WO2021246904A1 - Способ газификации углеродсодержащего сырья и устройство для его осуществления - Google Patents

Способ газификации углеродсодержащего сырья и устройство для его осуществления Download PDF

Info

Publication number
WO2021246904A1
WO2021246904A1 PCT/RU2021/000230 RU2021000230W WO2021246904A1 WO 2021246904 A1 WO2021246904 A1 WO 2021246904A1 RU 2021000230 W RU2021000230 W RU 2021000230W WO 2021246904 A1 WO2021246904 A1 WO 2021246904A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
partial oxidation
oxidation
channel
chamber
steam
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/000230
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Юрий Владимирович Фещенко
Original Assignee
Юрий Владимирович Фещенко
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 Юрий Владимирович Фещенко filed Critical Юрий Владимирович Фещенко
Priority to US17/928,396 priority Critical patent/US20230203389A1/en
Priority to EP21818532.0A priority patent/EP4163352A4/en
Priority to CN202180039952.2A priority patent/CN115803417A/zh
Publication of WO2021246904A1 publication Critical patent/WO2021246904A1/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
    • 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
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/50—Fuel charging devices
    • C10J3/506—Fuel charging devices for entrained flow gasifiers
    • 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
    • C10J3/02—Fixed-bed gasification of lump fuel
    • C10J3/20—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
    • C10J3/46—Gasification of granular or pulverulent flues in suspension
    • C10J3/48—Apparatus; Plants
    • C10J3/485—Entrained flow gasifiers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D1/00—Burners for combustion of pulverulent fuel
    • F23D1/005—Burners for combustion of pulverulent fuel burning a mixture of pulverulent fuel delivered as a slurry, i.e. comprising a carrying liquid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/02—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment
    • F23G5/027—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage
    • F23G5/0276—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor with pretreatment pyrolising or gasifying stage using direct heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G5/00—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor
    • F23G5/08—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating
    • F23G5/12—Incineration of waste; Incinerator constructions; Details, accessories or control therefor having supplementary heating using gaseous or liquid fuel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23L—SUPPLYING AIR OR NON-COMBUSTIBLE LIQUIDS OR GASES TO COMBUSTION APPARATUS IN GENERAL ; VALVES OR DAMPERS SPECIALLY ADAPTED FOR CONTROLLING AIR SUPPLY OR DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; INDUCING DRAUGHT IN COMBUSTION APPARATUS; TOPS FOR CHIMNEYS OR VENTILATING SHAFTS; TERMINALS FOR FLUES
    • F23L7/00—Supplying non-combustible liquids or gases, other than air, to the fire, e.g. oxygen, steam
    • F23L7/002—Supplying water
    • F23L7/005—Evaporated water; Steam
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23M—CASINGS, LININGS, WALLS OR DOORS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION CHAMBERS, e.g. FIREBRIDGES; DEVICES FOR DEFLECTING AIR, FLAMES OR COMBUSTION PRODUCTS IN COMBUSTION CHAMBERS; SAFETY ARRANGEMENTS SPECIALLY ADAPTED FOR COMBUSTION APPARATUS; DETAILS OF COMBUSTION CHAMBERS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F23M20/00—Details of combustion chambers, not otherwise provided for, e.g. means for storing heat from flames
    • 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
    • C10J2300/0903—Feed preparation
    • C10J2300/0906—Physical processes, e.g. shredding, comminuting, chopping, sorting
    • 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
    • C10J2300/0903—Feed preparation
    • C10J2300/0909—Drying
    • 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
    • C10J2300/0959—Oxygen
    • 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
    • C10J2300/0976—Water as steam
    • 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
    • C10J2300/1606—Combustion processes
    • 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
    • C10J2300/1678—Integration of gasification processes with another plant or parts within the plant with air separation
    • 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
    • C10J2300/18—Details of the gasification process, e.g. loops, autothermal operation
    • C10J2300/1846—Partial oxidation, i.e. injection of air or oxygen only
    • 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
    • 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
    • C10J3/726—Start-up
    • 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
    • C10J3/74—Construction of shells or jackets
    • C10J3/76—Water jackets; Steam boiler-jackets
    • 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
    • C10J3/80—Other features with arrangements for preheating the blast or the water vapour
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23G—CREMATION FURNACES; CONSUMING WASTE PRODUCTS BY COMBUSTION
    • F23G2201/00—Pretreatment
    • F23G2201/40—Gasification

