WO2019226074A1 - Устройство и способ газификации угля - Google Patents

Устройство и способ газификации угля Download PDF

Info

Publication number
WO2019226074A1
WO2019226074A1 PCT/RU2019/000345 RU2019000345W WO2019226074A1 WO 2019226074 A1 WO2019226074 A1 WO 2019226074A1 RU 2019000345 W RU2019000345 W RU 2019000345W WO 2019226074 A1 WO2019226074 A1 WO 2019226074A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coal
gasification
water vapor
particles
fuel gas
Prior art date
Application number
PCT/RU2019/000345
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Сергей Михайлович ФРОЛОВ
Виктор Алексеевич СМЕТАНЮК
Сергей Александрович Набатников
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Новые физические принципы"
Publication of WO2019226074A1 publication Critical patent/WO2019226074A1/ru

Links

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

Definitions

  • the invention relates to methods and devices for oxygen-free gasification of coal with highly superheated water vapor in order to convert coal into fuel gas or synthesis gas.
  • Chemical reactions that provide coal conversion are mainly heterogeneous reactions that occur on the surface of coal particles.
  • the speed of such reactions depends on the temperature and concentration of the reactants, as well as on the surface area of the contact between the reactants (coal and superheated water vapor), that is, on the dispersion of the coal particles.
  • Agglomeration of coal particles reduces the efficiency of coal conversion. Therefore, in order to increase the conversion efficiency during anoxic coal gasification, it is necessary to prevent the agglomeration of coal particles.
  • the conversion efficiency during oxygen-free gasification of coal can be increased by thermomechanical treatment of coal particles with high-speed jets of highly superheated water vapor obtained by shock or detonation compression of water vapor in a cyclic working process with pulse-detonation combustion of one or another fuel (Frolov S.M., Smetanyuk V.A., Frolov F.S., Patent WO / 2016/060582 A1, Method of detonation stamping and device for its implementation B21D 26/08 (2006.01), published 04/21/2017).
  • a known method of gasification of coal proposed in patent RU 2516651 C 1, CJ0J 1/207 (2012.01).
  • the method includes loading, igniting coal from above, supplying air blast from below, and staging the process.
  • Coal (90-95%) with additional management of red clay (2-3%) and limestone (4-5%) is loaded into the apparatus, and the upper and lower layers of coal 200-300 mm high are moistened with liquid fuel and ignited.
  • Catalytic gasification of coal occurs at a gasification zone temperature of 600-800 ° C and is carried out in two stages. The first stage involves the supply of air blast.
  • the second stage includes the supply of blast air and superheated steam with a temperature of 250-450 ° C.
  • the invention allows to obtain combustible gas of high calorie content, not containing condensable pyrolysis products, without sintering and liquefaction of the gasification zone.
  • the disadvantage of this method is the low temperature of the used superheated water vapor.
  • a known method of pseudo-detonation gasification of coal suspension in a combined cycle proposed in patent WO 201 1/139181 Al, F01K 23/04 (2006.01), C10J 3/46 (2006.01), C10L 1/32 (2006.01).
  • liquid activated water-coal fuel of high uniformity is fed into the gasifier — droplets of the same size and with coal particles in these droplets of close particle size distribution. Drops of fuel are administered intermittently, in separate fuel doses, and given a certain amount movement.
  • Coal grinding for a method for preparing activated coal-water fuel is adaptively regulated by the criterion of the actual amount of volatile substances leaving the coal and a deep classification of coal is performed according to its particle size distribution.
  • the invention allows for more complete utilization of thermal energy of coals and to provide an increase in the efficiency of electricity generation.
  • the disadvantage of this method is the complex preparation of coal, suggesting a preliminary classification according to particle size distribution.
  • the main element of the proposed device is a gas generator with a countercurrent supply of coal (above) and water vapor (below), equipped with an automatic machine to maintain equal pressures in the combustion and gasification chambers.
  • the device also includes a recovery boiler, an air heater, a heater of combustion products in front of the gas turbine, a gas turbine, a three-stage compressor with an intermediate cooler, as well as a system for cleaning combustion products and gasification.
  • the main disadvantage of the device is the use of low-temperature water vapor.
  • the main disadvantages of the prototype method and the prototype device are that, firstly, superheated water vapor with a temperature not exceeding 700-800 ° C is used for gasification, and secondly, it does not Methods are provided for fragmentation of coal agglomerates, which can be formed in the process of feeding coal particles into the reaction zone.
  • traditional steam generators are used that do not allow the production of superheated steam with a temperature exceeding 700-800 ° C (see, for example, the monograph by Reznikov MI and Lipov Yu.M. “Steam boilers of thermal power plants” - M .: Energoizdat, 1981).
  • the objective of the invention is the creation of a method of oxygen-free gasification of coal for its conversion into fuel gas or synthesis gas by thermomechanical impact on coal particles with high-speed jets of highly superheated water vapor obtained by shock or detonation compression of water vapor in a cyclic working process with pulse-detonation combustion or other fuel.
  • the objective of the invention is the creation of a device that provides oxygen-free gasification of coal for its conversion into fuel gas or synthesis gas by thermomechanical impact on coal particles with high-speed jets of highly superheated water vapor obtained by shock or detonation compression of water vapor in a cyclic working process with pulse detonation burning of one or another fuel.
  • a method for the gasification of coal in superheated water vapor for its conversion to fuel gas or synthesis gas including the supply of coal particles and superheated water vapor to the coal gasification zone and the conversion of gasification products to fuel gas or synthesis gas, removal of gasification products to the consumer and removal of ash the remainder in which the carbon particles or particles of carbon-containing material are fed into a high-speed jet of shock-compressed highly superheated water vapor for aerodynamic fragmentation of particle agglomerates and precede thermochemical preparation of the two-phase mixture “superheated water vapor - particles”, and the formed two-phase jet is fed tangentially into the gasification vortex zone, where, under conditions of a strongly swirling flow, the gasification of coal and the conversion of gasification products to fuel gas or synthesis gas take place, the resulting fuel gas or synthesis gas is removed from the gasification zone partially to the consumer and partially to produce a high-speed shock jet 5
  • a device comprising a system for supplying coal particles and superheated water vapor to a reactor for coal gasification and conversion of gasification products to fuel gas or synthesis gas, a system for removing gasification products to a consumer, and an ash residue removal system in which a system for supplying highly superheated water vapor is made in in the form of a pulse-detonation superheater connected tangentially to the inlet pipe of a vortex reactor for coal gasification and conversion of gasification products into fuel gas or synthesis gas and the feed system of coal particles or particles of carbon-containing material is made in the form of a metering device that provides particles to a pulse-detonation superheater to the input pipe of the vortex reactor.
  • FIG. 1 The scheme of the claimed device is shown: 1 - vortex reactor, 2 - inlet pipe, 3 - supply system for very superheated water vapor, 4 - supply system for coal particles or particles of carbon-containing material, 5 - heat exchange jacket for receiving water vapor, 6 - steam manifold with reverse valve, 7 - steam manifold, 8 - fuel gas or synthesis gas removal system, 9 - ash residue removal system, 10 - lower screen, 1 1 - upper screen, shock wave - shock wave, IDP - pulse-detonation superheater, USM - carbonaceous material.
