ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В СИНТЕЗ-ГАЗ

ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В СИНТЕЗ-ГАЗ


RU (11) 2047650 (13) C1

(51) 6 C10J3/18 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 15.01.2008 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 93045100/04 
(22) Дата подачи заявки: 1993.09.28 
(45) Опубликовано: 1995.11.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: Авторское свидетельство СССР N 798159, кл. C 10B 49/12, 1981. Заявка Франции N 2491490, кл. C 10J 3/46, 1982. 
(71) Заявитель(и): Акционерное общество "Трансрегион"; Акционерное общество открытого типа "НовосибирскНИИхиммаш". 
(72) Автор(ы): Готфрид В.Э.; Кустов Б.А.; Кореньков В.И.; Шкобаль М.Р.; Ноздренко Г.В.; Попов Ю.С. 
(73) Патентообладатель(и): Акционерное общество "Трансрегион"; Акционерное общество открытого типа "НовосибирскНИИхиммаш". 

(54) ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В СИНТЕЗ-ГАЗ 

Использование: в технологических процессах, использующих синтез газ, например в металлургии, в теплоэнергетике и в химической промышленности. Сущность изобретения: процесс газификации осуществляют в три стадии. Две стадии ведут в трубчатых теплообменниках газификационной колонны. Третью заключительную стадию проводят в обьеме плазмореактора одновременно с процессом высокотемпературного пиролиза. Перед газификацией подготовку угля осуществляют путем диспергирования в метаноловой воде. Угольную суспензию нагревают перед первой стадией газификации до 500 600 К в потоке отходящих из газификационной колонны дымовых газов. Перед второй стадией ее нагревают до 1200 1400 К в потоке синтез газа, отводимого из плазмореактора. 2 з. п. ф-лы. 1 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к термической переработке каменного угля, в частности к плазмотермическому способу переработки угля в синтез-газ.

Изобретение может быть использовано в энергетике при производстве электроэнергии и тепла, в металлургии при выплавке металла и в химической промышленности при производстве синтетического топлива или любых других материалов на основе углерода.

Основное внимание при создании указанных процессов уделяют их интенсификации в сочетании с малыми капитальными и эксплуатационными затратами. Эта цель может быть достигнута в первую очередь за счет увеличения температуры и давления в реакционной зоне и, как следствие, уменьшения времени пребывания перерабатываемого сырья в ней, а также за счет комплексного использования тепловой энергии всего процесса в целом.

Известен способ термической переработки твердого топлива, включающий двухступенчатый пиролиз исходного угля в вихревых камерах с образованием газовзвеси, состоящей из коксика и пирогазовых продуктов, которую дополнительно охлаждают путем непосредственного омывания водой до 20-80оС с целью получения коксико-смоло-водяной суспензии. При этом часть коксика перед процессом охлаждения отбирают в горячем состоянии, а оставшуюся парогазовую смесь после охлаждения перерабатывают, извлекая из нее ценные продукты, и затем сжигают в котлах-утилизаторах или используют для других целей. Получаемый данным способом пиролизный газ имеет следующий состав, CO2+H2S 27,0; CO 12,2; H2 22,3; CH4 29,2; C2H4 5,6; N2 3,5. Теплотворная способность полученной суспензии при отборе большого количества коксика может составлять 5000 ккал/кг. (См. А.С. СССР N 798159, М. кл. С 10 B 49/12).

Однако полученный данным способом пиролизный газ сильно забалластирован и поэтому без соответствующей переработки малопригоден для использования. Использование же коксико-смоло-водной суспензии в топочных котлах электростанций усложняет последние и не приносит существенного выигрыша. К тому же доставка коксико-смоло-водной суспензии потребителю, как и ее аккумулирование, требует дополнительных затрат и совершенно неприемлемы в суровых климатических условиях.

Известен другой способ газификации углей с помощью электродугового разряда, в котором с целью снижения энергозатрат и увеличения степени газификации угля используют дополнительный поток пылегазовой смеси, вводимой в плазмореактор ниже дуговой зоны последнего. В качестве газифицирующего агента в данном способе используют водяной пар, воздух, кислород и двуокись углерода, вводимые в основной и дополнительный потоки одновременно с измельченным реагентом (углем) при более низкой температуре, чем температура, необходимая для газификации. (См. А.С. СССР N 1699152, A1 M. кл. C 10 J 3/18).