Definitions

  • the present invention relates to chemical, petrochemical, coke-gas, energy and other related industries, and can be used mainly for processing carbon-containing raw materials to obtain energy and process gases, in particular, for gasification of carbon-containing raw materials, obtaining synthesis gas by partial oxidation of a stream containing carbon.
  • synthesis gas by partial oxidation
  • a stream containing carbon (hydrocarbon) such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other gaseous, liquid, or solid fuels, or mixtures thereof
  • a gasification reactor i. E. is partially oxidized using an oxygen-containing gas such as substantially pure oxygen or air, optionally enriched with oxygen, and the like, thereby obtaining a product stream including synthesis gas (ie, CO and) and CO.
  • Coal gasification technologies are mainly divided into three types: fixed bed gas generators, such as gas generators manufactured by Lurgi AG (Germany, Frankfurt am Main) [1, pp. 161-167], fluidized gas generators or gas generators with fluidized bed, implemented using the U-GAS technology, Winkler (USA, Institute of Gas Technologies, Chicago) [1, pp. 167-173], and gas generators in a parallel flow, according to the Shell process (jointly Shell and Uhde, Buggenum, Netherlands) [1, pp. 189-191] and Texaco (USA, Texaco GP, Cool Water and Polk units) [1, pp. 176-180].
  • fixed bed gas generators such as gas generators manufactured by Lurgi AG (Germany, Frankfurt am Main) [1, pp. 161-167]
  • fluidized gas generators or gas generators with fluidized bed implemented using the U-GAS technology
  • Winkler USA, Institute of Gas Technologies, Chicago
  • Texaco USA, Texaco GP, Cool Water
  • Fluidized bed gas generators have low efficiency due to low carbon conversion, difficulties in discharging dry bottom ash and carried fly ash.
  • the combustion temperature inside the torch is 1500-1700 ° C and its level is maintained depending on the ash melting temperature. Ash in liquid form is removed from the bottom of the reaction chamber into a special device, where it is cooled and granulated.
  • the disadvantages of this gasifier include:
  • the process temperature depends on the type of fuel used, and in the presence of more refractory ash, the process temperature increases due to liquid slag removal.
  • the coal-water slurry is fed to the lower part of the gasifier, at the same time mixing with oxygen. Partial oxidation of coal takes place, thus providing endothermic reactions in the zone of gasification with thermal energy.
  • the slag formed in the first stage is removed into a water bath and then used in construction.
  • the untreated generator gas flows into the the upper lined part of the reactor, where a water-coal suspension is additionally introduced. In this part, the fresh fuel reacts with the generator gas obtained in the first stage of the process.
  • the combustion temperature of the generator gas increases, and the ongoing endothermic reactions contribute to its cooling to a temperature of about 1038 ° C.
  • PRENFLO PRessurised Entrained-FLOw
  • PSG steam generation
  • the gasification temperature is higher than the ash melting temperature (1400-1600 ° C), which allows for liquid slag removal.
  • the advantage of this process is the dry supply of fuel - gasification feedstock. Finely dispersed coal (80% of the volume less than 0.1 mm in size) is fed together with oxygen and steam through four burners located in the same horizontal plane at the bottom of the gas generator.
  • the disadvantages of this gas generator include:
  • a gasifier of carbonaceous raw materials is also known (RU N ° 2237079, IPC C10J3 / 20, publ. 09/27/2004), which belongs to gas generators of carbonaceous raw materials and can be used in chemical, petrochemical, coke oven gas, energy and other related industries for the processing of carbon-containing raw materials to obtain energy and process gases.
  • the gasifier contains a vertical gasification chamber, a burner with nozzles for supplying carbon-containing raw materials and oxygen-containing gas, a collector for supplying water vapor, nozzles for supplying pulverized carbon-containing raw materials, a pipe for removing gasification products (in the lower part of the gasification chamber) , a slag removal chamber, while it is equipped with a special unit consisting of a burner located in the center of the unit above the gasification chamber and nozzles located around the burner along the periphery of the unit above the gasification chamber to create a steam curtain to protect the lining of the gasification chamber from overheating.
  • the gasification chamber is a cylindrical pipe ending in a conical ash removal chamber, while the gasification chamber is conventionally divided into oxidizing and reducing parts.
  • the process in the oxidation zone is carried out at a temperature of 1500-3000 ° C, and in the reduction zone by supplying steam, the temperature is reduced to 1000-1600 ° C.
  • Coal oxidation occurs in fact under adiabatic conditions, because the oxidation chamber is a channel coaxially located relative to the outer wall of the gas generator, separated from the outer wall by an annular space washed by the products of coal oxidation, which maintains the temperature in the oxidation chamber close to 1400-1600 ° C.
  • the supply of coal dust and a mixture of oxygen and water vapor is carried out through 4 horizontal burners in the upper part of the oxidation chamber.
  • the oxidation chamber goes into a rapid cooling chamber with water, into which water is injected through the holes located along the ring in the cooling chamber, cooling the oxidation products to a temperature of 200–250 ° C.
  • the closest to the claimed device is a gas generator [1, p. 186-189], which implements the specified prototype method, containing a manifold for supplying water vapor and oxygen to the burners, a collector for supplying a gas-coal mixture to the burners, an oxidation chamber that goes into a rapid cooling chamber - water supply, which is a cylindrical pipe coaxially located inside the gas generator body, ending with a conical ash removal chamber.
  • An annular gap is located between the slag removal chamber and the central pipe of the rapid cooling chamber through which the raw generator oxidation gas and water vapor leave the cooling chamber, then rise through the wall gap between the cooling chamber pipe and the gas generator casing and exit the gas generator into the pipe for removal gasification products for further processing.
  • a sharp change in the movement of the gas flow in the rapid cooling chamber leading to the fact that the downward movement of gases after passing the slotted gap between the pipe of the cooling chamber and the ash removal chamber is replaced by movement upwards, allows separating a significant amount of slag and ash and getting them into the conical ash removal chamber.
  • the ash removal chamber is connected to the ash removal system.
  • the slag from the gasifier can be used as a building material.
  • the main objective of the invention is to provide an efficient method of gasification in a parallel flow of carbon-containing raw materials such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other types of gaseous, liquid or solid fuels, or mixtures thereof, by the method of partial oxidation of hydrocarbon native raw materials in a mixture of oxygen-containing gas and water vapor and devices for its implementation in order to obtain the maximum possible yield of hydrogen during gasification of carbon-containing raw materials.
  • carbon-containing raw materials such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other types of gaseous, liquid or solid fuels, or mixtures thereof
  • the technical result of the claimed invention is to obtain a generator gas with an increased hydrogen content. In this case, stability of ignition and maintenance of the required temperature of partial oxidation is achieved.
  • the claimed technical result is achieved by the fact that in the known method of gasification of carbon-containing feedstock, including partial oxidation of carbon-containing feedstock in an oxidation chamber in a mixture of oxygen-containing gas and water vapor, partial oxidation is carried out in a partial oxidation channel coaxially installed in the oxidation chamber, and the supply of water vapor for partial oxidation of carbonaceous feedstock is carried out at the inlet and outlet of the partial oxidation channel of the combustion chamber.
  • L is the length of the partial oxidation channel
  • D is the diameter of the partial oxidation channel
  • Tb is the combustion temperature of the maximum particle of carbon-containing raw material; to is the calculated temperature of the oxidation products in the partial oxidation channel; p (to) is the calculated density of oxidation products in the partial oxidation channel.
  • Solid fuel in the form of coal, brown coal, peat, wood, coke, soot, or gaseous and liquid fuels, or their mixtures, can be used as carbon-containing raw materials.
  • the known gas generator for gasification of carbonaceous feedstock comprising a housing, a burner device, a vertical oxidation chamber, collectors for supplying carbonaceous feedstock, water vapor and oxygen-containing gas, a pipe for removing gasification products, a slag removal chamber, additionally contains a channel partial oxidation, which is coaxially located in the vertical oxidation chamber and is attached to the upper inner part of the housing, in which the burner is built.
  • the upper part of the body is made in the form of a removable cover, into which the burner is built-in.
  • a pipe for withdrawing gasification products can be installed in the side part of the gas generator body, closer to the upper part of the gas generator.
  • the burner device in the form of a diffusion burner equipped with annular channels arranged coaxially around the diffusion burner and made with the possibility of supplying oxygen-containing gas, hydrocarbon feedstock and water vapor to the annular channels.
  • the inner walls of the oxidation chamber can be made in the form of coaxially located toroidal containers, which provide the possibility of supplying water vapor from the bottom of the oxidation chamber to the cover of the gas generator.
  • the partial oxidation channel can be made with external thermal insulation.
  • the oxidation process is divided into 2 stages: first, partial oxidation is carried out under adiabatic conditions in a heat-insulated oxidation channel at optimal temperatures of 900-1100 ° C in a flow of a mixture of oxygen and water vapor, and then the resulting gases are additionally oxidized at the outlet of the partial oxidation channel only with water vapor while maintaining the temperature in this zone within the optimal temperature range of 800-1000 ° C.
  • the claimed method allows for stable ignition and combustion in the resulting two-phase flow both on the surface of the particle and in the gas phase, due to the stable supply of additional thermal energy from the combustion products coming from the built-in burner, in which liquid or gaseous fuel. Combustion products from the burner enter the partial oxidation channel along the channel axis, mixing with carbon-containing feedstock and steam-oxygen mixture.
  • the stability of ignition and maintenance of the required temperature in the oxidation channel is supported by the flow of thermal energy from the burner built into the upper part of the gas generator housing during combustion of any fuel, regardless of the carbon-containing raw material supplied to the gas generator for oxidation, for example, with the help of air oxygen, in difference from the prototype and other known means, in which stabilization is supported by a high oxygen consumption for the combustion of a part of the oxidizable carbon-containing raw materials, with obtaining high temperatures of 1400-1600 ° C and a pressure of 27-40 atm, and as a result, with a reduced yield hydrogen.
  • FIG. 1 schematically shows a general diagram of a gasifier for gasification of carbonaceous feedstock
  • FIG. 2 shows a sectional diagram of a gas generator
  • FIG. 3 shows a diagram of the burner device of the gas generator
  • FIG. 4 is a schematic diagram of a gas generator with a coil for heating steam and cooling the wall of the casing
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a gas generator with a set of torsion tanks for heating steam and cooling the wall of the gas generator.
  • the inventive gas generator for gasification of carbon-containing raw materials comprises a housing 1, an oxidation chamber 2, a housing cover 3 (Fig. 1), a burner 4 (Fig. 4) with a diffusion burner 7, oxygen supply pipes 5 and a mixture of water vapor and carbon-containing raw materials 6 , a pipe 8 for removing generator gases, a partial oxidation channel 9 with thermal insulation 10, with a collector 12 for supplying steam to the space at the outlet of the oxidation channel 9, as well as downpipes 13 (Fig. 2) supplying steam from the upper from the steam collector 14 to the steam supply collector 12.
