого углеродсодержащего сырья, любого фракционного состава, без его предварительной подготовки и максимально полного использования реакционного пространства газификаторов, который обеспечивает получение синтез-газа, использование его для получения электроэнергии, ферросилиция и наполнителей при сохранении чистоты окружающей среды и снижение энергозатрат.
В основу второго из группы изобретений поставлена задача усовершенствования установки для плазмотермической переработки органического топлива путем создания цикла безостановочной и безотходной переработки исходного сырья за счет последовательного размещения по ходу технологического процесса соответствующих аппаратов и полную переработку исходного сырья в едином технологическом агрегате при сохранения чистоты окружающей среды.
Первая поставленная задача решается тем, что в способе плазмотермической переработки органического топлива, в котором газификацию органического топлива производят одновременно с процессом высокотемпературного пиролиза в присутствии реагента, который впрыскивают в реакционную зону с помощью плазменных источников, охлаждение и очистку от примесей полученного синтез-газа, согласно изобретению газификацию исходного сырья в каждом газификаторе производят поочередно в потоке плазмы таким образом, что после окончания окислительного режима в первом газификаторе отключают в нем плазменную струю и режим окисления производят во втором газификаторе, при этом цикличность проведения режимов повторяют до достижения высоты жидкого шлака в одном из газификаторов, которая определяется по зависимости:
где Δ - высота жидкого шлака;
GП - расход плазмообразующего газа, кг/с;
ρП - плотность плазмы, кг/м3;
ρРАСП - плотность расплава, кг/м3;
dС - диаметр выходного сопла плазмотрона, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
π=3,14,
затем производят продувку жидкого шлака восстановительной плазменной струей и, после слива металла и шлака в одном газификаторе, повторно загружают его исходным сырьем и цикл повторяют, при этом в качестве одного из плазмообразующих компонентов используется вода.
Заявленный способ переработки твердого топлива позволяет в одном технологическом агрегате осуществлять в циклично-последовательных режимах процессы окисления путем обработки сырья, например угля, окислительной плазменной струей для получения синтез-газа для последующей выработки электроэнергии и процессы восстановления металлов из непрореагировавшего твердого остатка (шлака) путем периодической продувки шлака восстановительной плазменной струей с целью получения ценных компонентов, при этом в качестве одного из плазмообразующих компонентов используется вода. Приведенная аналитическая зависимость увязывает режим работы плазмотрона в расплаве шлака с газодинамическими параметрами жидкой ванны расплава. Если это соотношение не выполняется, то происходит газодинамическое запирание плазмотрона или расплав выплескивается из шлакосборника и накапливается на стенах окислительной зоны газификатора, образуя своды, мосты и настыли, в результате чего процесс прекращается. Замещение части реагента, включающего газообразный окислитель, например воздух или пар, на воду позволяет повысить эффективность процесса и снизить количество вредных выбросов NO2. Поскольку при плазменной конверсии воды образуются кислород и водород, то свободный кислород расходуется на окисление топлива, а водород используется как дополнительный топливный элемент, который повышает энергосодержание синтез-газа и сохраняет чистоту окружающей среды.
Другая поставленная задача решается тем, что в установке для плазмотермической переработки органического топлива, которая включает футерованный газификатор, связанный в верхней части с узлами подачи топлива, плазмотроны, камеру сгорания, шлакосборник, расположенный в нижней части газификатора, систему очистки синтез-газа, связанную с газификаторами, теплообменник, газовую и паровую турбины с электрогенераторами, котел-утилизатор, согласно изобретению установка снабжена дополнительным газификатором и ресивером-циклоном, связанными между собой в верхней части трубопроводом для транспортирования синтез-газа, ресивер-циклон в нижней части соединен наклонными пылепроводами с газификаторами, а плазмотроны установлены по обе стороны от плоскости разделительной перегородки газификатора и шлакосборника, соответственно в стенке каждого газификатора и шлакосборника оппозитно друг другу, причем в шлакосборниках выполнены летки для слива металлической лигатуры в изложницы и обедненного шлакового расплава в гранулятор, а ресивер-циклон трубопроводом подачи синтез-газа соединен с газоохладительным теплообменником, один трубопровод которого соединен с паровой турбиной, а второй - через систему горячей очистки и керамический фильтр связан с камерой сгорания газовой турбины, соединенной с котлом-утилизатором, при этом дополнительный выход керамического фильтра связан через блок автоматической подачи синтез-газа, блок дополнительной очистки и блок компримирования синтез-газа с плазмотронами.