Использование в данном способе дугового разряда, горящего между электродами, одним из которых является корпус плазмореактора, позволяет поднять температуру до 2500 К, но не делает этот процесс экономичным. Вводимый дополнительный поток с достаточно низкими температурами агента и реагента, соответственно 379 и 294 К, частично уменьшает эрозию стенки корпуса, но не исключает ее полностью. Получаемый в данном процессе синтез-газ забалластирован дополнительно продуктами стенки и непрореагировавшего реагента. А использование в качестве агента таких газов, как воздух, кислород и двуокись углерода приводит к еще большему увеличению балластируемого газа.

Более близок к заявляемому решению способ термической переработки твердого топлива, включающий предварительное смешивание измельченного топлива с окислителем и последующую газификацию его путем подачи его в зону электрической дуги с таким расчетом, чтобы реактор скорости указанной смеси имел составляющую, параллельную оси дуги. При этом среднюю температуру синтез-газа поддерживают на уровне 1200-1700оС с регулированием мощности электрической дуги. В качестве окислителя в данном способе используют водяной пар и кислород в соотношении: водяной пар 15-45, а кислород 55-85% (См. патент Франции N 8021102, М. кл. С 10 J 3/46).

Однако данный способ также не лишен недостатков, которые существенно снижают его технико-экономические показатели и существенно усложняют процесс в целом. Так использование в качестве окислителя кислорода приводит к балластированию синтез-газа углекислым газом, и для получения кислорода необходима специальная установка. То и другое приводит к дополнительным затратам энергии, т.к. синтез-газа нужно очищать, а полученный кислород накапливать и хранить по всей вероятности в жидком состоянии. К тому же поддержание температуры получаемого синтез-газа за счет регулирования мощности электрической дуги малоэффективно, ненадежно и сложно.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса получения синтез-газа на угле и улучшение его качества.

Указанная цель достигается плазмотермическим способом переработки угля в синтез-газ, процесс газификации в котором ведут в три стадии. Две из них проводят в трубчатых теплообменниках газификационной колонны, а третью, заключительную стадию газификации осуществляют непосредственно в объеме плазмореактора одновременно с процессом высокотемпературного пиролиза. Цель достигается также тем, что уголь при подготовке диспергируют в метаноловой воде, в которую добавляют поверхностно-активные вещества, преимущественно, алкилоламиды, и полученную угольную суспензию подогревают перед первой стадией газификации до температуры 500-600 К в потоке отходящих из газификационной колонны дымовых газов, а перед второй стадией газификации нагревают до 1200-1400 К в потоке синтез-газа указанного плазмореактора. Цель достигается тем, что в качестве реагента при высокотемператуpном пиролизе используют пары воды, впрыскиваемые в реакционную зону с помощью плазменных источников, направление движения плазменных струй которых противоположно направлению движения газифицируемой смеси относительно оси плазмореактора и совпадает при их проекции на плоскость, перпендикулярную указанной оси. Цель достигается также тем, что полученный в плазмореакторе синтез-газ охлаждают и очищают от балластирующего газа с помощью атмосферного воздуха и воды, из которых первый используют с частью синтез-газа в топочном устройстве газификационной колонны, а вторую в диспергационном устройстве при приготовлении угольной суспензии.

Отличие заявляемого способа от прототипа заключается в том, что две стадии процесса газификации ведут в трубчатых теплообменниках без доступа свободного кислорода и азота в реакционную зону. Вторым отличием является то, что заключительную стадию газификации проводят не в зоне действия электрической дуги, а в объеме плазменных струй пара, которые при взаимодействии со струями газифицируемой смеси обеспечивают возврат непрореагировавших частиц угля в реакционную зону до тех пор, пока они полностью не перейдут в газ. Отличием является также то, что условия, необходимые для газификации и образования синтез-газа, обеспечиваются самим процессом, т.е. сжигается часть полученного синтез-газа, используется метаноловая вода и рекуперируется тепло дымовых газов газификационной колонны и тепло синтез-газа, выходящего из плазмореактора.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "Новизна". При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, не были выявлены и поэтому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "Существенные отличия".