  • FIG. 2 shows a section A-A (Fig.
  • FIG. 3 shows a diagram of a burner 4 with a built-in diffusion burner 7 with an air supply channel 16, with a fuel supply channel 17 (for example, oil or gas fuel), with ignition electrodes 18, a mixing diffuser 19, with an oxygen supply channel 20 and a channel steam supply 21.
  • FIG. 4 shows a diagram of the gas generator of FIG.
  • FIG. 5 shows a diagram of the gas generator of FIG.
  • the inventive method and gasifier operate as follows.
  • the raw steam through the pipe 23 enters the coil 22, where it is heated by the exhaust gas from the generator through the pipe 8 of the exhaust gas.
  • steam enters the steam distribution unit 24, where it is divided into 2 streams.
  • Part of the steam enters the mixing unit 25, where the steam picks up finely dispersed carbon-containing raw material supplied through the nozzle 26, for example, coal dust, and the resulting steam-coal mixture enters through the nozzle 6, for example, through an ejection device or a sluice (not shown in the drawing) into the burner device.
  • the burner device is a combined burner 4 (Fig. 3) in the center of which there is a diffusion burner 7 for burning liquid or gaseous fuel in air.
  • ⁇ + ⁇ 20 ⁇ + ⁇ 2 - 31700 kcal (2) with a significant loss of thermal energy, simultaneously with the process of burning out a part of carbon-containing particles in oxygen (in the total flow of steam and oxygen-containing gas) and maintaining the process temperature in the range of 900-1100 ° ⁇ ...
  • Le Chatelier's principle establishes that in the case of an impact on an equilibrium system from the outside, with a change in any of the factors that determine the equilibrium position, the direction of the process that weakens this impact is enhanced in the system.
  • reaction (2) Since as a result of reaction (2), 2 moles of gas are formed (CO and H2 instead of one mole of H2O) with an increase in pressure as a result of an increase in the volume of gases, then, by lowering the pressure in the reactor, it is possible to force the system to return to equilibrium, accelerating reaction (2) with the generation gases CO and H2. Conversely, as the pressure in the reactor increases, the pressure in the device decreases due to the slowing down of the reaction (2). Technically, this means that pressure must not be allowed to rise during the oxidation process, i. E. it is necessary to prevent an increase in gas-dynamic resistance to the movement of the gas flow. Consequently, the design of the channels through which the oxidation products move should not have sharp narrowings, and the combustion of carbon-containing particles should preferably be carried out while moving in a flow, and not in a closed chamber.
  • reaction (1) is exothermic, according to Le Chatelier's principle, as the temperature rises, the equilibrium will shift to the left (that is, towards the starting products), but for this reaction the boundary is a temperature of 1000 ° C (this can be seen from the dynamics of the equilibrium constant [3, p. 102] and experimental data [2, p. 30]). Those.
  • the supply of water vapor at the exit from the oxidation channel will allow the reaction (1) to proceed and reduce the gas temperature to 700-800 ° ⁇ , without allowing it to rise above 900-1000 ° ⁇ . Therefore, it is optimal to maintain the temperature at the exit from the channel oxidation in the range 800-1000 ° C.
  • the burner device preferably built into the gas generator cover, is a combined diffusion burner, in the center of which, along the axis, the actual a diffusion burner for combustion of gaseous or liquid fuel, which is equipped with annular channels arranged coaxially around the built-in diffusion burner and configured to supply oxygen-containing gas, hydrocarbon feedstock and water vapor to these annular channels.
  • the source of additional heat for igniting the mixture and maintaining a stable oxidation process in the proposed method is the heat of combustion products of liquid or gaseous fuel supplied along the stream of the reacting steam-oxygen mixture and carbon-containing raw materials.
  • Such a scheme of the combustion process makes it possible to obtain a stable ignition of a two-phase flow, to maintain its combustion until stable heat generation according to reaction (3), and to compensate for heat losses due to the reaction of carbon and carbon monoxide with water vapor.
  • Thermodynamic calculations of variants of such a process show that the power of such a built-in burner in 10-25% of the power of carbon burned by reaction (3) is sufficient to obtain a stable process with a temperature in the flow no higher than 1100 ° C.
  • the claimed method makes it possible to ensure stable ignition and combustion in the resulting two-phase flow both on the surface of the particle and in the gas phase, due to the stable supply of additional thermal energy from the combustion products coming from the built-in burner, in which liquid or gaseous fuels are burned.
  • Combustion products from the burner device enter the partial oxidation channel along the channel axis, mixing with carbon-containing raw materials and a steam-oxygen mixture.
  • the temperature is set at 900-1100 ° C, monitored by thermal sensors (not shown in the drawings).
  • the second part of the steam from the distribution unit 25 through pipes 13 enters the steam supply collector 12 and through the holes 15 is fed into the space at the outlet of the oxidation channel 9, where additional oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide occurs to obtain hydrogen.
  • the calculated amount of steam should provide a total of cooling to a temperature not exceeding 900-1000 ° C to prevent reverse reactions according to formula (1).
  • the resulting generator gases through the pipe 8 for the outlet of the generator gases go to cooling and cleaning and further processing (for example, to organic synthesis or to a membrane separator with further supply of the obtained hydrogen for the hydrogenation of coal).
  • the bulk of the slag and ash formed as a result of the combustion of coal enter the ash removal chamber 11, from where they are sent for utilization by the ash and ash removal system.
  • a prototype gas generator was built according to the scheme of Fig. 5 for the partial oxidation of coal.
  • the parameters of the initial coal were determined: average ash content - 12%; humidity 8%; carbon content in the organic part of coal (OMU) - 77%; the content of hydrogen in WMD is 5%.
  • the original coal was crushed, tumble-dried and finely ground in a crusher with a particle size of less than 100 microns (80% of particles less than 50 microns). Dry coal consumption was 1 ton per hour.
  • the volume of water for coal oxidation and the proportions of the distribution of the volumes of steam through the burner and the collector at the exit from the oxidation channel were selected from thermodynamic calculations of heat balances of chemical reactions of oxidation and reduction.
  • the supply of steam from the manifold (pos. 12, Fig. 5) was carried out through 3 rows of holes with a spray angle between the rows of holes of 120 °.
  • the volume of steam supplied through the collector (item 12 in Fig. 5) was 250-300 kg per hour.
  • the steam volumes supplied through the burner and through the manifold were controlled according to the data of 3 temperature sensors built-in before the exit from the oxidation channel and data from temperature sensors built into the annular gap between the oxidation channel and the gas generator body above the exit from the oxidation channel by 20 cm (3 pcs).
  • the choice of the geometric dimensions of the partial oxidation channel was determined by the residence time of the combustion products in the oxidation channel. This value should preferably be longer than the combustion time of the maximum fraction of the feedstock.
  • the gas generator received coal dust up to 50 ⁇ m - 80% and up to 80 - 90 ⁇ m - 20%.
  • the combustion time of a particle with a size of 50 ⁇ m was 0.41 sec, and a particle of 100 ⁇ m was 7 sec. Under the condition of complete reaction of coal in a steam-oxygen stream, about 826 liters of gases per second were obtained at a temperature of 1000 ° C.
  • the diameter of the partial oxidation channel was chosen at 0.85 meters and the length of the oxidation chamber was 6 meters, the residence time of the particles in the oxidation chamber was 7.9 seconds, which exceeds the theoretical combustion time of a coal particle of maximum size.
  • composition of gases (dry) at the mode with the maximum hydrogen yield was on average in volume%:
  • Oxygen consumption per 1 ton of dry coal was 300 m 3 per hour, steam consumption per 1 ton of dry coal was 370 - 430 kg.
  • the oxygen consumption was 644m 3 per ton of dry coal, and the steam consumption was only about 100 kg per ton of dry coal.
  • the indicators of the hydrogen yield according to the proposed method and device are 2 times higher than that of the prototype, the oxygen consumption is 2 times less, and the process temperature is lower - 1100 ° C, in comparison with the prototype, in which the process takes place at temperature 1400-1600 ° C.
  • the consumption of water vapor is almost 4 times higher, but the increased yield of hydrogen is precisely determined due to the decomposition of water.
  • the given example of a specific implementation of the proposed method and a device for its implementation shows that in the installation for the inventive gas generator, the results obtained for the hydrogen yield significantly exceed the indicators for the hydrogen yield in comparison with the prototype.
  • the total consumption of steam for the partial oxidation of coal is 370-430 kg per 1 ton of coal.
  • the oxygen consumption was 300 m 3 per ton of coal.
  • the total yield of hydrogen was about 65 kg per hour, while in the prototype it was about 32 kg per hour.
  • the claimed invention can be widely used for the gasification of carbonaceous feedstock, in connection with the provision of efficient gasification in a parallel flow of carbonaceous feedstock, such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other types of gaseous, liquid or solid fuels, or mixtures thereof in order to obtain a generator gas with the highest possible hydrogen content.
  • carbonaceous feedstock such as coal, brown coal, peat, wood, coke, soot or other types of gaseous, liquid or solid fuels, or mixtures thereof in order to obtain a generator gas with the highest possible hydrogen content.
  • the required parameters of the obtained gas easily regulated by changing the flow rates of oxygen, steam, gasified raw materials and the power of the built-in burner.
  • the gas generator can be used in the chemical, coal chemical and petrochemical industries (ammonia, methanol, synthetic fuels, etc.), coke oven gas, power generation and other related industries for the processing of carbon-containing raw materials to obtain energy and process gases.
  • the high content of hydrogen in industrial gases obtained in the claimed device will make it possible to efficiently utilize heavy oil residues at oil refineries, with the production of high-quality motor fuels, and for the coal chemical industry, the claimed device can become the main basic device for chemical coal processing. Such a device is equally important both for the processing of coals by the hydrogenation method and for the production of synthesis gas from coals.
  • Branch pipe for supplying a mixture of water vapor and carbon containing raw materials
  • Branch pipe for supplying coal to the mixing unit.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Air Supply (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области газификации углеродсодержащего сырья и может быть использовано в химической, нефтехимической, коксогазовой, энергетической промышленности. Способ газификации углеродсодержащего сырья включает парциальное окисление углеродсодержащего сырья в камере окисления в смеси кислородсодержащего газа и водяного пара в канале парциального окисления, коаксиально установленном в вертикальной камере окисления. Подачу водяного пара для парциального окисления углеродсодержащего сырья осуществляют на входе и выходе вертикального канала окисления камеры сгорания. Газогенератор содержит корпус, горелочное устройство, вертикальную камеру окисления, коллекторы для подачи углерод содержащего сырья, водяного пара и кислородсодержащего газа, трубу для отвода продуктов газификации, камеру шлакоудаления, а также канал парциального окисления, который коаксиально расположен в вертикальной камере окисления и прикреплен к верхней внутренней части корпуса, в которую встроено горелочное устройство. Обеспечивается получение генераторного газа с повышенным содержанием водорода.