Компоновочное решение агрегатов и узлов и их размещение по ходу технологического процесса обеспечило создание безотходной комплексной переработки исходного сырья в едином технологическом агрегате при сохранении чистоты окружающей среды.
Установка конструктивно представляет собой два блока - блок газификации и блок преобразования энергии. Блок газификации состоит из спаренных, футерованых огнеупорным кирпичом газификаторов и ресивера-циклона, расположенных в герметичном металлическом корпусе. Ресивер-циклон обеспечивает выравнивание давления синтез-газа в системе и одновременно служит первой ступенью очистки синтез-газа от пыли.
Размещение окислительных плазмотронов в нижней части газификаторов позволяет эффективно обрабатывать топливо в режиме противотока. Плазмотроны, установленные в шлакосборниках, обеспечивают работу как в окислительном, так и в восстановительном режимах, что позволяет использовать их дополнительно для газификации топлива, когда газификатор включен в режиме окисления с гибкой и мобильной системой управления, способной обеспечить быстрый переход с одного режима работы на другой.
Блок преобразования энергии включает систему охлаждения и очистки синтез-газа, газотурбинную и паротурбинную установки с электрическими генераторами и системой регенерации пара, системы очистки и удаления дымовых газов. Схема получения электроэнергии и синтез-газа достаточно гибкая и простая.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена схема установки для плазмотермической переработки органического топлива,
на фиг.2 - график расходов синтез-газа двух газификаторов.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Продувают плазменными окислительными струями углесодержащее сырье в объеме первого газификатора. В результате газификации получают синтез-газ, который направляют для последующего использования в производстве электроэнергии, а образующийся жидкий шлак накапливают в шлакосборнике до достижения им заданной высоты, которую определяют по зависимости:
где Δ - высота жидкого шлака;
GП - расход плазмообразующего газа, кг/с;
ρП - плотность плазмы, кг/м3;
ρШ - плотность шлака, кг/м3;
dС - диаметр выходного сопла плазмотрона, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
π=3,14,
после чего производят продувку жидкого шлака восстановительной плазмой и одновременно осуществляют цикл окисления углеродсодержащего сырья во втором газификаторе и, после слива металла и шлака из первого газификатора, производят его загрузку исходным сырьем и цикл повторяют. В зависимости от марки угля, его зольности, циклы работы газификаторов в окислительном режиме получения синтез-газа могут повторяться два-четыре раза до достижения жидким шлаком расчетной высоты в одном из газификаторов.
Такой циклически-последовательный режим позволяет с одной стороны непрерывно подавать синтез-газ потребителю, а с другой - обрабатывать жидкий шлак по мере его накопления.
Высоту Δ жидкого шлака в шлакосборнике определяют из условия равенства сил РП плазменного давления плазмотрона
и сил РШ давления столба шлака на выходное отверстие плазмотрона
где ρП - плотность плазмы, кг/м3;
VП - скорость плазмы, м/с;
FП - площадь выходного сопла плазмотрона. м;
ρШ - плотность шлака, кг/м3;
VШ - объем шлака над выходным соплом плазмотрона, м3;
g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/с2.
Используем очевидные соотношения
где FШ - площадь поперечного сечения столба шлака, м2;
Δ - высота жидкого шлака, м;
dС - диаметр выходного сопла плазмотрона, м;
GП - расход плазмообразующего газа, кг/с;
π=3,14.