  • FIG. a diagram of the inventive device.
  • the main unit of the device is a vortex reactor (1), equipped with an inlet pipe (2), a system for supplying highly superheated water vapor (3), a system for feeding coal particles or particles of carbon-containing material (4), a heat-exchange jacket for producing water vapor (5), and steam a manifold with a non-return valve (6) for supplying water vapor to the system (3), a steam manifold (7) for supplying water vapor to the system (4), as well as a system for removing fuel gas or synthesis gas (8), an ash residue removal system (9 ), oxidizer and starting fuel supply systems, and t kzhe control system (Fig. not shown).
  • the inlet pipe (2) is installed in the lower part of the vortex rector (1) and is oriented tangentially, as shown in section AA. Screens are provided inside the vortex reactor (1) - lower (10) and upper (I) - limiting area gasification of coal particles or particles of carbonaceous material.
  • the supply system for highly superheated water vapor (3) is made in the form of a pulsed-detonation superheater connected to the vortex reactor (1) through the inlet pipe (2).
  • the feed system of coal particles or particles of carbon-containing material (4) is made in the form of a metering device that provides particles to a pulse-detonation superheater to the inlet pipe (2) of the vortex reactor (1).
  • the proposed device operates as follows
  • the production of fuel gas or synthesis gas as a result of oxygen-free gasification of coal particles or particles of carbon-containing material in a vortex reactor (1) takes place in a continuous mode, and the two-phase mixture “superheated water vapor - particles” is fed into the vortex reactor (1) cyclically with a working frequency cycles set by the control system.
  • the operation of the device includes three stages: I - the start-up stage, at which the system for supplying highly superheated water vapor (3) is launched on starting fuel; II - the stage of entering the operating mode, in which the supply system of highly superheated water vapor (3) gradually switches to work from starting fuel to fuel gas or synthesis gas obtained in a vortex reactor (1); III - the working stage, in which the highly superheated water vapor supply system (3) is fully powered by fuel gas or synthesis gas obtained in the vortex reactor (1), with the main part of the fuel gas or synthesis gas being sent to the consumer.
  • Hot products of deflagration combustion of starting fuel enter the vortex reactor (1), which leads to heating of the water supplied to the heat exchange jacket (5) and to the generation of water vapor coming from the heat exchange jacket (5) through a steam manifold with a non-return valve (6) to the system supply of very superheated water vapor (3), and through the steam collector (7) - into the supply system of coal particles or carbon-containing material (4).
  • the device is ready to move to stage II.
  • stage II there is a transition of the supply system for very superheated water vapor (3) from operation in a deflagration mode to operation in a pulsed-detonation mode on starting fuel with overheating of water vapor coming from a heat exchange jacket (5) through a steam manifold with a check valve (6) , in accordance with the principle of operation described, for example, in patent WO 2011/070580 Al, F23D 14/12 (2006.01), 12/152010 and in the work “Performance-Stability and Performance-Safety of a Practical Pulse Detonation Burner (based on patent WO 2011070580 A8) ”// Michael Zettner / The 3 l st Annual Symposium on the Israel Section of the Combustion Institute, December l4 th , 2017, pp.73- ⁇ 6.
  • a mixture of “starting fuel-oxidizer” and water vapor Coal particles or particles of carbon-containing material are fed from the feed system (4) into a high-speed jet of shock-compressed highly superheated water vapor. In the jet of superheated water vapor, aerodynamic fragmentation of particle agglomerates and preliminary thermochemical preparation of a two-phase mixture of "superheated water vapor - particles" occur. The formed two-phase mixture is sent tangentially to the vortex reactor (1), where, under the conditions of a strongly swirling flow, coal gasification occurs and gasification products are converted to fuel gas or synthesis gas.
  • the resulting fuel gas or synthesis gas is removed from the gasification zone to power the supply system of highly superheated water vapor (3).
  • the productivity of the vortex reactor (1) reaches a level sufficient to supply the system for supplying highly superheated water vapor (3) with fuel gas or synthesis gas, the supply of starting fuel is stopped.
  • the device is ready to move to stage III.
  • Stage III is similar to stage II. The main differences are that a working fluid — a mixture of “fuel gas or synthesis gas – oxidizing agent” and water vapor — is fed into the supply system of highly superheated water vapor (3), and the main part of the resulting fuel gas or synthesis gas is sent to the consumer. The ash residue formed in the process of coal gasification enters the ash removal system.
  • a working fluid a mixture of “fuel gas or synthesis gas – oxidizing agent” and water vapor — is fed into the supply system of highly superheated water vapor (3), and the main part of the resulting fuel gas or synthesis gas is sent to the consumer.
  • the ash residue formed in the process of coal gasification enters the ash removal system.
  • the prototype device includes a vortex reactor with a diameter of 800 mm and a height of 2000 mm, equipped with an inlet pipe, a system for supplying highly superheated water vapor, a system for supplying carbon-containing particles (water-coal 8
  • Oxygen was used as an oxidizing agent, and propane-butane was used as a starting fuel.
  • the superheated water vapor supply system is made in the form of a pulse detonation tube including a combustion chamber with an internal diameter of 150 mm and 5 with a length of 400 mm, to which a flame accelerator with an internal diameter of 150 mm and a length of 3500 mm with obstacles-turbulators providing a quick transition of combustion is connected in series into detonation, and a smooth section of the pipe with an inner diameter of 150 mm and a length of 3000 mm.
  • the combustion chamber contains a mixing device with a non-return valve, a starting fuel supply manifold 10 with 20 distributed nozzles that provide quick mixing of fuel with an oxidizing agent and water vapor, and 4 automobile spark plugs providing reliable ignition of the fuel mixture, and is connected to the oxygen supply lines from the supply system oxidizer and steam from a steam manifold with a valve. Water vapor for feeding into a pulse detonation pipe is obtained using 5 electric steam generators.
  • the flow rates of oxygen, water vapor and starting fuel are selected so that the composition of the fuel – oxidizer – water vapor mixture filling the pulse detonation pipe is close to stoichiometric in terms of the ratio of fuel and oxidizer, and the ratio of the volumes of water vapor and oxygen reaches 2: 1.
  • the feed time 0 of the mixture components was set so as to ensure complete filling of the pulse detonation tube.
  • the coal-water slurry contained 60% brown coal and 40% water (by weight).
  • the average size of coal particles in a water-coal suspension is 10-15 microns.
  • the consumption of water-coal suspension 1 l / s. Tests are conducted at a device operating frequency of 1 to 5 Hz.
  • Measurements of operating mode parameters' .5 of the device are carried out according to the methods of acceptance testing of a pulse-detonation high-speed burner (TsIDG.100.000.000 PM01), developed under the state contract Ns 16.526.12.6018 dated October 14, 201 1 (Code "2011- 2.6-526-006-002 ”)“ Development of a high-speed energy-saving pulse-detonation gas burner to increase the efficiency of thermal work of 0 industrial furnaces and thermal power plants ”.
  • a preliminary gas analysis of gasification products showed that they mainly contain hydrogen H 2 and carbon monoxide CO in a ratio close to 2: 1, and the degree of coal conversion depends on the operating frequency of the pulse detonation tube and reaches 97-98% at a frequency of 5 Hz .