Description

Способ газификации углеродсодержащего сырья и устройство для его осуществления
Настоящее изобретение относится к химической, нефтехимической, коксо- газовой, энергетической и другим смежным отраслям промышленности, и может быть использовано преимущественно для переработки углеродсодержащего сы- рья с получением энергетических и технологических газов, в частности, для гази- фикации углеродсодержащего сырья, получения синтез-газа путем парциального окисления потока, содержащего углерод.
Способы получения синтез-газа путем парциального окисления в настоящее время хорошо известны в применяемых технологиях. Обычно поток, содержащий углерод (углеводород), такой как уголь, бурый уголь, торф, древесину, кокс, сажу или другие виды газообразного, жидкого или твердого топлива, или их смеси, ча- стично сжигают в реакторе газификации, т.е. парциально окисляют с использова- нием кислородсодержащего газа, такого как практически чистый кислород или воз- дух, необязательно обогащенный кислородом, и т.п., получая таким образом поток продукта, содержащий в том числе синтез-газ (т.е. СО и ) и СОг.
Технологии газификации угля в основном подразделяют на три типа: газоге- нераторы с неподвижным слоем, такие как газогенераторы производства компании «Lurgi AG» (Германия, г. Франкфурт на Майне) [1, стр.161-167], газогенераторы с псевдоожиженным или с кипящем слоем, реализованные по технологии «U-GAS», «Winkler» (США, Институт газовых технологий, г.Чикаго) [1, стр.167-173], и газо- генераторы в параллельном потоке, согласно процессу Shell (совместно компании Shell и Uhde, установка Buggenum, Нидерланды) [1, стр.189-191] и «Texaco» (США, Texaco GP, установки Cool Water и Polk) [1, стр.176-180].
Газогенераторы с неподвижным слоем имеют недостатки, обусловленные- низкой пропускной способностью одного устройства и наличием дорогостоящих систем обработки синтез-газа и воды, также им присущи проблемы с безопасно- стью эксплуатации.
Газогенераторы с псевдоожиженным слоем имеют низкий КПД в связи с низкой конверсией углерода, трудности с выгрузкой сухой донной золы и унесенной вы- соколетучей золой.
Указанные недостатки отсутствуют при использовании процесса газификации в параллельном потоке. В устройствах газификации в параллельном потоке можно осуществлять парциальное окисление практически всех видов углеродсодержа- щего сырья, с получением технических газов с заданными свойствами. Кроме того, такие газогенераторы имеют небольшие размеры, и могут обеспечить высокую производительность по газифицируемому сырью.
К недостаткам процесса газификации в параллельном потоке можно отнести следующее:
1. Г азификация любых видов твёрдых и жидких топлив в параллельном потоке может эффективно проводиться только при их мелкодисперсном распыле- нии, как правило при размере частиц менее 75 мкм. При этом крупные фрак- ции частиц сырья могут заметно снижать КПД процесса и качество получа- емых газов.
2. Для получения технических газов с максимально высоким выходом водо- рода (водяной газ, синтез-газ и их смеси) при газификации твёрдых и жид- ких топлив необходимо использовать для окисления сырья водяной пар или парокислородную смесь, что создаёт проблемы для зажигания смеси при поддержании необходимой оптимальной температуры ведения процесса в районе 900-1100°С [2, стр. 26-27, стр.31].
Известна схема газогенератора, работающего по методу «Koppers-Totzek» [1, стр.174-176], в котором газификация производится при атмосферном давлении. По технологии «Koppers-Totzek» специально подготовленное измельченное и подсу- шенное топливо поступает в топливный бункер, откуда дозировочными шнеками подается в смесительные форсунки и далее в эллипсовидную реакционную камеру, в которой находятся от двух до четырех горелочных смесительных форсунок, рас- положенных напротив друг друга. В горелочных форсунках пылевидное топливо смешивается с кислородом и водяным паром таким образом, что водяной пар обра- зует снаружи пылекислородного факела паровую рубашку, предохраняя тем самым огнеупорную футеровку реакционной камеры от шлакования, эрозии и воздействия высоких температур внутри факела. Температура горения внутри факела состав- ляет 1500-1700 °С и ее уровень поддерживается в зависимости от температуры плавления золы. Зола в жидком виде удаляется снизу реакционной камеры в спе- циальное устройство, где охлаждается и гранулируется. К недостаткам данного га- зификатора относятся:
1. Повышенный расход кислорода по сравнению с другими известными паро- кислородными газогенераторами;
2. Пониженный выход водорода из-за высоких температур;
3. Невысокая безопасность , т.к. даже незначительные отклонения от номи- нального режима могут привести к образованию внутри реакционной ка- меры взрывоопасной концентрации газообразных продуктов.
4. Повышенные требования к конструкционным материалам для строитель- ства газогенератора из-за высоких температур процесса.
Известен также способ газификации угля «Destec» для расширения топливной базы путём перехода с природного газа на уголь, который изначально разрабаты- вался компанией Dow Chemical [1, стр.180-183]. Для газификации угля был разра- ботан двухстадийный поточный газогенератор с жидким шлакоудалением. Топ- ливо подается в реактор в виде водоугольной суспензии (уголь/вода = 60/40 %) под высоким давлением, создаваемым насосом. В качестве газифицирующего агента используется высокочистый кислород (95 %), производимый специальной установ- кой. Газификатор работает при давлении 2,75 МПа и температуре 1371 °С. Однако температура процесса зависит от типа используемого топлива, и при наличии более тугоплавкой золы температура процесса увеличивается в связи с жидким шлако- удалением. Водоугольная суспензия подается в нижнюю часть газогенератора, од- новременно смешиваясь с кислородом. Происходит частичное окисление угля, обеспечивая таким образом, эндотермические реакции в зоне газификации тепло- вой энергией. Образующийся на первой стадии шлак удаляется в водяную ванну и затем используется в строительстве. Неочищенный генераторный газ поступает в верхнюю футерованную часть реактора, куда дополнительно вводится водоуголь- ная суспензия. В этой части происходит реакция свежего топлива с полученным на первой стадии процесса генераторным газом. На второй стадии температура сго- рания генераторного газа увеличивается, а протекающие эндотермические реакции способствуют его охлаждению до температуры около 1038 °С.
К недостаткам данного газогенератора относятся:
1. Наличие технологических проблем с использованием водоугольной сус- пензии;
2. Пониженный выход водорода из-за высоких температур и высоких давле- ний;
3. Повышенный выход углекислого газа СОг по сравнению с другими прямо- точными газификаторами (т.е. получается менее калорийный газ, чем у аналогов);
4. Повышенные требования к конструкционным материалам для строитель- ства газогенератора из-за высоких температур процесса.
5. Использование в качестве газифицирующего агента кислорода высокой сте- пени очистки.
Известен также процесс «PRENFLO» (PRessurised Entrained-FLOw) с генера- цией пара (PSG) компании Thyssenkrupp AG [1 , стр.183-186], который реализуется при повышенном давлении на любом виде твердого топлива (уголь, нефтяной кокс, биомасса). Процесс основан на технологии «Koppers-Totzek». В газогенераторе подготовленное топливо газифицируется при давлении около 4 МПа.
Температура газификации при этом выше температуры плавления золы (1400- 1600°С), что позволяет осуществлять жидкое шлакоудаление. Преимуществом этого процесса является сухая подача топлива - сырья газификации. Мелко дисперс- ный уголь (80% объема размером меньше 0,1 мм) подается вместе с кислородом и паром через четыре горелки, расположенные в одной горизонтальной плоскости в нижней части газогенератора. К недостаткам данного газогенератора относятся:
1. Пониженный выход водорода из-за высоких температур и давления (в хи- мической промышленности используются только там, где не требуется вы- сокого содержания водорода в технологическом газе); 2. Высокие температура и давление обусловливают повышенные требования к используемым материалам в строительстве газогенератора и значительные финансовые затраты на его изготовление.
Известен также газификатор углеродсодержащего сырья (RU N° 2237079 , МПК C10J3/20, опубл. 27.09.2004 г.), который относится к газогенераторам угле- родсодержащего сырья и может быть использован в химической, нефтехимиче- ской, коксогазовой, энергетической и других смежных отраслях промышленности для переработки углеродсодержащего сырья с получением энергетических и тех- нологических газов. Газификатор содержит вертикальную камеру газификации, го- релку с патрубками для подачи углеродсодержащего сырья и кислородсодержа- щего газа, коллектор для подвода водяного пара, форсунки для подачи пылевид- ного углеродсодержащего сырья, трубу для отвода продуктов газификации (в ниж- ней части камеры газификации), камеру шлакоудаления, при этом он снабжен спе- циальным блоком, состоящим из горелки, размещенной в центре блока над каме- рой газификации, и форсунок, расположенных вокруг горелки по периферии блока над камерой газификации для создания паровой завесы для защиты футеровки ка- меры газификации от перегрева. Камера газификации представляет собой цилин- дрическую трубу, заканчивающуюся конической камерой шлакоудаления, при этом камера газификации условно разбита на окислительную и восстановительные части. Процесс в зоне окисления осуществляют при температуре 1500-3000°С, а в восстановительной зоне подачей пара достигают снижения температуры до 1000- 1600°С.
К недостаткам данного газогенератора относятся:
1. Пониженный выход водорода из-за высоких температур;
2. Пониженный КПД устройства при использовании газификатора в качестве источника тепловой энергии, поскольку наличие свободного водорода и вы- сокое содержание окиси углерода свидетельствуют о неполном сгорании.
3. Расположение трубы для отвода газов в нижней части камеры газификации предопределяет попадание значительных объёмов шлака и золы в газоходы и газораспределительную систему, что может привести к быстрому выходу из строя газификатора. Известен, принятый за ближайший аналог способ газификации в газогенераторе «PRENFLO» PDQ компании Thyssenkrupp AG [1, стр.186-189], более совершенный, чем его предшественник «PRENFLO» PSG, который функционирует согласно про- цессу «Koppers-Totzek» . В данном газогенераторе происходит газификация мел- кодисперсной угольной пыли в смеси кислорода и водяного пара в вертикальной камере окисления при температуре 1400-1600°С. Окисление угля происходит фак- тически в адиабатических условиях, т.к. камера окисления представляет собой ка- нал, коаксиально расположенный относительно внешней стенки газогенератора, отделённый от внешней стенки кольцевым пространством, омываемым продук- тами окисления угля, что поддерживает температуру в камере окисления близкой к 1400-1600°С. Подача угольной пыли и смеси кислорода и водяного пара осу- ществляется через 4 горизонтальные горелки в верхней части камеры окисления. Камера окисления переходит в камеру быстрого охлаждения водой, в которую че- рез отверстия, расположенные по кольцу в камере охлаждения, впрыскивается вода, охлаждая продукты окисления до температуры 200 - 250°С.
Наиболее близким к заявляемому устройству является газогенератор [1, стр.186-189], реализующий указанный способ-прототип, содержащий коллектор для подвода водяного пара и кислорода к горелкам, коллектор подачи газоугольной смеси к горелкам, камеру окисления, которая переходит в камеру быстрого охла- ждения водой, представляющую собой цилиндрическую трубу, коаксиально рас- положенную внутри корпуса газогенератора, заканчивающуюся конической каме- рой шлакоудаления. Между камерой шлакоудаления и центральной трубой камеры быстрого охлаждения расположен кольцевой зазор, через который сырой генера- торный газ окисления и водяной пар покидают камеру охлаждения, далее подни- маются по межстеночному зазору между трубой камеры охлаждения и корпусом газогенератора и выходят из газогенератора в трубу для отвода продуктов газифи- кации на дальнейшую переработку.