Подставляя (4), (5) и (6) в (3), получаем
откуда после преобразования получаем:
Пример конкретного выполнения способа. В газификаторы диаметром 1,1 м высотой 4,0 м последовательно загружают по 4.0 тонны угля марки «Г». Уголь удерживается на колошниковой решетке и в шлакосборник не попадает. Подают плазмообразующий воздух и воду в оппозитно расположенные плазмотроны одного газификатора и возбуждают в них дуговые разряды. Плазменными окислительными струями продувают слой загруженного угля. Образующийся в процессе газификации синтез-газ имеет следующий состав в объемных процентах: H2-34; CO-37; N2-28; Σ=99. Этот газ поступает в ресивер-циклон с рабочим объемом ~10 м3, в нижней части которого установлен циклон для удаления пыли. Процесс газификации продолжается ~4,0 часа, в результате из одной загрузки угля (4,0 тонны) получают 8000 кг/кг синтез-газа, нагретого до температуры 1100...1300°С. Во второй половине цикла газификации загружают второй газификатор таким же количеством угля марки «Г» и возбуждают дуговые разряды в плазмотронах второго газификатора. Некоторое время работают оба газификатора. Поскольку расход во времени синтез-газа из одного газификатора имеет колоколообразный вид, то сумма расходов из обоих газификаторов имеет квазипериодический вид, показанный на фиг.2.
В зависимости от марки угля и режимов работы циклы работы газификаторов могут повторяться два-четыре раза до достижения жидким шлаком высоты Д в одном из газификаторов
1. GП=0,1 кг/с; ρП=0,4 кг/м3; ρШ=4,5·103 кг/м3; π=3,14; dC=3,0·10-2 м; g=9,81 м/с2.
2. GП=0,07 кг/с; ρП=0,35 кг/м3; ρШ=4,0·103 кг/м3; π=3,14; dC=2,5·10-2 м; g=9,81 м/с2.
По достижении высоты слоя жидкого шлака в шлакосборнике Δ≈0,5...0,7 м плазмотроны, размещенные в шлакосборнике газификатора, переводятся в восстановительный режим работы. Под действием восстановительных плазменных струй из шлака восстанавливается железо и кремний в виде ферросилиция FeSi. При загрузке в газификатор 4,0 тонны угля марки «Г» шлаковый остаток составляет около 20%; т.е. 800 кг, из которого извлекается около 20% FeSi, т.е. 160 кг лигатуры. Время плавления шлакового остатка составляет 20...40 минут. Полученная лигатура сливается в изложницу, а обедненный жидкий шлак направляется на гранулирование. После слива металла и шлака из шлакосборника в газификатор загружается свежая порция угля, и плазмотроны газификатора переводятся в окислительный режим работы. После окончания газификации угля в данном газификаторе процесс повторяется. Минимальное время между плавлением и сливом металла и шлака в различных газификаторах составляет приблизительно один час. Провал расхода синтез-газа в это время компенсируется запасом синтез-газа в ресивере-циклоне и составляет около 20% от основного расхода синтез-газа.
Установка для переработки органического топлива содержит газификаторы 1 и 2, объединенные высокотемпературным ресивером-циклоном 3 и снабженные в верхней части загрузочными устройствами 4, а в нижней боковой части - расположенными оппозитно друг другу плазмотронами 5. Нижняя часть газификаторов 1, 2 состыкована со шлакосборниками 6 жидкого шлака, в боковой стенке которых установлены плазмотроны 7. В шлакосборниках 6 выполнены летки 8 для слива металлической лигатуры в изложницы 9, а обедненного шлакового расплава - в гранулятор 10. Плазмотроны 5 и 7 подключены к источникам питания 11, обеспечивающим необходимые энергофизические характеристики дугового разряда, к компрессору 12 подачи плазмообразующего воздуха и к центробежному насосу 13 подачи охлаждающей и плазмообразующей воды. Блок преобразования энергии включает в себя систему охлаждения и тонкой очистки полученного синтез-газа, содержащую подключенный на выходе из ресивера-циклона 3 теплообменник 14, подсоединенный к паровой турбине 15 и далее последовательно к системе горячей очистки 16, керамическому фильтру 17, камере сгорания 18 газовой турбины 19. На оси газовой турбины 19 расположен электрический генератор 20 и компрессор 21 подачи газа в камеру сгорания 18. Газовая турбина 19 соединена с котлом-утилизатором 22. Для работы плазмотронов в восстановительном режиме используется блок, состоящий из последовательно соединенных между собой узла 23 автоматической подачи синтез-газа, узла интенсивного охлаждения 24, узла дополнительной очистки 25 и узла компримирования синтез-газа 26, подсоединенного к плазмотронам 7.