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Industrial Gases (AREA)

Abstract

Изобретение относится к способам и устройствам для газификации угля сильно перегретым водяным паром для его конверсии в топливный газ или синтез-газ. Способ включает подачу угольных частиц и перегретого водяного пара в зону газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, отвод продуктов газификации потребителю и удаление зольного остатка. При этом угольные частицы или частицы углесодержащего материала подаются в высокоскоростную струю ударно сжатого сильно перегретого водяного пара для аэродинамической фрагментации агломератов частиц и предварительной термохимической подготовки двухфазной смеси «перегретый водяной пар - частицы», а образованная двухфазная струя подается тангенциально в вихревую зону газификации, где в условиях сильно закрученного потока происходит газификация угля и конверсия продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ. Далее полученный топливный газ или синтез-газ выводится из зоны газификации частично к потребителю и частично для получения высокоскоростной струи ударно сжатого сильно перегретого водяного пара, а зольный остаток в виде расплава поступает в систему удаления зольного остатка. Технический результат заключается в обеспечении бескислородной газификации угля для его конверсии в топливный газ или синтез-газ.

Description

УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ
Область техники
Изобретение относится к способам и устройствам для бескислородной газификации угля сильно перегретым водяным паром с целью конверсии угля в топливный газ или синтез-газ.
При реализации известных бескислородных технологий газификации получают продукты со значительным содержанием диоксида углерода (С02), что снижает степень конверсии угля (Дубинин, А. М. Паровая бескислородная газификация углей // Промышленная теплотехника. - 1990, Т. 12, N° 2. - С. 97-100.). Этого можно избежать за счет повышения температуры перегретого пара (см, например, работу Е.И. Кагакин, А.Р. Богомолов, С.А. Шевырев, Н.А. Прибатурин / Взаимодействие карбонизированного угля с перегретым водяным паром // Ползуновский вестник N°l, 2013 с. 135-138). Благодаря повышению температуры водяного пара степень конверсии угля увеличивается, а объёмная доля диоксида углерода в продуктах газификации уменьшается. Следовательно, для повышения эффективности технологии бескислородной газификации угля необходимо повышать температуру перегретого водяного пара.
Химические реакции, обеспечивающие конверсию угля - это главным образом гетерогенные реакции, протекающие на поверхности угольных частиц. Скорость таких реакций зависит от температуры и концентрации реагентов, а также от площади поверхности контакта между реагентами (уголь и перегретый водяной пар), то есть от дисперсности угольных частиц. Агломерация угольных частиц снижает эффективность конверсии угля. Следовательно, для повышения эффективности конверсии при бескислородной газификации угля необходимо препятствовать агломерации угольных частиц.
Повысить эффективность конверсии при бескислородной газификации угля можно с помощью термомеханического воздействия на угольные частицы высокоскоростными струями сильно перегретого водяного пара, получаемыми при ударном или детонационном сжатии водяного пара в циклическом рабочем процессе с импульсно-детонационным сжиганием того или иного горючего (Фролов С.М., Сметанюк В.А., Фролов Ф.С., Патент WO/2016/060582 А1, Способ детонационной штамповки и устройство для его реализации B21D 26/08 (2006.01), опубликованный 21.04.2016). При таком воздействии, с одной стороны, достигается очень высокая температура перегретого пара (выше 2000 оС), а с другой - исключается агломерация угольных частиц, что вызвано огромными сдвиговыми напряжениями в высокоскоростных струях перегретого водяного пара, обеспечивающими аэродинамическую фрагментацию агломератов.
Предшествующий уровень техники
Известны способ работы и устройство для газификации угля, описанные в статье Е.И. Кагакина, А.Р. Богомолова, С.А. Шевырева, Н.А. Прибатурина / Взаимодействие карбонизированного угля с перегретым водяным паром // Ползуновский вестник Mel, 2013 с. 135-138. Описанный в данной работе способ, заключающийся в пропускании через слой углесодержащего сырья перегретого пара, реализован в установке, включающей парогенератор, генератор горючей смеси и реактор. Основной недостаток устройства - ограничение по температуре перегретого водяного пара (достигаемые значения не превышали 700-800 °С).
Известен способ газификации угля, предложенный в патенте RU 2516651 С 1 , CJ0J 1/207 (2012.01). Способ включает загрузку, розжиг угля сверху, подачу воздушного дутья снизу и стадийное проведение процесса. Уголь (90-95%) с дополнительным ведением красной глины (2-3%) и известняка (4-5%), загружают в аппарат, а верхний и нижний слои угля высотой 200-300 мм смачивают жидким топливом и проводят их розжиг. Каталитическая газификация угля происходит при температуре зоны газификации 600-800°С и осуществляется в две стадии. Первая стадия включает подачу дутья воздухом. Вторая стадия включает подачу дутья воздухом и перегретым паром с температурой 250-450 °С. Изобретение позволяет получить горючий газ повышенной калорийности, не содержащий конденсируемые продукты пиролиза, без спекания и разжижения зоны газификации. Недостаток способа - низкая температура используемого перегретого водяного пара.