Резкая смена движения газового потока в камере быстрого охлаждения, при- водящая к тому, что движение газов вниз после прохода щелевого зазора между трубой камеры охлаждения и камерой шлакоудаления сменяется на движение вверх, позволяет отсепарировать значительное количество шлака и золы с попа- данием их в коническую камеру шлакоудаления. Камера шлакоудаления соединя- ется с системой шлакоудаления.
Шлак из газификатора может быть использован в качестве строительного мате- риала.
К недостаткам данного газогенератора относятся:
1. Пониженный выход водорода из-за высоких температур и давления (в хи- мической промышленности эти газогенераторы используются только там, где не требуется высокое содержание водорода в технологическом газе). Всего водорода не более 22-32% (как и для всех прямоточных газогенера- торов, основанных на технологии Koppers-Totzek (Процесс Шелл — Коп- перс ), тогда как для слоевых газогенераторов Lurgi содержание водорода в сухом газе составляет 36-40%, для газогенераторов псевдоожиженного слоя Winkler [1, стр.169-170] содержание водорода лежит в пределах 35-45% [4, стр.30].
2. Высокие температура и давление обусловливают повышенные требования к используемым материалам в строительстве газогенератора и значительные финансовые затраты на его изготовление.
3. Повышенный удельный расход кислорода на 1 тонну газифицируемого угля, как и для всех прямоточных газогенераторов основанных на техноло- гии Koppers-Totzek (540-650 м3), тогда как для слоевых газогенераторов Лурги составляет 220-300 м3, а для газогенераторов псевдоожиженного слоя Winkler - 350 м3 [4, стр. 30-33].
4. Для обеспечения стабильного зажигания и поддержания стабильного горе- ния смеси помимо повышенного расхода кислорода в камере окисления ис- пользуется горизонтальное расположение горелок, которое не позволяет снизить температуру процесса до температур 900-1100°С (оптимальные температуры получения синтез-газа), т.к. при таких температурах (900- 1100°С) зола подавляющего большинства углей находится в твёрдой фазе, а значит возможно ее накапливание на стенке камеры сгорания, что приво- дит к ее зашлаковыванию и дальнейшему выходу газогенератора из строя. 5. Слишком резкое охлаждение газов до температуры 200-250°С не позволяет получить дополнительно водород с помощью реакции СО + Н20 = С02 + Н2 + 10300 ккал., (1) т.к. уже при температуре 800°С степень разложения водяного пара снижается по сравнению с 1000°С на порядок, и за одно и то же время пребывания и контакта в 1 сек степень конверсии водяного пара при 800°С составит всего 0,5% от конверсии при 1000°С [2, стр.29]. Это означает, что при более низких температурах реакции вообще не будет, что подтверждается ростом константы равновесия этой реакции (1) при 500°С в 100 раз по сравнению с 1000°С [3, стр.102].
Основной задачей изобретения является создание эффективного способа гази- фикации в параллельном потоке углеродсодержащего сырья, такого как уголь, бу- рый уголь, торф, древесина, кокс, сажа или других видов газообразного, жидкого или твердого топлива, или их смесей методом парциального окисления углеводо- родного сырья в смеси кислородсодержащего газа и водяного пара и устройства для его осуществления с целью получения максимально возможного выхода водо- рода при газификации углеродсодержащего сырья.
Техническим результатом заявляемого изобретения является получение гене- раторного газа с повышенным содержанием водорода.- При этом достигается-ста- бильность зажигания и поддержания необходимой температуры парциального окисления.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в известном способе газификации углеродсодержащего сырья, включающем парциальное окисление углеродсодержащего сырья в камере окисления в смеси кислородсодержащего газа и водяного пара, парциальное окисление осуществляют в канале парциального окисления, коаксиально установленном в камере окисления, а подачу водяного пара для парциального окисления углеродсодержащего сырья осуществляют на входе и выходе канала парциального окисления камеры сгорания.
Оптимально осуществлять парциальное окисление в потоке смеси кислорода и водяного пара в канале парциального окисления камеры окисления при темпера- туре 900-1100°С, которую обеспечивают изменением объема пара на входе в канал парциального окисления. Целесообразно на выходе канала парциального окисления камеры окисле- ния поддерживать температуру в пределах 800-1000°С, которую обеспечивают изменением объема пара на выходе из канала парциального окисления.
Целесообразно зажигание смеси углеродсодержащего сырья и парокисло- родной смеси и поддержание их стабильного горения осуществлять за счёт подачи на вход канала парциального окисления продуктов сгорания из горелочного устройства, установленного вдоль оси канала парциального окисления. Предпо- чтительно выбирать время пребывания продуктов горения в канале окисления больше времени сгорания максимальной частицы сырья.
Геометрические размеры канала парциального окисления оптимально выби- рать, исходя из соотношения:
L > (4*G*Tb)/(7c*p(to) *D2), где
L - длина канала парциального окисления;
D - диаметр канала парциального окисления;
G - массовый приход продуктов окисления в канал парциального окисле- ния;
Ть - температура сгорания максимальной частицы углерод со держащего сы- рья; to - расчётная температура продуктов окисления в канале парциального окисления; p(to) - расчётная плотность продуктов окисления в канале парциального окисления.
В качестве углеродсодержащего сырья можно использовать твёрдое топ- ливо в виде угля, бурого угля, торфа, древесины, кокса, сажи или газообразные и жидкие топлива, или их смеси.
Технический результат достигается также тем, что известный газогенера- тор для газификации углеродсодержащего сырья, содержащий корпус, горелочное устройство, вертикальную камеру окисления, коллекторы для подачи углеродсо- держащего сырья, водяного пара и кислородсодержащего газа, трубу для отвода продуктов газификации, камеру шлакоудаления, дополнительно содержит канал парциального окисления, который коаксиально расположен в вертикальной ка- мере окисления и прикреплен к верхней внутренней части корпуса, в которую встроено горелочное устройство.
Оптимально верхнюю часть корпуса выполнить в виде съемной крышки, в которую встроено горелочное устройство.
Труба для отвода продуктов газификации может быть установлена в боковой части корпуса газогенератора, более близкой к верхней части газогенератора.
Оптимально выполнить газогенератор для газификации углеродсодержащего сырья содержащим верхний и нижний коллекторы пара, выполненные в виде пу- стотелых колец, соединенных опускными трубами, оси которых параллельны оси внешнего корпуса, при этом верхний коллектор установлен на внешней стороне крышки газогенератора, опускные трубы размещены на внешней стороне канала парциального окисления, а нижний коллектор пара расположен на выходе из ка- нала окисления, и снабжен отверстиями для выхода пара в поток продуктов пар- циального окисления.
Оптимально выполнить горелочное устройство в виде диффузионной го- релки, снабженной кольцевыми каналами, расположенными коаксиально вокруг диффузионной горелки и выполненными с возможностью подачи в кольцевые каналы кислородсодержащего газа, углеводородного сырья и водяного пара.
Рационально внутренние стенки камеры окисления выполнить в виде змее- вика, верхний вывод которого через узел распределения горячего пара соединен с верхним коллектором пара, а нижний вывод подсоединен к внешнему генера- тору водяного пара.
Внутренние стенки камеры окисления могут быть выполнены в виде соосно расположенных торообразных емкостей, обеспечивающих возможность подачи водяного пара снизу камеры окисления к крышке газогенератора.
Канал парциального окисления может быть выполнен с наружной теплоизо- ляцией.
Заявляемые способ газификации углеродсодержащего сырья, такого как уголь, бурый уголь, торф, древесину, кокс, сажу или другие виды газообразного, жидкого или твердого углеводородного топлива, или их смесей, а также устройство для его осуществления неизвестны из предшествующего уровня техники, следовательно, заявленные решения удовлетворяют условию патентоспособности изобретения «новизна».
Анализ уровня техники на соответствие заявленных решений условию патен- тоспособности изобретения «изобретательский уровень» показал следующее.
В предлагаемом способе для газификации углеродсодержащего сырья, такого как уголь, бурый уголь, торф, древесину, кокс, сажу или другие виды газообраз- ного, жидкого или твердого топлива, или их смесей методом парциального окисле- ния в смеси кислородсодержащего газа и водяного пара с целью максимального получения водорода, в отличие от известных устройств, фактически процесс окис- ления разбит на 2 этапа: сначала парциальное окисление ведётся в адиабатических условиях в теплоизолированном канале окисления при оптимальных температурах 900-1100°С в потоке смеси кислорода и водяного пара, а затем полученные газы доокисляются на выходе из канала парциального окисления только водяным паром с поддержанием температуры в этой зоне в пределах оптимальных температур 800- 1000° С. В предлагаемом устройстве для осуществления заявленного способа окис- ления в отличие от аналогов все процессы ведутся в условиях, исключающих рез- кий рост давления в реакционных пространствах. Кроме того, заявляемый способ позволяет обеспечить стабильное зажигание и горение в получаемом двухфазном потоке как на поверхности частицы, так и в газовой фазе, за счёт стабильного по- ступления дополнительной тепловой энергии от продуктов сгорания, поступаю- щих от встроенного горелочного устройства, в котором сжигается жидкое или га- зообразное топливо. Продукты сгорания от горелочного устройства поступают в канал парциального окисления вдоль оси канала, смешиваясь с углеродсодержа- щим сырьём и парокислородной смесью.
При этом стабильность зажигания и поддержание необходимой температуры в канале окисления поддерживается поступлением тепловой энергии от встроен- ного в верхней части корпуса газогенератора горелочного устройства при сжига- нии любого топлива независимо от поступающего на окисление в газогенератор углеродсодержащего сырья, например, с помощью кислорода воздуха, в отличие от прототипа и других известных средств, в которых стабилизация поддержива- ется высоким расходом кислорода для сжигания части окисляемого углеродсодер- жащего сырья, с получением в них высоких температур 1400-1600°С и давления 27- 40 атм, и как результат, с пониженным выходом водорода. Ведение процесса при оптимальных для газификации условий и температур позволяет, в отличие от про- тотипа, где горелки установлены поперёк вертикальной оси газогенератора (что приводит к высоким температурам при столкновении потоков продуктов сгора- ния), использовать в конструкции газогенератора недорогие материалы с сугце- ственно меньшей материалоёмкостью и жаростойкостью. Следовательно, заявля- емая группа изобретений удовлетворяет условию «изобретательский уровень».
Заявляемые способ и устройство для газификации углеродсодержащего сырья иллюстрируются чертежами, где на Фиг. 1 схематично представлена общая схема газогенератора для газифи- кации углеродсодержащего сырья; на Фиг. 2 представлена схема газогенератора в разрезе; на Фиг. 3 представлена схема горелочного устройства газогенератора; на Фиг. 4 схематично представлена схема газогенератора с змеевиком для подогрева пара и охлаждением стенки корпуса; на Фиг. 5 схематично представлена схема газогенератора с набором торооб- разных емкостей для подогрева пара и охлаждением стенки газогенератора.