Установка работает следующим образом.
Углесодержащее сырье загрузочным устройством 4 загружается сверху в первый газификатор 1. На плазмотроны 5 и 7 компрессором 12 подают плазмообразующий воздух, а центробежным насосом 13 - плазмообразующую и охлаждающую воду. С помощью источника электропитания 11 возбуждают дуговые разряды и запускают плазмотроны 5 и 7. Плазменными окислительными струями продувают слой исходного сырья, образующийся в процессе газификации синтез-газа по магистрали, оснащенной обратными клапанами, поступает в высокотемпературный ресивер-циклон 3, в нижней части которого выполнена система удаления пыли в газификаторы 1, 2. Ресивер-циклон 3 предназначен для выравнивания давления синтез-газа в системе и одновременно служит первой ступенью очистки синтез-газа от пыли. В это время загрузочным устройством 4 исходное сырье загружается в газификатор 2. После окончания процесса газификации в первом газификаторе выключаются плазмотроны 5 и 7 и включаются в газификаторе 2. Далее процесс повторяется.
Нагретый до температуры 1100-1300°С синтез-газ из высокотемпературного ресивера-циклона 3 при избыточном давлении 1-5 атм поступает в газоохладительный теплообменник 14, где он охлаждается до температуры -540°С. Из теплообменника 14 пар поступает на паровую турбину 15 для выработки электроэнергии.
Охлажденный в теплообменнике 14 до температуры -540°С синтез-газ поступает в систему горячей сероочистки 16, где сера в кипящем слое адсорбируется титанатом цинка, частично выводящимся на регенерацию. После горячей сероочистки в свечах керамического фильтра 17 из синтез-газа удаляется летучая пыль и далее газ поступает в камеру сгорания 18 газовой турбины 19. На оси газовой турбины 19 расположен электрический генератор 20 и компрессор 21, подающий воздух в камеру сгорания 18. После газовой турбины 19 продукты сгорания направляются в котел-утилизатор 22 и далее удаляются в дымовую трубу. Полученный в котле-утилизаторе 22 пар подается на паровую турбину 15 для выработки электроэнергии. Произведенная в газовой и паровой турбинах электроэнергия частично используется для собственных нужд (работа плазмотронов, насосов, компрессора и т.д.) и выдается в сеть потребителю.
В зависимости от марки угля, его зольности, циклы работы газификаторов 1 и 2 в окислительном режиме получения синтез-газа могут повторяться 2-4 раза до достижения жидким шлаком толщины Δ в одном из газификаторов. При достижении уровня шлака заданной толщины плазмотроны 7, размещенные в шлакосборнике газификатора, переводятся в восстановительный режим работы. Для работы плазмотронов 7 в режиме восстановления шлака очищенный в свечах керамического фильтра 17 синтез-газ через узел автоматической подачи 23 поступает на узел интенсивного охлаждения 24, далее на узел дополнительной очистки 25 и узел компримирования 26, из которого очищенный, охлажденный до температуры ~30°С и сжатый до давления 3-6 атм синтез-газ подается на плазмотроны 7. Под действием восстановительных плазменных струй из шлака восстанавливается железо и кремний. Полученная металлическая лигатура - ферросилиций через летку 8 сливается в изложницу 9, а обедненный жидкий шлак - в гранулятор 10. Время процесса восстановления металлов не превышает 20-40 минут и поэтому вписывается в технологический цикл газификации. После слива металла и шлака из шлакосборника в газификатор загружается свежая порция угля и плазмотроны 5 газификатора и плазмотроны 7 шлакосборника начинают работать в окислительном режиме. После окончания процесса газификации в данном газификаторе включаются плазмотроны во втором газификаторе, и далее процесс повторяется.