На чертеже приведена схема, характеризующая предлагаемый плазмотермический способ переработки угля в синтез-газ. При этом установка, реализующая предлагаемый способ, включает бункер 1 для угольной пыли, резервуар 2 для окислителя, смеситель 3, диспергирующее устройство 4, насос 5 для перекачки угольной суспензии, подогреватель 6, газодувку 7, дымовую трубу 8, газификационную колонну 9, теплообменник 10 первой ступени газификационной колонны, закалочное устройство 11 синтез-газа, плазмореактор 12, теплообменник 13 второй ступени газификационной колонны, распределитель 14 газифицируемой смеси, плазменные источники 15, теплообменник 16, газодувку 17, устройство очистки синтез-газа 20, горелки 18 и топочное устройство 19 газификационной колонны.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Предварительно измельченный уголь из бункера 1 и окислитель (метаноловая вода с синтетической добавкой) из резервуара 2 вводятся в смеситель 3, в котором с помощью диспергирующего устройства 4 приготовляется угольная суспензия. Приготовленная угольная суспензия с помощью насоса 5 вводится в подогреватель, в котором температура ее поднимается до 500-600 К за счет прокачки через него дымовых газов, отсасываемых с помощью газодувки 7 и дымовой трубы 8 из газификационной колонны 9. После прогрева угольная суспензия вводится в трубчатый теплообменник 10 первой ступени газификации, который расположен внутри корпуса газификационной колонны 9. На этой стадии газификации происходит насыщение угольной фракции водой и ее распад. При этом на поверхности распавшихся частиц угля сорбируется углеводородная пленка, препятствующая слипанию мелкодисперсных частиц угля между собой. Из теплообменника 10 угольная суспензия вводится в закалочное устройство 11 плазмореактора 12. В закалочном устройстве за счет использования теплоты закаливаемого синтез-газа температура угольной суспензии доводится до 1200-1400 К, в результате чего вода полностью переходит в пар, углеводородная пленка разрушается, из угля начинают выделяться продукты разложения пирогенетической влаги. Образовавшаяся парогазоугольная смесь вводится в трубчатый теплообменник 13 второй стадии газификации, который расположен внутри корпуса газификационной колонны 9. В этом теплообменнике в режиме практически идеального вытеснения происходит процесс газификации угля. В результате взаимодействия углерода с паром образуется окись углерода, углекислый газ и водород. При этом водород частично вступает в реакцию с углеродом, образуя простейшие углеводороды. Выделившиеся из угля высшие углеводороды разлагаются при соприкосновении с горячими стенками теплообменника на простые, которые тут же вновь вступают в реакцию между собой, образуя новые виды углеводородов. При этом процесс с разложением воды на кислород и водород смещается в сторону экзотермических реакций, что способствует еще большему газообразованию. Далее парогазовзвесь через распределитель 14 вводится в реакционную зону плазмореактора 12.

При этом газовзвеси придается вращательное и поступательное движение относительно оси плазмореактора 12. Одновременно в реакционную зону с помощью плазменных источников 15 вводится пар. Причем направление движения плазменных струй пара противоположно направлению движения газифицируемой смеси относительно оси плазмореактора и совпадает при проекции этих направлений на плоскость, перпендикулярную упомянутой оси. Такая гидродинамика вынуждает непрореагировавшие частицы угля вновь и вновь возвращаться в реакционную зону до их полного исчезновения. Температура внутри реакционной зоны с помощью плазменных источников поддерживается в интервале 2500-3000 К, что создает благоприятные условия для высокотемпературного пиролиза. Принцип его состоит в том, что углеводороды и пары воды интенсивно смешиваются и образуют газовый вихрь, в котором они диссоциируют и в соответствии с кинетическими и термодинамическими условиями рекомбинируют посредством радикальных процессов. Последующее внезапное уменьшение температуры и давления благодаря воздействию закалочной среды, исключает распад уже образовавшихся углеводородов. После закалочного устройства 11 синтез-газ поступает в зону охлаждения плазмореактора. При этом энергия горящего синтез-газа в первую очередь отдается атмосферному воздуху, прокачиваемому по темплообменнику 16 с помощью газодувки 17. Часть синтез-газа тут же забирается из плазмореактора и вместе с подогретым атмосферным воздухом направляется в горелки 18 топочного устройства 19 газификационной колонны, в которой, сгорая, обеспечивает температурный режим первых двух стадий газификации угля. Из зоны охлаждения синтез-газ вводится в устройство очистки 20, в котором он за счет непосредственного контакта с водой охлаждается в центробежно-барботажном аппарате до температуры окружающей среды и очищается от забалластированного газа. При этом очистку синтез-газа осуществляют способом, который описан в заявке N 4800680/26 от 11.03.90 г. Используемая при очистке вода (абсорбент) служит сырьем для приготовления угольной суспензии. Следует отметить, что та часть синтез-газа, которая сжигается в топочном устройстве газификационной колонны, может выводиться из плазмореактора и после мокрой очистки, т.к. по требованиям экологии целесообразно сжигать очищенный синтез-газ.

Такой подход позволит осуществить химические процессы при высоких температурах вне зоны действия электрической дуги и к тому же без доступа в реакционную зону свободного кислорода и азота. Это гарантировало получение чистого синтез-газа с высокой теплотворной способностью и позволило снизить суммарные энергозатраты на его производство. К достоинству предложенного способа следует отнести также то, что для его реализации могут использоваться серийно освоенные агрегаты, замена любого из которых при выходе из строя может быть осуществлена в короткие сроки и с минимальными затратами. К тому же, с целью повышения надежности и возможности форсирования, число плазменных источников может быть увеличено по отношению к его номинальному режиму в два раза, что позволяет использовать данный способ во многих отраслях народного хозяйства, в том числе в комбинированных системах по выработке тепла, электроэнергии и синтез-газа одновременно.

Согласно заявляемому способу была осуществлена наработка синтез-газа из Кузнецкого угля на опытно-промышленной установке. Полученный синтез-газ обладает большой теплотворной способностью, а содержание в нем вредных примесей не превысило 1,5% В настоящее время ведутся пуско-наладочные работы на установке по производству синтез-газа из Кузнецких углей на Западно-Сибирском металлургическом комбинате, где полученный синтез-газ будет использоваться в металлургических процессах. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. ПЛАЗМОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЯ В СИНТЕЗ-ГАЗ, включающий подготовку, термообработку и газификацию угля с помощью плазмы в плазмореакторе, отличающийся тем, что процесс газификации осуществляют в три стадии, две из которых ведут в трубчатых теплообменниках газификационной колонны, а третью, заключительную, стадию газификации проводят непосредственно в объеме плазмореактора одновременно с процессом высокотемпературного пиролиза в присутствии реагента, при этом подготовку угля осуществляют путем диспергирования в метаноловой воде, в которую добавляют поверхностно-активные вещества алкилоламиды и полученную угольную суспензию нагревают перед первой стадией газификации до 500 600 К в потоке отходящих из газификационной колонны дымовых газов, а перед второй стадией газификации нагревают до 1200-1400 К в потоке синтез-газа, отводимого из плазмореактора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве реагента при высокотемпературном пиролизе используют пары воды, которые впрыскивают в реакционную зону с помощью плазменных источников так, что вектор скорости движения плазменных струй и вектор скорости движения газифицируемой смеси противоположны друг другу при проекции на ось плазмореактора и совпадают при их проекции на плоскость, перпендикулярную оси плазмореактора.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что полученный в плазмореакторе синтез-газ охлаждают и очищают от примесей в центробежно-барботажном аппарате с помощью атмосферного воздуха и воды, при этом атмосферный воздух затем используют с частью синтеза-газа в топочном устройстве газификационной колонны, а воду подают в диспергирующее устройство для приготовления угольной суспензии.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян

Независимый научно технический портал
Устройства и способы получения, хранения водорода, кислорода и биогаза






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска: "и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+водород -молекулярный".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "водород" будут найдены слова "водорода", "водородный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("водород!").


Устройства и способы получения кислорода и водорода | Устройства и способы хранения водорода и кислорода | Устройства и способы получения и хранения биогаза


Рейтинг@Mail.ru