Заявляемый газогенератор для газификации углеродсодержащего сырья со- держит корпус 1, камеру окисления 2 , крышку корпуса 3 (Фиг.1), горелочное устройство 4 (фиг. 4) с диффузионной горелкой 7, патрубки подвода кислорода 5 и смеси водяного пара и углеродсодержащего сырья 6, трубу 8 для отвода гене- раторных газов, канал парциального окисления 9 с теплоизоляцией 10, с коллек- тором 12 подачи пара в пространство на выходе из канала окисления 9, а также опускными трубами 13, (фиг. 2), подающими пар от верхнего коллектора пара 14 к коллектору подачи пара 12. В нижней части корпуса установлена камера шлако- удаления 11. На Фиг. 2 представлен разрез А-А (Фиг. 1) газогенератора, на котором показан вариант расположения отверстий подачи пара 15 в коллекторе подачи пара 12. На Фиг. 3 приведена схема горелочного устройства 4 с встроенной диффузионной го- релкой 7 с каналом подачи воздуха 16, с каналом подачи топлива 17 (например ма- зут или газовое топливо), с электродами розжига 18, диффузором смешения 19, с каналом подачи кислорода 20 и каналом подачи пара 21. На Фиг. 4 представлена схема газогенератора по Фиг.1, дополненная змеевиком 22 подогрева пара и охла- ждения теплоизоляции стенки корпуса 1 газогенератора, патрубком 23 ввода пара в змеевик 22, узлом распределения 24 подачи пара в узел смешения пара с углерод- содержащим сырьём 25 и в коллектор 14, патрубком подачи угля 26 в узел смеше- ния 25. На Фиг. 5 представлена схема газогенератора по Фиг.1, дополненная торо- образными емкостями 27 подогрева пара и охлаждения теплоизоляции стенки кор- пуса 1 газогенератора, патрубком 23 ввода пара в змеевик 22, узлом распределения 24 подачи пара в узел смешения пара с углеродсо держащим сырьём 25 и в коллек- тор 14, патрубком подачи угля 26, калачами 28, соединяющими торообразные ём- кости 27 между собой.
Заявляемые способ и газогенератор работают следующим образом.
Сырой пар через патрубок 23 (Фиг.4) поступает в змеевик 22, где подогревается отходящими генераторными газами через трубу 8 отвода генераторных газов. Че- рез змеевик 22 пар поступает в узел распределения пара 24, где он разделяется на 2 потока. Часть пара поступает в узел смешения 25, где пар подхватывает поступа- ющее через патрубок 26 мелкодисперсное углеродсодержащее сырьё, например, угольную пыль, и полученная пароугольная смесь поступает через патрубок 6, например, через эжекционное устройство или шлюзовик (на чертеже не показаны) в горелочное устройство. Горел очное устройство представляет собой комбиниро- ванную горелку 4 (Фиг.З) в центре которой расположена диффузионная горелка 7 для сжигания жидкого или газообразного топлива в воздухе. Продукты сгорания диффузионной горелки с температурой 1500-2000°С создают ядро газового потока, закрученного диффузором смешения 19 горелки 7, смешивая потоки кислорода, поступающего через патрубок 5 в канал 20, и пароугольной смеси, поступающей через патрубок 6 в канал 21. Важным и существенным для получения максимально возможного количе- ства водорода при газификации углеводородных частиц в параллельном потоке яв- ляется решение нескольких противоречивых задач, а именно получение генератор- ного газа по эндотермической химической реакции
С + Н20 = СО + Н2 - 31700 ккал (2) с существенной потерей тепловой энергии, одновременно с процессом выгорания части углеродсодержащих частиц в кислороде (в общем потоке пара и кислородсо- держащего газа) и поддержания температуры процесса в диапазоне 900-1100°С.
Чтобы получить требуемый результат, необходимо, прежде всего, вести про- цесс при низком давлении (например, близком к атмосферному), тогда согласно принципу Ле Шателье процесс согласно (2) будет сдвинут вправо. Прицип Ле Ша- телье устанавливает, что в случае воздействия на равновесную систему извне, с изменением какого-нибудь из факторов, определяющих положение равновесия, в системе усиливается то направление процесса, которое ослабляет это воздействие. Поскольку в результате реакции (2) образуется 2 моля газа (СО и Н2 вместо одного моля Н20) с повышением давления в результате роста объёма газов, то, понижая давление в реакторе, можно заставить систему вернуться в равновесие, ускоряя реакцию (2) с генерацией газов СО и Н2. И наоборот, при повышении давления в реакторе, в устройстве снижается давление за счёт замедления реакции (2). Технически это означает, что нужно не допускать повышения давления при веде- нии процесса окисления, т.е. нужно не допускать увеличения газодинамических сопротивлений движению потока газов. Следовательно, конструкция каналов, по которым движутся продукты окисления, не должны иметь резких сужений, а сго- рание углеродсодержащих частиц предпочтительно вести в процессе движения в потоке, а не в замкнутой камере.
Для поддержания необходимой высокой температуры рационально часть угле- рода сжигать в кислороде согласно реакции
С + 02 = С02 + 94300 ккал, (3) которая при 1000°С протекает практически мгновенно, а при понижении темпера- туры её скорость резко снижается [1, стр.24]. Однако для поддержания реакции (2) требуется значительное количество водяного пара, что отбирает тепловую мощ- ность, а поступление тепла по реакции (3) происходит постепенно по мере выгора- ния частиц, поэтому рациональным является разделение водяного пара на 2 части, где первая часть пара поступает через горелочное устройство, а вторая часть пара, поступающего на парциальное окисление сырья, поступает в поток продуктов пар- циального окисления на выходе из канала окисления, после выгорания частиц уг- леродсодержащего сырья, в пространство между вертикальной стенкой корпуса га- зогенератора и стенкой канала окисления. Кроме того, разделение подачи водяного пара позволяет на выходе из канала окисления вести управляемую реакцию СО + Н20 = С02 + Н2 + 10300 ккал по формуле (1) с увеличением водорода в генераторном газе. Поскольку реакция (1) экзотермична, то согласно принципу Ле Шателье при повышении температуры равновесие будет смещаться влево (т.е. в сторону исходных продуктов), однако для этой реакции границей является температура в 1000°С (это видно из динамики константы рав- новесия [3, стр.102] и экспериментальных данных [2, стр.30]). Т.е. подача водяного пара на выходе из канала окисления позволит пройти реакции (1) и снизить темпе- ратуру газов до 700-800°С, не позволив ей подняться выше 900-1000° С. Следова- тельно, оптимальным является поддержание температуры на выходе из канала окисления в пределах 800-1000° С.
Для завершения окислительно-восстановительных реакций (2) в канале парци- ального окисления, его геометрические размеры (диаметр и длина) должны обес- печивать время пребывания горящей частицы в канале не меньшее, чем время её выгорания (что значительно повышает КПД процесса), существенно зависящее от размера сгораемой частицы. Так, например, частица антрацита диаметром 100 мкм сгорает в кислороде за 7,1 сек, а диаметром в 50 мкм за 0,413 сек [3, стр.210]. Зная размер частиц газифицируемого сырья и его часовой расход, легко рассчитать гео- метрические размеры канала окисления.
Важнейшим условием стабильной работы газогенератора с газификацией ча- стиц в потоке является стабильное зажигание и горение в получаемом двухфазном потоке, где горение идёт как на поверхности частицы, так и в газовой фазе. Для стабильности процесса важно, чтобы скорость распространения пламени была выше скорости двухфазного потока, иначе произойдёт срыв пламени и процесс окисления прекратится. В известных газогенераторах поточной газификации, в том числе в ближайшем аналоге «PRENFLO» PDQ эта проблема решается тем, что ско- рость сгорания частиц угля увеличивают, повышая давление и температуру про- цесса за счёт увеличения подачи кислорода и сжигания большего количества угля по реакции (3). Кроме того, увеличивают время пребывания частиц в реакторе за счет расположения горелок перпендикулярно потоку. Важным в конструкции про- тотипа является то, что повышение давления в камере окисления достигается за счёт сужения на выходе из камеры окисления в форме ракетного сопла, что апри- ори требует жидкого шлакоудаления, а значит, и высоких температур, т.к. в про- тивном случае сужающийся канал будет быстро зашлакован.
В заявляемом устройстве эта проблема решается тем, что с целью получения постоянного источника зажигания и стабилизации процесса парциального окисле- ния, горелочное устройство, встроенное предпочтительно в крышку газогенера- тора, представляет собой комбинированную диффузионную горелку, в центре ко- торой, вдоль оси встроена собственно диффузионная горелка для сжигания газо- образного или жидкого топлива, которая снабжена кольцевыми каналами, распо- ложенными коаксиально вокруг встроенной диффузионной горелки, выполнен- ными с возможностью подачи в эти кольцевые каналы кислородсодержащего газа, углеводородного сырья и водяного пара. Т.е. источником дополнительного тепла для зажигания смеси и поддержания стабильным процесса окисления в предлагае- мом способе является тепло продуктов сгорания жидкого или газообразного топ- лива поступающего вдоль потока реагирующей парокислородной смеси и углерод- содержащего сырья. Такая схема процесса горения позволяет получить стабильное зажигание двухфазного потока, поддержать его горение до стабильной генерации тепла по реакции (3) и компенсировать теплопотери на реакции углерода и окиси углерода с водяным паром. Термодинамические расчёты вариантов такого про- цесса показывают, что мощности такой встроенной горелки в 10-25% от мощности сжигаемого по реакции (3) углерода достаточно для получения стабильного про- цесса с температурой в потоке не выше 1100° С.
Таким образом, заявляемый способ позволяет обеспечить стабильное зажи- гание и горение в получаемом двухфазном потоке как на поверхности частицы, так и в газовой фазе, за счёт стабильного поступления дополнительной тепловой энер- гии от продуктов сгорания, поступающих от встроенного горелочного устройства, в котором сжигается жидкое или газообразное топливо. Продукты сгорания от го- релочного устройства поступают в канал парциального окисления вдоль оси ка- нала, смешиваясь с углеродсодержащим сырьём и парокислородной смесью.
Регулировкой расходов пара, угля и кислорода в канале окисления 9 (Фиг.4) устанавливают температуру 900-1100°С, отслеживаемую по термо датчикам (на чертежах не показаны). Вторая часть пара из узла распределения 25 по трубам 13 поступает в коллектор подачи пара 12 и через отверстия 15 подаётся в пространство на выходе из канала окисления 9, где происходит доокисление окиси углерода до двуокиси углерода с получением водорода. Расчётное количество пара должно обеспечивать в сумме охлаждение до температуры не выше 900-1000° С для предотвращения обратных реакций по формуле (1). Полученные генераторные газы через трубу 8 отвода генераторных газов поступают на охлаждение и очистку и дальнейшую переработку (например на органический синтез или на мембранный разделитель с дальнейшей подачей полученного водорода на гидрогенизацию угля). Основная масса образовавшихся в результате сгорания угля шлака и золы поступают в камеру шлакоудаления 11 , откуда системой золо- и шлакоудаления поступают на утилизацию.
Пример конкретного выполнения
1. Для производства водорода для завода гидрогенизации угля был построен опытный образец газогенератора по схеме Фиг.5 для парциального окисления угля. Были определены показатели исходного угля: зольность средняя - 12%; влажность 8%; содержание углерода в органической части угля (ОМУ) - 77%; содержание во- дорода в ОМУ - 5%. Исходный уголь был подвергнут дроблению, сушке в бара- банной сушилке и тонкому помолу на дробилке с размером частиц менее 100 мкм (80% частиц размером менее 50 мкм). Расход сухого угля составлял 1 тонну в час.
2. В качестве источника кислорода была выбрана установка получения кисло- рода из воздуха производительностью - 300 м3 в час или 390 кг в час.