Выполненные расчеты и экспериментальные результаты показывают, что при плазмотермической газификации угля выбросы в атмосферу в десятки раз меньше, чем при любых других процессах, основанных на сжигании угля. Это обусловлено тем, что при плазменной газификации, в отличие от известных процессов горения, идущих при 5-6 кратном соотношении воздуха к углю, количество окислителя устанавливается строго дозировано и только для поддержания реакции неполного окисления углерода. Так при весовом соотношении воздух/вода, не превышающем 0,3, концентрация азота в окислительной плазме не превышает 20% и поэтому выход азота и азотных соединений в конечном продукте не превышает 10%, практически при полном отсутствии СО2 и Н2О.
Экспериментально установлено, что при мощности заявляемой установки до 0,7 МВт и мощности трех одновременно работающих плазмотронов до 0,6 МВт при переработке 1000 кг/час угля марки «Г» обеспечивается выход 1000 кг/час нагретого до 1000°С синтез-газа, выдача в сеть 1500 кВт-часов электроэнергии, выпуск до 40 кг/час ферросилиция и до 150 кг/час легковесного наполнителя для железобетонных и других конструкций.
Заявленный способ термической переработки органического топлива и парогазовая установка для его осуществления позволяют эффективно перерабатывать исходное углеродсодержащее сырье любого фракционного состава с максимальным извлечением качественных готовых продуктов при минимальном воздействии на окружающую среду.
Claims (2)
1. Способ плазмотермической переработки органического топлива, включающий газификацию органического топлива одновременно с процессом высокотемпературного пиролиза в присутствии реагента, который впрыскивают в реакционную зону с помощью плазменных источников, охлаждение и очистку от примесей полученного синтез-газа, отличающийся тем, что газификацию исходного сырья в каждом газификаторе производят поочередно в потоке плазмы таким образом, что после окончания окислительного режима в первом газификаторе отключают в нем плазменную струю и режим окисления производят во втором газификаторе, при этом цикличность проведения режимов повторяют до достижения высоты жидкого шлака в одном из газификаторов, которая определяется по зависимости
где Δ - высота жидкого шлака;
GП - расход плазмообразующего газа, кг/с;
ρП - плотность плазмы, кг/м;
ρШ - плотность шлака, кг/м3;
dС - диаметр выходного сопла плазмотрона, м;
g - ускорение свободного падения, м/с2;
π=3,14,
затем производят продувку жидкого шлака восстановительной плазменной струей и после слива металла и шлака в одном газификаторе повторно загружают его исходным сырьем и цикл повторяют, при этом в качестве одного из плазмообразующих компонентов используют воду.