Известен способ псевдодетонационной газификации угольной суспензии в комбинированном цикле, предложенный в патенте WO 201 1/139181 Al, F01K 23/04 (2006.01), C10J 3/46 (2006.01), C10L 1/32 (2006.01). В предложенном способе газификации углей в газификатор подают жидкое активированное водо-угольное топливо высокой однородности - каплями одинаковых размеров и с частицами угля в этих каплях близкого гранулометрического состава. Капли топлива вводят прерывисто, отдельными топливными дозами и с приданием им определенного количества движения. Размол угля для способа приготовления активированного водо-угольного топлива регулируют адаптивно по критерию фактического количества выходящих летучих веществ из угля и выполняют глубокую классификацию угля по его гранулометрическому составу. Изобретение позволяет осуществить более полную утилизацию тепловой энергии углей и обеспечить увеличение эффективности выработки электроэнергии. Недостаток способа - сложная подготовка угля, предполагающая предварительную классификацию по гранулометрическому составу.
Известен газогенератор для бескислородной газификации углей, предложенный в работе А.М. Дубинина, О.М. Панова / Паровая бескислородная газификация углей как средство экономии топлива // Теплоэнергетика N°4, 1997, с. 51-53. Основной элемент предложенного устройства - газогенератор с противоточной подачей угля (сверху) и водяного пара (снизу), снабжённый автоматом для поддержания равенства давлений в камерах сгорания и газификации. В состав устройства также входит котёл-утилизатор, воздухоподогреватель, подогреватель продуктов сгорания перед газовой турбиной, газовую турбину, трёхступенчатый компрессор с промежуточным холодильником, а также система очистки продуктов сгорания и газификации. Основной недостаток устройства - использование низкотемпературного водяного пара.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ и устройство для его реализации, предложенные в патенте SU 1828465 АЗ, C 10J 3/00, 14.04.1989. Сущность способа-прототипа газификации угля под давлением в газогенераторе с расположенными внутри теплообменными трубами для теплоносителя заключается в том, что в газогенератор подают уголь, флюидизируют его водяным паром в псевдоожиженном слое, нагревают уголь в зоне нагрева и пиролиза и зоне газификации аллотермическим теплоносителем, пропускаемым по теплообменным трубам, причём теплоноситель подают сначала в зону газификации, а затем в зону нагрева и пиролиза, а уголь проходит газогенератор в противотоке к теплоносителю, при этом, с целью оптимального использования введённого постороннего тепла, подачу угля осуществляют при помощи перегретого пара или циркуляционного неочищенного газа, а в зону пиролиза дополнительно вводят циркуляционных неочищенный газ в качестве дополнительного средства псевдоожижения и теплоносителя. Основные недостатки способа-прототипа и устройства-прототипа заключаются в том, что, во-первых, для газификации используют перегретый водяной пар с температурой, не превышающей, 700-800 °С, во-вторых, не предусмотрены способы фрагментации угольных агломератов, которые могут быть образованы в процессе подачи частиц угля в зону реакции. Кроме того, для получения перегретого водяного пара используются традиционные парогенераторы, не позволяющие получать перегретый пар с температурой, превышающей 700-800 °С (см., например, монографию Резникова М.И. и Липова Ю.М «Паровые котлы тепловых электростанций» - М.: Энергоиздат, 1981).
Раскрытие изобретения
Задача изобретения - создание способа бескислородной газификации угля для его конверсии в топливный газ или синтез-газ с помощью термомеханического воздействия на угольные частицы высокоскоростными струями сильно перегретого водяного пара, получаемыми при ударном или детонационном сжатии водяного пара в циклическом рабочем процессе с импульсно-детонационным сжиганием того или иного горючего.
Задача изобретения - создание устройства, которое обеспечит бескислородную газификацию угля для его конверсии в топливный газ или синтез-газ с помощью термомеханического воздействия на угольные частицы высокоскоростными струями сильно перегретого водяного пара, получаемыми при ударном или детонационном сжатии водяного пара в циклическом рабочем процессе с импульсно-детонационным сжиганием того или иного горючего.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:
- способом газификации угля в перегретом водяном паре для его конверсии в топливный газ или синтез-газ, включающим подачу угольных частиц и перегретого водяного пара в зону газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, отвод продуктов газификации потребителю и удаление зольного остатка, в котором угольные частицы или частицы углесодержащего материала подаются в высокоскоростную струю ударно сжатого сильно перегретого водяного пара для аэродинамической фрагментации агломератов частиц и предварительной термохимической подготовки двухфазной смеси «перегретый водяной пар - частицы», а образованная двухфазная струя подается тангенциально в вихревую зону газификации, где в условиях сильно закрученного потока происходит газификация угля и конверсия продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, причем полученный топливный газ или синтез-газ выводится из зоны газификации частично к потребителю и частично для получения высокоскоростной струи ударно 5
сжатого сильно перегретого водяного пара, а зольный остаток в виде расплава поступает в систему удаления зольного остатка.
- устройством, включающим систему подачи частиц угля и перегретого водяного пара в реактор для газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, систему отвода продуктов газификации потребителю и систему удаления зольного остатка, в котором система подачи сильно перегретого водяного пара выполнена в виде импульсно-детонационного пароперегревателя, присоединенного тангенциально к входному патрубку вихревого реактора для газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, а система подачи угольных частиц или частиц углесодержащего материала выполнена в виде дозирующего устройства, обеспечивающего подачу частиц в импульсно- детонационный пароперегреватель до входного патрубка вихревого реактора.
Краткое описание чертежей
На фиг. приведена схема заявляемого устройства: 1 - вихревой реактор, 2 - входной патрубок, 3 - система подачи сильно перегретого водяного пара, 4 - система подачи угольных частиц или частиц углесодержащего материала, 5 - теплообменная рубашка для получения водяного пара, 6 - паровой коллектор с обратным клапаном, 7 - паровой коллектор, 8 - система отвода топливного газа или синтез-газа, 9 - система удаления зольного остатка, 10 - нижний экран, 1 1 - верхний экран, УВ - ударная волна, ИДП - импульсно-детонационный пароперегреватель, УСМ - углесодержащий материал.
Вариант осуществления изобретения
На фиг. приведена схема заявляемого устройства. Основной узел устройства - вихревой реактор (1), снабжённый входным патрубком (2), системой подачи сильно перегретого водяного пара (3), системой подачи угольных частиц или частиц углесодержащего материла (4), теплообменной рубашкой для получения водяного пара (5), паровым коллектором с обратным клапаном (6) подачи водяного пара в систему (3), паровым коллектором (7) подачи водяного пара в систему (4), а также системой отвода топливного газа или синтез-газа (8), системой удаления зольного остатка (9), системами подачи окислителя и пускового горючего, а также системой управления (на фиг. не показаны). Входной патрубок (2) установлен в нижней части вихревого ректора (1) и ориентирован тангенциально, как показано на разрезе А-А. Внутри вихревого реактора (1) предусмотрены экраны - нижний (10) и верхний (И) - ограничивающие область газификации угольных частиц или частиц углесодержащего материала. Система подачи сильно перегретого водяного пара (3) выполнена в виде импульсно-детонационного пароперегревателя, присоединённого к вихревому реактору (1) через входной патрубок (2). Система подачи угольных частиц или частиц углесодержащего материала (4) выполнена в виде дозирующего устройства, обеспечивающего подачу частиц в импульсно-детонационный пароперегреватель до входного патрубка (2) вихревого реактора (1).
Предлагаемое устройство работает следующим образом
Получение топливного газа или синтез-газа в результате бескислородной газификации угольных частиц или частиц углесодержащего материала в вихревом реакторе (1) происходит в непрерывном режиме, а подача двухфазной смеси «перегретый водяной пар - частицы» в вихревой реактор (1) осуществляется циклически с частотой рабочих циклов, задаваемых системой управления.
Работа устройства включает три стадии: I - стадия запуска, на которой система подачи сильно перегретого водяного пара (3) запускается на пусковом горючем; II - стадия выхода на рабочий режим, на которой система подачи сильно перегретого водяного пара (3) постепенно переходит на работу с пускового горючего на топливный газ или синтез-газ, получаемый в вихревом реакторе (1); III - рабочая стадия, на которой система подачи сильно перегретого водяного пара (3) полностью работает на топливном газе или синтез-газе, получаемом в вихревом реакторе (1), причем основная часть топливного газа или синтез-газа направляется потребителю.
Запуск системы подачи сильно перегретого водяного пара (3) на стадии I происходит в режиме дефлаграционного сжигания горючей смеси «пусковое горючее- окислитель» (см., например, патент WO/2016/060582 А1, Способ детонационной штамповки и устройство для его реализации B21D 26/08 (2006.01), опубликованный 21.04.2016). В теплообменную рубашку (5) вихревого реактора (1) непрерывно подаётся вода. Горячие продукты дефлаграционного горения пускового горючего поступают в вихревой реактор (1), что приводит к прогреву воды, подаваемой в теплообменную рубашку (5) и получению водяного пара, поступающего из теплообменной рубашки (5) по паровому коллектору с обратным клапаном (6) в систему подачи сильно перегретого водяного пара (3), а по паровому коллектору (7) - в систему подачи угольных частиц или углесодержащего материала (4). Устройство готово к переходу на стадию II. На стадии II происходит переход системы подачи сильно перегретого водяного пара (3) от работы в дефлаграционном режиме к работе в импульсно-детонационном режиме на пусковом горючем с перегревом водяного пара, поступающего из теплообменной рубашки (5) по паровому коллектору с обратным клапаном (6), в соответствии с принципом работы, изложенным, например, в патенте WO 2011/070580 Al, F23D 14/12 (2006.01), 09.12.2010 и в работе «Performance-Stability and Performance- Safety of a Practical Pulse Detonation Burner (based on patent WO 2011070580 A8)» // Michael Zettner / The 3 lst Annual Symposium on the Israel Section of the Combustion Institute, December l4th, 2017, pp.73-^6. В качестве рабочего тела на данной стадии используется: смесь «пусковое горючее-окислитель» и водяной пар. Угольные частицы или частицы углесодержащего материала подаются из системы подачи (4) в высокоскоростную струю ударно сжатого сильно перегретого водяного пара. В струе перегретого водяного пара происходит аэродинамическая фрагментации агломератов частиц и предварительная термохимическая подготовка двухфазной смеси «перегретый водяной пар - частицы». Образованная двухфазная смесь направляется тангенциально в вихревой реактор (1), где в условиях сильно закрученного потока происходит газификация угля и конверсия продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ. Полученный топливный газ или синтез-газ выводится из зоны газификации для питания системы подачи сильно перегретого водяного пара (3). В момент, когда производительность вихревого реактора (1) выходит на уровень, достаточный для питания системы подачи сильно перегретого водяного пара (3) топливным газом или синтез-газом, подача пускового горючего прекращается. Устройство готово к переходу на стадию III.
Стадия III аналогична стадии II. Основные отличия в том, что в систему подачи сильно перегретого водяного пара (3) подаётся рабочее тело - смесь «топливный газ или синтез-газ - окислитель» и водяной пар, а основная часть полученного топливного газа или синтез-газа направляется потребителю. Образующийся в процессе газификации угля зольный остаток поступает в систему удаления зольного остатка.
Приводим пример осуществления изобретения на опытном образце предлагаемого устройства, оснащенного регистрирующей аппаратурой.
Опытный образец устройства включает вихревой реактор диаметром 800 мм и высотой 2000 мм, снабжённый входным патрубком, систему подачи сильно перегретого водяного пара, систему подачи углесодержащих частиц (водно-угольной 8
суспензии), систему отвода топливного газа и систему управления. В качестве окислителя использовали кислород, а в качестве пускового горючего - пропан-бутан.
Система подачи сильно перегретого водяного пара выполнена в виде импульсно- детонационной трубы, включающей камеру сгорания внутренним диаметром 150 мм и 5 длиной 400 мм, к которой последовательно присоединены ускоритель пламени внутренним диаметром 150 мм и длиной 3500 мм с препятствиями-турбулизаторами, обеспечивающими быстрый переход горения в детонацию, и гладкий участок трубы внутренним диаметром 150 мм и длиной 3000 мм. Камера сгорания содержит смесительное устройство с обратным клапаном, коллектор подачи пускового горючего 10 с 20 распределенными форсунками, обеспечивающими быстрое смешение горючего с окислителем и водяным паром, и 4 автомобильные свечи зажигания, обеспечивающие надежное зажигание горючей смеси, и присоединена к магистралям подачи кислорода из системы подачи окислителя и водяного пара из парового коллектора с клапаном. Водяной пар для подачи в импульсно-детонационную трубу получается с помощью 5 электрического парогенератора.
Расходы кислорода, водяного пара и пускового горючего выбираются такими, чтобы состав смеси «горючее - окислитель - водяной пар», заполняющей импульсно- детонационную трубу был близок к стехиометрическому по соотношению горючего и окислителя, а соотношение объемов водяного пара и кислорода достигало 2:1. Время0 подачи компонентов смеси задавали таким, чтобы обеспечить полное заполнение импульсно-детонационной трубы. Водно-угольная суспензия содержала 60% бурого угля и 40% воды (по массе). Средний размер угольных частиц в водно-угольной суспензии 10-15 мкм. Расход водно-угольной суспензии 1 л/с. Испытания проводятся при частоте работы устройства от 1 до 5 Гц. Измерения параметров рабочего режима ’.5 устройства проводятся по методикам приёмочных испытаний горелки импульсно- детонационной скоростной (ЦИДГ.100.000.000 ПМ01), разработанным в рамках государственного контракта Ns 16.526.12.6018 от «14» октября 201 1 г. (Шифр «2011- 2.6-526-006-002») «Разработка высокоскоростной энергосберегающей импульсно- детонационной газовой горелки для повышения эффективности тепловой работы 0 промышленных печей и теплоэнергетических установок».
Испытания показали, что в выходном сечении импульсно-детонационной трубы циклически формируется плотная высокотемпературная (~2500 °С) двухфазная струя «сильно перегретый водяной пар - угольные частицы - примесь двуокиси углерода (не более 7-8% (об.))». Анализ дисперсности потока частиц распыливаемой суспензии следовым методом показал, что в факеле в основном (до 95%) присутствуют частицы диаметром 10-15 мкм (т.е. частицы угля, входящие в состав водно-угольной суспензии). Как и ожидалось, высокая температура водяного пара и высокая дисперсность угольных частиц позволили реализовать эффективный процесс газификации водно- угольной суспензии. Предварительный газовый анализ продуктов газификации показал, что они в основном содержат водород Н2 и моноксид углерода СО в соотношении, близком к 2:1 , а степень конверсии угля зависит от рабочей частоты импульсно- детонационной трубы и достигает 97-98% при частоте 5 Гц.
Таким образом, предложены способ и устройство, обеспечивающие бескислородную газификацию угля для его конверсии в топливный газ или синтез-газ с помощью термомеханического воздействия на угольные частицы высокоскоростными струями сильно перегретого водяного пара, получаемыми при ударном или детонационном сжатии водяного пара в циклическом рабочем процессе с импульсно- детонационным сжиганием того или иного горючего.

Claims

Формула изобретения
Пункт 1. Способ газификации УГЛЯ В перегретом водяном паре для его конверсии в топливный газ или синтез-газ, включающий подачу угольных частиц и перегретого водяного пара в зону газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, отвод продуктов газификации потребителю и удаление зольного остатка, отличающийся тем, что угольные частицы или частицы углесодержащего материала подаются в высокоскоростную струю ударно сжатого сильно перегретого водяного пара для аэродинамической фрагментации агломератов частиц и предварительной термохимической подготовки двухфазной смеси «перегретый водяной пар - частицы», а образованная двухфазная струя подается тангенциально в вихревую зону газификации, где в условиях сильно закрученного потока происходит газификация угля и конверсия продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, причем полученный топливный газ или синтез-газ выводится из зоны газификации частично к потребителю и частично для получения высокоскоростной струи ударно сжатого сильно перегретого водяного пара, а зольный остаток в виде расплава поступает в систему удаления зольного остатка.
Пункт 2. Устройство газификации угля в перегретом водяном паре для его конверсии в топливный газ или синтез-газ, включающее систему подачи частиц угля и перегретого водяного пара в реактор для газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, систему отвода продуктов газификации потребителю и систему удаления зольного остатка, отличающееся тем, что система подачи сильно перегретого водяного пара выполнена в виде импульсно- детонационного пароперегревателя, присоединенного тангенциально к входному патрубку вихревого реактора для газификации угля и конверсии продуктов газификации в топливный газ или синтез-газ, а система подачи угольных частиц или частиц углесодержащего материала выполнена в виде дозирующего устройства, обеспечивающего подачу частиц в импульсно-детонационный пароперегреватель до входного патрубка вихревого реактора.
PCT/RU2019/000345 2018-05-24 2019-05-16 Устройство и способ газификации угля WO2019226074A1 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018119172A RU2683751C1 (ru) 2018-05-24 2018-05-24 Способ газификации угля в сильно перегретом водяном паре и устройство для его осуществления
RU2018119172 2018-05-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019226074A1 true WO2019226074A1 (ru) 2019-11-28