3. Объём количества воды на окисление угля и пропорции распределения объёмов пара через горелку и коллектор на выходе из канала окисления были выбраны из термодинамических расчётов тепловых балансов химических реакций окисления и восстановления. В качестве встроенной в горел очное устройство диффузионной горелки использовали горелку на мазуте тепловой мощностью 200 кВт, в которой в час сгорает 20 кг мазута в 20x10,8=216 м3/час воздуха или в 276,5 кг/час воздуха.
4. На вход канала парциального окисления через горел очное устройство подавали до 150 кг пара в час. Расчётная температура продуктов сгорания на выходе из ка- нала парциального окисления составила 952°С, что вписывается в оптимальный температурный предел 900-1100°С.
6. Подачу пара из коллектора (поз.12, Фиг.5) осуществляли через 3 ряда от- верстий с углом распыла между рядами отверстий в 120°. Объём пара, поступаю- щего через коллектор (поз.12 Фиг.5), составлял 250-300 кг в час.
Регулирование объёмов пара, поступающих через горелочное устройство и через коллектор вели по данным 3-х датчиков температуры, встроенных перед выходом из канала окисления и данным датчиков температуры, встроенных в кольцевой за- зор между каналом окисления и корпусом газогенератора выше выхода из канала окисления на 20 см (3 шт).
Выбор геометрических размеров канала парциального окисления (поз.9, Фиг.6) определялся временем пребывания продуктов горения в канале окисления. Это ве- личина должна быть предпочтительно больше времени сгорания максимальной ча- стицы сырья. В газогенератор поступала угольная пыль размером до 50мкм - 80% и до 80 - 90 мкм - 20%. Время сгорания частицы размером в 50 мкм составляло 0,41 сек, а размером в 100 мкм - 7 сек. При условии полного реагирования угля в парокислородном потоке получали при температуре в 1000°С около 826 литров газов в секунду. При выборе диаметра канала парциального окисления в 0,85 метра и длине камеры окисления в 6 метров время пребывания частиц в камере окисления составляло 7,9 секунды, что превышает теоретическое время сгорания частицы угля максимального размера.
Состав газов (сухих) при режиме с максимальным выходом водорода составил в среднем в объёмных %:
Н2 - 52,3%,
N2 - 10,0%,
СО - 12,4%, C02 - 25,3%.
Расход кислорода на 1 тонну сухого угля составил 300 м3 в час, расход пара на 1 тонну сухого угля составил 370 - 430 кг.
Из источника сведений [4, стр.31], раскрывающего установку по прототипу согласно технологии «Шелл-Копперс» известны следующие средние показатели:
Н2 - 25,6%
СО - 65,6%
С02 - 0,8%
СН4 - 8,0%
Расход кислорода составил 644м3 на тонну сухого угля, а расход пара только около 100 кг на тонну сухого угля. Очевидно, что показатели выхода водорода по пред- лагаемым способу и устройству в 2 раза выше, чем у прототипа, расход кислорода в 2 раза меньше, а температура процесса ниже - 1100°С, по сравнению с прототи- пом, в котором процесс идёт при температуре 1400-1600° С. В заявляемом устрой- стве практически в 4 раза больше расход водяного пара, но повышенный выход водорода как раз и определяется за счёт разложения воды.
Приведенный пример конкретной реализации заявляемого способа и устрой- ства для его реализации показывает, что в установке по заявляемому газогенера- тору, полученные результаты по выходу водорода значительно превышают показа- тели по выходу водорода по сравнению с прототипом. При этом общий расход во- дяного пара на парциальное окисление угля составляет 370-430 кг на 1 тонну угля. Расход кислорода составил 300 м3 на тонну угля. Общий выход водорода соста- вил около 65 кг в час, в то время как в прототипе около 32 кг в час.
Заявляемое изобретение может найти широкое применение для газификации углеродсодержащего сырья, в связи с обеспечением эффективной газификации в параллельном потоке углеродсодержащего сырья, такого как уголь, бурый уголь, торф, древесина, кокс, сажа или другие виды газообразного, жидкого или твердого топлива, или их смесей с целью получения генераторного газа с максимально вы- соким содержанием водорода. При этом требуемые параметры получаемого газа легко регулируются изменением расходов кислорода, пара, газифицируемого сы- рья и мощностью встроенной горелки.
Газогенератор может быть использован в химической, углехимической и нефтехимической промышленностях (аммиак, метанол, синтетические топлива и т.д.), коксогазовой, энергетической и других смежных отраслях промышленности для переработки углеродсодержащего сырья с получением энергетических и тех- нологических газов. Высокое содержание водорода в технических газах, получае- мых в заявленном устройстве, позволит с высокой эффективностью проводить на нефтеперерабатывающих заводах утилизацию тяжёлых нефтяных остатков, с по- лучением высококачественных моторных топлив, а для углехимической промыш- ленности заявляемое устройство может стать основным базовым устройством для химической переработки углей. Такое устройство одинаково важно, как для пере- работки углей методом гидрогенизации, так и для получения из углей синтез-газа. Список литературы:
1. Алешина А. С., Сергеев В. В. «Газификация твердого топлива» : учеб посо- бие. СПб.: Изд-во Политехи ун-та, 2010. — 202 с.
2. Рамбуш Н.Э. (перевод с англ.) «Газогенераторы» - М.-Л.: ГОНТИ, 1939. - 413с. 3. Померанцев В.В., Арефьев К.В. и др. «Основы практической теории горе- ния»: Учебное пособие для вузов - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 312с.
4. Шиллинг Г.-Д., Бонн Б., Краус У. «Газификация угля» - М.: Недра, 1986. - 175с. Перечень ссылочных обозначений
1. Корпус
2. Камера окисления
3. Крышка газогенератора
4. Горел очное устройство 5. Патрубок подвода кислорода
6. Патрубок подвода смеси водяного пара и углерод со держащего сырья
7. Встроенная диффузионная горелка
8. Труба для отвода генераторных газов 9. Канал парциального окисления
10. Теплоизоляция канала окисления
11. Камера шлакоудаления
12. Нижний коллектор пара.
13. Опускные трубы 14. Верхний коллектор пара
15. Отверстия подачи пара в коллекторе 16 Канал подачи воздуха
17. Канал подачи топлива.
18. Электроды розжига 19. Диффузор смешения
20. Канал подачи кислорода
21. Канал подачи пара
22. Змеевик для подогрева пара
23. Патрубок ввода пара в змеевик 24. Узел распределения подачи пара.
25. Узел смешения пара с углеродсодержащим сырьём
26. Патрубок подачи угля в узел смешения.
27.Торообразные емкости для подогрева пара
28. Калачи для соединения торообразных емкостей.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Способ газификации углеродсодержащего сырья, включающий парциальное окисление углеродсодержащего сырья в камере окисления в смеси кислородсодержащего газа и водяного пара, отличающийся тем, что парциальное окисление осуществляют в канале парциального окисления, коаксиально установленном в вертикальной камере окисления, а подачу водяного пара для парциального окисления углеродсодержащего сырья осуществляют на входе и выходе канала парциального окисления камеры окисления.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что парциальное окисление осуществляют в потоке смеси кислорода и водяного пара в канале парциального окисления камеры окисления при температуре 900-1100°С, которую обеспечивают изменением объема пара на входе в канал парциального окисления.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на выходе канала парциального окисления камеры окисления поддерживают температуру в пределах 800-1000°С, которую обеспечивают изменением объема пара на выходе из канала парциального окисления.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что зажигание смеси углеродсодержащего сырья и парокислородной смеси и поддержание их стабильного горения осуществляют за счёт подачи на вход канала парциального окисления продуктов сгорания из горелочного устройства, установленного вдоль оси канала парциального окисления.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что время пребывания продуктов горения в канале окисления выбирают больше времени сгорания максимальной частицы сырья.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что геометрические размеры канала парциального окисления выбирают, исходя из соотношения:
Figure imgf000024_0001
где
L - длина канала парциального окисления; D - диаметр канала парциального окисления;
G - массовый приход продуктов окисления в канал парциального окисления;
Ть - температура сгорания максимальной частицы углерод со держащего сырья; to - расчётная температура продуктов окисления в канале парциального окисления; p(to) - расчётная плотность продуктов окисления в канале парциального окисления.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве углеродсодержащего сырья используют твёрдое топливо в виде угля, бурого угля, торфа, древесины, кокса, сажи или газообразные и жидкие топлива, или их смеси.
8. Газогенератор для газификации углеродсодержащего сырья способом по п.1, содержащий корпус, горелочное устройство, вертикальную камеру окисления, коллекторы для подачи углеродсодержащего сырья, водяного пара и кислородсодержащего газа, трубу для отвода продуктов газификации и камеру шлакоудаления, отличающийся тем, что в него дополнительно введен канал парциального окисления, который расположен коаксиально в вертикальной камере окисления и прикреплен к верхней внутренней части корпуса, в которую встроено горелочное устройство.
9. Газогенератор по п. 8, отличающийся тем, что верхняя часть корпуса выполнена в виде съемной крышки, в которую встроено горелочное устройство.
10. Газогенератор по п. 8, отличающийся тем, что труба для отвода продуктов газификации установлена в боковой части корпуса газогенератора, более близкой к верхней части газогенератора.
11. Газогенератор по п.8, отличающийся тем, что он содержит верхний и нижний коллекторы пара, выполненные в виде пустотелых колец, соединенных опускными трубами, оси которых параллельны оси внешнего корпуса, при этом верхний коллектор установлен на внешней стороне крышки газогенератора, опускные трубы размещены на внешней стороне канала парциального окисления, а нижний коллектор пара расположен на выходе из канала окисления, и снабжен отверстиями для выхода пара в поток продуктов парциального окисления.
12. Газогенератор по п. 8, отличающийся тем, что горелочное устройство выполнено в виде диффузионной горелки, снабженной кольцевыми каналами, расположенными коаксиально вокруг диффузионной горелки и выполненными с возможностью подачи в кольцевые каналы кислородсодержащего газа, углеводородного сырья и водяного пара.
13. Газогенератор по п.8, отличающийся тем, что внутренние стенки камеры окисления выполнены в виде змеевика, верхний вывод которого через узел распределения горячего пара соединен с верхним коллектором пара, а нижний вывод подсоединен к внешнему генератору водяного пара.
14. Газогенератор по п.8 отличающийся тем, что внутренние стенки камеры окисления выполнены в виде соосно расположенных торообразных емкостей, выполненных с возможностью подачи водяного пара снизу камеры окисления к крышке газогенератора.
15. Газогенератор по п.8 отличающийся тем, что канал парциального окисления выполнен с наружной теплоизоляцией.
PCT/RU2021/000230 2020-06-05 2021-05-31 Способ газификации углеродсодержащего сырья и устройство для его осуществления WO2021246904A1 (ru)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/928,396 US20230203389A1 (en) 2020-06-05 2021-05-31 Method for gasification of carbonaceous feedstock and device for implementing same
EP21818532.0A EP4163352A4 (en) 2020-06-05 2021-05-31 PROCESS FOR GASIFICATION OF RAW MATERIAL CONTAINING CARBON AND IMPLEMENTATION DEVICE
CN202180039952.2A CN115803417A (zh) 2020-06-05 2021-05-31 含碳原料气化方法及其实施装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118732 2020-06-05
RU2020118732A RU2744602C1 (ru) 2020-06-05 2020-06-05 Способ газификации углеродсодержащего сырья и устройство для его осуществления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021246904A1 true WO2021246904A1 (ru) 2021-12-09