2. Установка для плазмотермической переработки органического топлива, содержащая футерованный газификатор, связанный в верхней части с узлами подачи топлива, плазмотроны, камеру сгорания, шлакосборник, расположенный в нижней части газификатора, систему очистки синтез-газа, связанную с газификаторами, теплообменник, газовую и паровую турбины с электрогенераторами, котел-утилизатор, отличающаяся тем, что установка снабжена дополнительным газификатором и ресивером-циклоном, связанными между собой в верхней части трубопроводом для транспортирования синтез-газа, ресивер-циклон в нижней части соединен наклонными пылепроводами с газификаторами, а плазмотроны установлены по обе стороны от плоскости разделительной перегородки газификатора и шлакосборника соответственно в стенке каждого газификатора и шлакосборника оппозитно друг другу, причем в шлакосборниках выполнены летки для слива металлической лигатуры в изложницы и обедненного шлакового расплава в гранулятор, а ресивер-циклон трубопроводом подачи синтез-газа соединен с газоохладительным теплообменником, один трубопровод которого соединен с паровой турбиной, а второй через систему горячей очистки и керамический фильтр связан с камерой сгорания газовой турбины, соединенной с котлом-утилизатором, при этом дополнительный выход керамического фильтра связан через блок автоматической подачи синтез-газа, блок дополнительной очистки и блок компримирования синтез-газа с плазмотронами.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA200500409A UA81120C2 (en) | 2005-01-17 | 2005-01-17 | Method for plasma thermal coal reprocessing and unit for realizing the same |
| UAA200500409 | 2005-01-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2005113825A RU2005113825A (ru) | 2006-11-20 |
| RU2294354C2 true RU2294354C2 (ru) | 2007-02-27 |
Family
ID=36677936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005113825/04A RU2294354C2 (ru) | 2005-01-17 | 2005-05-05 | Способ плазмотермической переработки органического топлива и установка для его осуществления |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2294354C2 (ru) |
| UA (1) | UA81120C2 (ru) |
| WO (1) | WO2006075978A1 (ru) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010123391A1 (ru) * | 2009-04-20 | 2010-10-28 | Zvonov, Aleksandr Aleksandrovich | Устройство для утилизации дымовых газов |
| RU2458860C1 (ru) * | 2011-02-18 | 2012-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ТехЭкоПлазма" (ООО "ТехЭкоПлазма") | Способ обезвреживания отработанного активированного угля с получением калорийного топлива |
| RU2505585C2 (ru) * | 2008-09-29 | 2014-01-27 | ДжиТиЭлПЕТРОЛ ЭлЭлСи | Объединенный генератор синтез-газа |
| RU2580747C2 (ru) * | 2010-09-15 | 2016-04-10 | Тиссенкрупп Уде Гмбх | Способ производства синтез-газа |
| RU2705131C1 (ru) * | 2019-02-19 | 2019-11-05 | Сангок Ли | Способ газификации твердого топлива с применением механического и плазменного воздействия и устройство для его осуществления |
| RU2741004C1 (ru) * | 2020-04-24 | 2021-01-22 | Леонид Григорьевич Кузнецов | Комплекс для переработки твердых органических отходов |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101773870B (zh) * | 2010-01-22 | 2013-04-10 | 浙江大学 | 等离子体煤裂解固体产物的脱灰方法 |
| CN105524659A (zh) * | 2016-01-29 | 2016-04-27 | 江苏中科重工股份有限公司 | 环保生物质气化发电系统 |
| CN107488470B (zh) * | 2017-09-19 | 2023-12-08 | 南京师范大学 | 一种等离子体液态排渣的气化炉及方法 |
| CN108758707B (zh) * | 2018-08-11 | 2023-12-22 | 刘冠诚 | 一种等离子加热炉 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2491490A1 (fr) * | 1980-10-02 | 1982-04-09 | G Energet In | Procede de transformation thermique des combustibles solides |
| DD269156A1 (de) * | 1987-12-28 | 1989-06-21 | Akad Wissenschaften Ddr | Verfahren zur plasmapyrolyse hochviskoser, teerartiger, kohlenwasserstoffhaltiger produkte |
| DD270315C2 (de) * | 1988-03-28 | 1990-10-24 | Leipzig Chemieanlagen | Verfahren zum kontinuierlichen betrieb von plasmapyrolysereaktoren mit schweren kohlenstofftraegern und kohle |
| RU2125082C1 (ru) * | 1995-04-04 | 1999-01-20 | Малое инновационное научно-производственное предприятие "Колорит" | Способ термической переработки твердого топлива и энерготехнологическая установка для его осуществления |
| RU2491490C2 (ru) * | 2012-04-06 | 2013-08-27 | Александр Владимирович Глухов | Устройство подачи боеприпасов |
-
2005
- 2005-01-17 UA UAA200500409A patent/UA81120C2/uk unknown
- 2005-05-05 RU RU2005113825/04A patent/RU2294354C2/ru not_active IP Right Cessation
- 2005-07-21 WO PCT/UA2005/000032 patent/WO2006075978A1/ru active Application Filing
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2505585C2 (ru) * | 2008-09-29 | 2014-01-27 | ДжиТиЭлПЕТРОЛ ЭлЭлСи | Объединенный генератор синтез-газа |
| WO2010123391A1 (ru) * | 2009-04-20 | 2010-10-28 | Zvonov, Aleksandr Aleksandrovich | Устройство для утилизации дымовых газов |
| RU2580747C2 (ru) * | 2010-09-15 | 2016-04-10 | Тиссенкрупп Уде Гмбх | Способ производства синтез-газа |
| RU2458860C1 (ru) * | 2011-02-18 | 2012-08-20 | Общество с ограниченной ответственностью "ТехЭкоПлазма" (ООО "ТехЭкоПлазма") | Способ обезвреживания отработанного активированного угля с получением калорийного топлива |
| RU2705131C1 (ru) * | 2019-02-19 | 2019-11-05 | Сангок Ли | Способ газификации твердого топлива с применением механического и плазменного воздействия и устройство для его осуществления |
| RU2741004C1 (ru) * | 2020-04-24 | 2021-01-22 | Леонид Григорьевич Кузнецов | Комплекс для переработки твердых органических отходов |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| UA81120C2 (en) | 2007-12-10 |
| WO2006075978A1 (fr) | 2006-07-20 |
| RU2005113825A (ru) | 2006-11-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2294354C2 (ru) | Способ плазмотермической переработки органического топлива и установка для его осуществления | |
| RU2287010C2 (ru) | Экологически чистый способ получения энергии из угля (варианты) | |
| RU2290428C2 (ru) | Способ конверсии угля с получением качественного водорода для топливных смесей и диоксида углерода, готового к утилизации, и устройство для его осуществления | |
| JP5166443B2 (ja) | ガス・蒸気タービン（コンバインドサイクル）発電所における電気的エネルギーの生成方法及び設備 | |
| US9410095B2 (en) | Method of gasification of biomass using gasification island | |
| US8758710B2 (en) | Process for treating a flue gas | |
| RU2663144C1 (ru) | Способ газификации твердого топлива и устройство для его осуществления | |
| RU2668447C1 (ru) | Способ газификации твердого топлива и устройство для его осуществления | |
| JP6888313B2 (ja) | セメント製造システム | |
| RU2615690C1 (ru) | Установка для получения нагретых газов из углеродсодержащего материала | |
| JP2008520785A (ja) | 炭質材料のガス化方法及びこの方法を実施するための装置 | |
| RU2459144C1 (ru) | Способ многоступенчатого разложения твердого топлива окислением и устройство для его осуществления | |
| RU2325423C2 (ru) | Энерготехнологическая установка для термической переработки твердого топлива | |
| JP6602174B2 (ja) | ガス化装置、ガス化複合発電設備、ガス化設備及び除煤方法 | |
| US20100035193A1 (en) | Method and system for fuel gas combustion, and burner for use therein | |
| AU2005237098B2 (en) | Method for thermal plasma processsing or organic fuel materials as well as an arrangement for carrying out the method | |
| CN111621330B (zh) | 气化炉系统及其燃烧室氮气置换方法 | |
| US20200157442A1 (en) | Method and facility for producing electricity from an srf load | |
| RU47886U1 (ru) | Система внутрицикловой газификации для парогазовых установок на твердом топливе | |
| JP2006028211A (ja) | 廃棄物ガス化装置 | |
| KR101660696B1 (ko) | 타르 분해 장치, 용철 제조 장치 및 용철 제조 방법 | |
| WO2014100887A1 (ru) | Способ получения топлива и тепловой энергии на его основе | |
| RU2062287C1 (ru) | Способ газификации углей и установка для его осуществления | |
| TWI412596B (zh) | 整合功率生產的鼓風爐鐵生產方法 | |
| RU2277638C1 (ru) | Способ и устройство для получения электроэнергии путем использования конденсированных топлив |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110506 |