Family

ID=66089972

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2019/000345 WO2019226074A1 (ru) 2018-05-24 2019-05-16 Устройство и способ газификации угля

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2683751C1 (ru)
WO (1) WO2019226074A1 (ru)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2764686C1 (ru) * 2021-03-25 2022-01-19 Валентин Федорович Надеев Устройство для получения водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и азота

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1828465A3 (en) * 1986-10-16 1993-07-15 Bergwerksverband Gmbh Method for gasifying coal under pressure with aqueous vapor and fluidized-bed gas generator
RU2333929C1 (ru) * 2007-02-26 2008-09-20 Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН) Способ и установка для газификации твердого топлива
WO2013120917A1 (de) * 2012-02-13 2013-08-22 Technische Universität Bergakademie Freiberg Verfahren und vorrichtung zur festbettdruckvergasung fester brennstoffe

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3112708C2 (de) * 1981-03-31 1985-06-13 Bergwerksverband Gmbh, 4300 Essen Verfahren zur Erzeugung von H↓2↓- und CO-haltigen Gasen aus feinkörnigem Brennstoff in der Wirbelschicht mit in diese eingetauchten Wärmetauschern
DE202005021666U1 (de) * 2005-08-24 2009-05-20 Siemens Aktiengesellschaft Vorrichtung zur Erzeugung von Synthesegasen durch Partialoxidation von aschehaltigen Brennstoffen unter erhöhtem Druck und Quenchkühlung des Rohgases
CN104593086B (zh) * 2015-01-30 2017-10-03 哈尔滨工业大学 一种带有氮气、水蒸气、合成气驱动回料机构的恩德粉煤气化炉
RU2627865C1 (ru) * 2016-04-06 2017-08-14 Негосударственная Академия Наук И Инноваций Способ получения синтез-газа из низкокалорийных бурых углей с повышенной зольностью и устройство для его осуществления

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1828465A3 (en) * 1986-10-16 1993-07-15 Bergwerksverband Gmbh Method for gasifying coal under pressure with aqueous vapor and fluidized-bed gas generator
RU2333929C1 (ru) * 2007-02-26 2008-09-20 Институт химии и химической технологии СО РАН (ИХХТ СО РАН) Способ и установка для газификации твердого топлива
WO2013120917A1 (de) * 2012-02-13 2013-08-22 Technische Universität Bergakademie Freiberg Verfahren und vorrichtung zur festbettdruckvergasung fester brennstoffe

Also Published As

Publication number Publication date
RU2683751C1 (ru) 2019-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9295961B2 (en) Various methods and apparatuses for internally heated radiant tubes in a chemical reactor
EP0550401B1 (en) Process for the indirect gasification of spent or black liquors
US8814961B2 (en) Various methods and apparatuses for a radiant-heat driven chemical reactor
JP5777887B2 (ja) 炭素原材料を変換するための方法および装置
CN107418634B (zh) 一种循环流化床煤气化多级降温除尘工艺及装置
US7334390B2 (en) Mixed fuel coal burner for gas turbines
CN102782099A (zh) 用于从气化器产生的合成气中去除细小微粒的系统
RO115380B1 (ro) Reactor in pat fluidizat pulsatoriu si procedeu de ardere a combustibilului solid
CN104178227B (zh) 一种煤粉的流化床干馏方法及装置
RU2627865C1 (ru) Способ получения синтез-газа из низкокалорийных бурых углей с повышенной зольностью и устройство для его осуществления
CN101418240A (zh) 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
CN105602628A (zh) 生物质/煤干馏气化生产高热值合成气装置及方法
CN1173015C (zh) 一种外配副床反应器的流化床水煤气生产方法及装置
CN113195689A (zh) 用于处理含碳原料的系统和方法
RU2683751C1 (ru) Способ газификации угля в сильно перегретом водяном паре и устройство для его осуществления
CN101418238A (zh) 利用生物质制造合成气的高温气化工艺方法及系统
Sivakumar et al. Design and development of down draft wood gasifier
US1738620A (en) Catalytic gas generator
US2552866A (en) Manufacture of water gas
US3088816A (en) Method and apparatus for the dry ash generation of hydrogen and carbon monoxide gases from solid fuels
RU2764686C1 (ru) Устройство для получения водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и азота
Kholiavchenko et al. Determination of the kinetic constants of the process of plasma gasification of coal-water fuel
JPS59140291A (ja) 加圧式微粉炭ガス化法
WO2010017534A2 (en) Method and system for fuel gas combustion, and burner for use therein
US2502670A (en) Method for the production of water gas

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19806414

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19806414

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1