Family

ID=74874524

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/000230 WO2021246904A1 (ru) 2020-06-05 2021-05-31 Способ газификации углеродсодержащего сырья и устройство для его осуществления

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230203389A1 (ru)
EP (1) EP4163352A4 (ru)
CN (1) CN115803417A (ru)
RU (1) RU2744602C1 (ru)
WO (1) WO2021246904A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114854454A (zh) * 2022-04-27 2022-08-05 西安交通大学 一种自热型煤炭超临界水热化学还原制氢反应器及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1986000634A1 (fr) * 1984-07-16 1986-01-30 Cockerill Mechanical Industries, Societe Anonyme Dispositif de gazeification de dechets
RU2237079C1 (ru) * 2003-05-19 2004-09-27 Михайлов Виктор Васильевич Газификатор углеродсодержащего сырья
RU67582U1 (ru) * 2007-06-26 2007-10-27 Анатолий Павлович Кузнецов Газификатор углеродсодержащего сырья

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2530796A1 (fr) * 1982-07-21 1984-01-27 Creusot Loire Dispositif de conversion et de recuperation thermique
DE3406893C3 (de) * 1984-02-25 1996-02-08 Babcock Energie Umwelt Konvektionskühler
DD227980A1 (de) * 1984-10-29 1985-10-02 Freiberg Brennstoffinst Apparat fuer die vergasung von kohlenstaub
US8434700B2 (en) * 2008-04-30 2013-05-07 General Electric Company Methods and systems for mixing reactor feed
BRPI0913850B1 (pt) * 2008-06-20 2020-01-21 Ineos Bio Sa método de produção de álcool
US8999021B2 (en) * 2010-04-13 2015-04-07 Ineos Usa Llc Methods for gasification of carbonaceous materials

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1986000634A1 (fr) * 1984-07-16 1986-01-30 Cockerill Mechanical Industries, Societe Anonyme Dispositif de gazeification de dechets
RU2237079C1 (ru) * 2003-05-19 2004-09-27 Михайлов Виктор Васильевич Газификатор углеродсодержащего сырья
RU67582U1 (ru) * 2007-06-26 2007-10-27 Анатолий Павлович Кузнецов Газификатор углеродсодержащего сырья

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. S. ALESHINA, V. V. SERGEEV: "Protsess «RKENE'O» s sistemoy bystrogo okhlazhdeniya goryachegogeneratornogo gaza (ROS) ["PRENFLO" process with rapid cooling of hot producer gas (PDQ)]", GAZIFIKATSIYA TVERDOGO TOPLIVA [SOLID FUEL GASIFICATION], 2010, Sankt-Peterburg, Russia, pages 186 - 189, XP009542934 *
ALYOSHINA A. S.SERGEEV V. V.: "Gasification of solid fuel: textbook", 2010, PUBLISHING HOUSE OF THE POLYTECHNIC UNIVERSITY, pages: 202
RAMBUSH N. E.: "Gas producers", 1939, pages: 413
SCHILLING G.-D.BONN B.KRAUS U, COAL GASIFICATION - MOSCOW: NEDRA, 1986, pages 175
See also references of EP4163352A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114854454A (zh) * 2022-04-27 2022-08-05 西安交通大学 一种自热型煤炭超临界水热化学还原制氢反应器及方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP4163352A1 (en) 2023-04-12
EP4163352A4 (en) 2024-07-10
RU2744602C1 (ru) 2021-03-11
CN115803417A (zh) 2023-03-14
US20230203389A1 (en) 2023-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0098043B1 (en) Partial oxidation burner and process
US4353712A (en) Start-up method for partial oxidation process
EP2430127B1 (en) Two stage dry feed gasification system and process
US5620487A (en) High performance, multi-stage, pressurized, airblown, entrained flow coal gasifier system
WO1994016210A1 (en) Control system for integrated gasification combined cycle system
JPH0425992B2 (ru)
CN101096605A (zh) 启动高性能携带流气化反应器的方法
JP5130459B2 (ja) 石炭熱分解ガス化炉の操業方法
US4351647A (en) Partial oxidation process
US4479810A (en) Partial oxidation system
RU2744602C1 (ru) Способ газификации углеродсодержащего сырья и устройство для его осуществления
US4371378A (en) Swirl burner for partial oxidation process
US11739275B2 (en) Pulse detonation shockwave gasifier
JP5827511B2 (ja) 石炭ガスの製造方法およびメタンの製造方法
JP3904161B2 (ja) 水素・一酸化炭素混合ガスの製造方法および製造装置
EA044898B1 (ru) Способ газификации углеродосодержащего сырья и газогенератор для его осуществления
JP5552157B2 (ja) 石炭ガス化炉
JPS60173092A (ja) 石炭ガス化炉
JPH11302665A (ja) バイオマスと化石燃料を用いたガス化方法
JP4029223B2 (ja) 石炭ガス化装置及び該装置の制御方法
RU2764686C1 (ru) Устройство для получения водорода, монооксида углерода, диоксида углерода и азота
JPS6142759B2 (ru)
WO2022126019A2 (en) Pulse detonation shockwave gasifier
EP0258943B1 (en) Process and apparatus for the preparation of synthesis gas
JPH0741776A (ja) 石炭ガス化方法

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: 21818532

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2021818532

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2021818532

Country of ref document: EP

Effective date: 20230105

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE