Спосіб переробки твердого палива
Номер патенту: 23506
Опубліковано: 02.06.1998
Автори: Кувшинов Володимир Євгенович, Скляр Михайло Григорович, Шульга Ігор Володимирович, Максимов Леонід Сергійович
Формула / Реферат
Способ переработки твердых топлив, включающий их подогрев, сушку, последующий нагрев, пиролиз без доступа воздуха в движущемся слое в вертикальной печи, охлаждение и газификацию с помощью смеси водяного пара с воздухом или кислородом или со смесью этих газов, отличающийся тем, что, сушку осуществляют через греющую стенку печи, поддерживая температуру этой стенки со стороны загрузки равной (500-600)°С, до достижения температуры загрузки по оси (110-150)°С, нагрев и пиролиз ведут со скоростью подъема температуры по оси загрузки (40-50)°С/час до достижения температуры загрузки по оси, равной (600-700)° С, при этом, на газификацию в отдельный аппарат подают твердый продукт пиролиза после охлаждения его до температуры 450-670° С, поддерживая расход водяного пара, равным 4-5 Кмоль, а кислорода 3-4 Кмоль на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза.
Текст
Изобретение относится к термической переработке твердых топлив, точнее к способам их полукоксования и газификации. Известен способ переработки твердых топлив и смоляных отходов [Авт.св. СССР № 1745753, кл. С 10 В 53/06; С 10 J 3/20, опублик. 07,07.92], включающий сушку топлива, полукоксование топлива в присутствии продуктов термической обработки смоляных отходов, подаваемых в зону полукоксования на полукокс после предварительной их термической обработки при 500-650°С в потоке теплоносителя и окислителя, подаваемых тангенциально, и последующую газификацию. Способ реализуется в одном устройстве - газогенераторе, содержащем корпус, узлы загрузки твердого топлива и выгрузки остатка, расположенные в средней части корпуса, средства для подачи жидких углеводородов, средства для подачи газифицирующего агента, расположенные в нижней части корпуса, средства для отвода получаемых газообразных продуктов, расположенные в верхней части корпуса. Недостатками указанного способа являются: загрязнение получаемого генераторного газа первичными парогазовыми продуктами полукоксования, что ухудшает качество генераторного газа и увеличивает затраты на его подготовку к использованию (выделение смолы, газового бензина, соединений серы и азота, а при использовании газа для синтеза органических соединений еще и конверсия углеводородов); ограниченная производительность в связи с малой поверхностью контакта углеродистого материала с газами дутья при газификации в насыпном слое, а при переработке углей с ограниченной спекаемостью (а именно такими является большая часть запасов украинских углей) - ещё и в связи с мелкодиперсным составом получаемого полукокса, что приводит к недостаточной газопроницаемости и высокому гидравлическому сопротивлению перерабатываемого материала. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому является способ производства восстановительного или топливного синтез-газа, осуществляемый в шахтной (вертикальной) печи, и включающий стадии подогрева, сушки, нагрева и пиролиза в движущемся слое (без доступа воздуха) и газификации. Сушку осуществляют инертным газом с температурой 200° С; пиролиз при обогреве с помощью отопительного газа (температура (400-500°С); газификацию с помощью воздуха, O2, водяного пара или смесей этих газов [Заявка ФРГ № 3245104, кл. С 10 J 3/06; С 10 В 49/02, опублик. 07.06.84J. Хотя этот способ и позволяет в определенной степени предотвратить смешивание парогазовых продуктов стадий полукоксования и газификации, но приведенные в его описании сведения не позволяют обеспечить требуемые качество продукции и производительность. Так, ограниченная температура инертного газа на стадии сушки ограничивает величину равновесного парциального давления водяного пара над влажным высушиваемым материалом, а следовательно, и движущую силу процесса и производительность стадии сушки. Ограничение температуры отопительного газа, используемого для обогрева засыпи перерабатываемого материала, в свою очередь, ограничивает движущую силу процесса и производительность стадий нагрева и пиролиза. Кроме того, при этом конечный твердый продукт стадии пиролиза характеризуется повышенными выходом летучих веществ и содержанием водорода. При его газификации получаемый газ будет характеризоваться повышенным содержанием смолы и углеводородов, что усложняет его подготовку к последующему использованию. Задача предлагаемого способа состоит в усовершенствовании известного способа переработки твердых топлив путем изменения температурного режима стадий сушки, нагрева и пиролиза, технологического режима стадии газификации, позволяющих дифференцированно отводить парогазовые продукты, образующиеся на различных стадиях процесса, предотвращать преждевременную термодеструкцию органической массы угля до завершения стадии сушки и вторичную деструкцию парогазовых продуктов на стадиях нагрева и пиролиза, повысить скорость термохимических превращений при пиролизе, обеспечить практически полный перевод органической массы твердого продукта пиролиза на стадии газификации в парогазовые продукты улучшенного качества и за счет этого уменьшить потери целевых продуктов, повысить производительность и улучшить качество получаемых продуктов. Поставленная задача решается тем, что в способе переработки твердых топлив, включающем их подогрев, сушку, последующий нагрев, пиролиз без доступа воздуха в движущемся слое в вертикальной печи, охлаждение и газификацию с помощью смеси водяного пара с воздухом или кислородом' или со смесью этих газов, сушку осуществляют через греющую стенку печи, поддерживая температуру .этой стенки со стороны загрузки равной 500-600°С, до достижения температуры загрузки по оси 110-150°С, нагрев и пиролиз ведут со скоростью 40-50° С/ч до достижения температуры загрузки по оси, равной 600-700° С, при этом на газификацию в отдельный аппарат подают твердый продукт пиролиза после охлаждения его до температуры 450-670°С, поддерживая расход водяного пара, равным 4-5 Кмоль, а кислорода 3-4 Кмоль на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза. Признаки предлагаемого способа имеют следующую причинно-следственную связь с достигаемым техническим результатом. Сушка сырья через греющую стенку печи с поддержанием заданной температуры стенки со стороны загрузки до достижения по ее оси температуры 110-150° С позволяет предотвратить преждевременную термодеструкцию органической массы угля до завершения стадии сушки, вторичный пиролиз образующихся парогазовых продуктов, уменьшить потери целевых продуктов, повысить производительность и улучшить качество получаемых продуктов. Обеспечить температуру греющей стенки со стороны загрузки ниже 500° С технически невозможно, т.к. при этом не достигается устойчивого горения в отопительном канале из-за малых расходов газа и воздуха. Если же эта температура будет выше 600°С, то в пристенном слое загрузки начнут интенсивно протекать преждевременные процессы деструкции, образующиеся первичные продукты будут подвергаться вторичному пиролизу, в результате снизятся выход первичных газа, смолы и газового бензина, уменьшится содержание в первичном газе полукоксования углеводородов и понизится его теплотворная способность. Аналогичные явления будут протекать и в том случае, если начать подъем температуры стенки со стороны загрузки ранее достижения температуры по оси 110°С, т.к. в этом случае еще не будут полностью завершены процессы сушки. Если же не повышать температуру стенки со стороны загрузки после того, как температура по оси превысит 150°С, т.е. после полного завершения процессов сушки, то это приведет к снижению движущей силы и скорости нагрева, а в конечном счете - к уменьшению производительности. Нагрев и пиролиз со скоростью 40-50° С/ч до достижения температуры загрузки по оси, равной 600-700°С в совокупности с предлагаемым тепловым режимом стадии сушки позволит предотвратить вторичную деструкцию парогазовых продуктов на стадиях нагрева и пиролиза, обеспечить требуемую скорость термохимических превращений при пиролизе, уменьшить потери целевых продуктов, повысить производительность и улучшить качество получаемых продуктов. Если скорость подъема температуры будет меньше 40°С/ч, это приведет к снижению производительности. В противном случае (скорость подъема температуры более 50° С/ч) будет перегреваться пристеночный слой загрузки, где интенсифицируются вторичные процессы пиролиза, что приведет к снижению выхода первичных газа и смолы, газового бензина, снижению содержания в них веществ относительно более сложной структуры. В частности, в газе снижается содержание углеводородов и его теплотворная способность. Если конечная температура нагрева будет ниже 600°С, то твердый продукт будет характеризоваться повышенными выходом летучих веществ и содержанием водорода. На стадии газификации это приведет к повышенному содержанию в генераторном газе первичных продуктов (смолы, газового бензина, метана), что увеличивает затраты на подготовку генераторного газа к последующему использованию. При увеличении конечной температуры нагрева выше 700°С – снизится производительность стадии нагрева. Кроме того, вместо процессов термической деструкции начнут интенсивно протекать процессы поликонденсации и упорядочения структуры твердого материала, что снизит интенсивность процессов на последующей стадии газификации. Газификация твердого продукта пиролиза в отдельном аппарате с его начальной температурой 450670°С при определенном удельном расходе водяного пара и кислорода позволяет обеспечить практически полный перевод органической массы твердого продукта пиролиза на стадии газификации в парогазовые продукты улучшенного качества и за счет этого уменьшить потери целевых продуктов, повысить производительность и улучшить качество получаемых продуктов. Если температура материала, поступающего на газификацию, будет ниже 450°С, то при заданном расходе компонентов дутья не будет обеспечиваться подвода внешней энергии, необходимой для протекания эндотермических реакций с водяным паром, что приведет к превращению процесса газификации, и в результате снизится степень конверсии углерода в парогазовые продукты. Температура материала, поступающего на газификацию, выше 670°С не может быть обеспечена при заданном уровне конечных температур пиролиза по условиям работы оборудования в связи с тепловыми потерями при разгрузке твердого остатка из печи пиролиза и его транспортировании на газификацию. В случае, когда расход водяного пара на газификацию будет меньше 4 Кмоль на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза, его количества при неизменном расходе кислорода будет недостаточно для взаимодействия с органической массой перерабатываемого материала, поэтому снизится степень конверсии углерода в перерабатываемые продукты. Если же расход водяного пара будет превышать 5 Кмоль на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза, то это приведет к интенсификации эндотермических реакций взаимодействия твердого продукта пиролиза с водяным паром, что не будет обеспечиваться подводом необходимой внешней энергии. В результате степень конверсии также снизится. То же самое произойдет и в случае, если расход кислорода на газификацию будет меньше 3 Кмоль на 100 кг органической массы, т.к. при этом количество кислорода будет недостаточно для экзотермических реакций его взаимодействия с твердым продуктом пиролиза, в результате уменьшение выделяющейся при этом энергии не позволит осуществить эндотермические процессы взаимодействия с водяным паром. Если же расход кислорода будет превышать 4 Кмоль на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза, то в полученном генераторном газе увеличится содержание диоксида углерода, что ухудшает потребительские свойства газа, в частности, его теплотворную способность. Таким образом, каждый из признаков способствует, а вся совокупность обеспечивает достижение указанного технического результата. Способ апробирован в полупромышленных условиях Харьковского коксохимического зарода. Стадии подогрева, сушки, нагрева и пиролиза осуществляли в установке непрерывного слоевого коксования. (Патент Украины №4176). Стадию газификации - в лабораторном образце барабанной печи специальной конструкции. Скорость вращения печи -3 об/мин, угол наклона - 4°, внутренний полезный диаметр - 60 мм, длина общая - 600 мм. Сырье и дутье подаются противотоком. Предлагаемый способ был проверен на следующих видах сырья: -.бурый уголь разреза "Константиновский" ПО "Александрияуголь"; - каменный длиннопламенный уголь шахты "Благодатная" ПО "Павлоградуголь"; - каменный газовый уголь шахты им.Челюскинцев ПО "Донецкуголь". Характеристика сырья приведена в табл.1. Пример 1. Были проведены эксперименты по обоснованию правомерности выбора бесконтактного температурного режима сушки (через греющую стенку). В указанное устройство загружали перед началом работы балластный кокс крупностью 40-25 мм до уровня первого (считая сверху) горизонтального отопительного канала, а выше уровня балластного кокса подготовленный каменный уголь. Затем через специальное отверстие в стенке печи по оси камеры на уровне первого канала устанавливали хромель-алюмелевые термопары, с помощью которых измеряли температуры в загрузке. Температура греющей стенки со стороны загрузки на уровне первого канала при бесконтактной сушке составляла 600-700° С. Эта величина регулировалась путем изменения температуры в первом отопительном канале. Как только средневзвешенная по длине камеры температура по оси загрузки достигала 100-160° С, производили выгрузку порции (25 кг) балластного кокса через разгрузочное устройство, расположенное внизу камеры, а затем сверху загружали порцию исходного угля. Выгрузку следующей порции кокса и загрузку следующей порции угля производили, когда температура по оси загрузки вновь достигала 100-160°С, и т.д. Таким образом, уровень балластного кокса в камере постепенно снижался и перерабатываемый материал (уголь) постепенно продвигался вниз камеры, достигая уровня второго, третьего и т.д. отопительных каналов. При этом через отверстия в стенке печи на уровнях соответствующих каналов также устанавливали термопары для измерения температуры в засыпи. Температуру в отопительных каналах регулировали так, чтобы скорость подъема температуры по оси засыпи при продвижении последней вниз камеры составляла 50°С/ч до достижения конечной температуры равной 700°С. При переработке бурого угля методика эксперимента по бесконтактной сушке отличалась тем, что балластный кокс загружали до уровня третьего отопительного канала. Поэтому температура во всех трех первых каналах регулировалась так, чтобы температура греющей стенки со стороны загрузки составляла 400700°С на уровне всех этих каналов. Выгрузку кокса и загрузку новых порций угля проводили по достижении температуры 100-160°С на уровне третьего отопительного канала. Температуру в четвертом и пятом каналах регулировали так, чтобы скорость подъема температуры по оси засыпи при продвижении последней вниз камеры по-прежнему составляла 50°С до достижения конечной температуры, равной 700°С. При проведении опытов по контактной сушке с каменным углем первый отопительный канал отключали от обогрева, а через отверстие в стенке печи на уровне первого канала внутрь камеры подавали теплоноситель - продукты горения коксового газа с температурой 600°С. При экспериментах с бурым углем отключали от обогрева три верхних отопительных канала и теплоноситель подавали через отверстие в стенке печи на уровне третьего канала. Режим на стадиях нагрева и пиролиза (на уровне второго-пятого каналов при переработке каменного угля и четвертого-пятого каналов при переработке бурого угля) был такой же, как и в опытах по бесконтактной сушке. Газификации подвергали твердый продукт пиролиза с температурой на входе в газогенератор 450°С. В качестве дутья (окислителя) на стадии газификации использовали смесь водяного пара с воздухом в объемном соотношении 1:4,76. Расходы водяного пара и кислорода на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза составляли по 4 Кмоля. Откликами служили свойства первичного газа, получаемого в вертикальной камере на стадии пиролиза: выход, состав, теплотворная способность и запыленность сухого газа, а также производительность установки по углю. Полученные результаты приведены в табл.2. Аналиэ табл.2 показывает, что бесконтактный способ сушки (через греющую стенку) имеет существенные преимущества перед контактным способом с точки зрения качества получаемых парогазовых продуктов. При контактной сушке происходит разбавление выделяющихся продуктов, термической деструкции отработанным сушильным агентом (продуктами сгорания коксового газа). В результате в получаемом первичном сухом газе увеличивается содержание балластных компонентов азота, диоксида углерода й кислорода, что приводит к снижению доли целевых компонентов -метана, водорода, оксида углерода. Теплотворная способность газа снижается более чем в 7 раз. Раздельный отвод газов и паров, выделяющихся на стадиях сушки, а также нагрева и пиролиза, также не позволяет обеспечить приемлемое качество первичного газа, так как сушильный агент подается с большим избыточным давлением (около 1000 Па), чем газовое давление продуктов, выделяющихся при пиролизе (200-300 Па). Поэтому при контактном способе сушки будет неминуемо происходить загрязнение первичного газа отработанным сушильным агентом. При конечной температуре на стадии сушки менее 110°С процессы удаления влаги завершаются не полностью. Поэтому происходит нежелательная интенсификация процессов термической деструкции при последующих нагреве и пиролизе. В результате повышается степень пиролиза получаемых продуктов, что проявляется в снижении в первичном газе содержания углеводородов, росту содержания более пиролизованных продуктов - водорода и оксидов углерода. В результате происходит нежелательное уменьшение теплотворной способности первичного газа. Процессы сушки угля полностью завершаются до достижения температуры по оси загрузки 150°С, поэтому дальнейшее повышение конечной температуры на стадии сушки не приводит к улучшению качества получаемых продуктов, а лишь снижает производительность установки. При температуре греющей стенки, превышающей 600°С, также происходит нежелательная интенсификация процессов термической деструкции при нагреве и пиролизе, особенно в пристеночных зонах загрузки. Следствием этого является ухудшение качества первичного газа - снижается содержание углеводородов и возрастает объемная доля водорода и оксидов углерода, падает теплотворная способность. Обеспечить температуру греющей стенки ниже 500°С технически невозможно, так как при этом снижаются расходы газа и воздуха и не достигается устойчивое горение в отопительном канале. Таким образом, в результате анализа приведенных в примере 1 экспериментальных данных установлено, что сушку следует проводить бесконтактным способом; конечная температура на стадии сушки должна составлять 110-150°С; температура поверхности греющей стенки со стороны, обращенной к засыпи перерабатываемого материала, должна быть 500-600°С. Пример 2. Были проведены эксперименты по обоснованию правомерности выбора диапазона изменения скорости подъема температуры загрузки по оси и абсолютных значений этих температур. Сушку сырья осуществляли при температуре греющей стенки 600°С до достижения температуры загрузки по оси, равной 150°С. Газификацию твердого продукта пиролиза проводили в условиях, описанных в примере 1. Полученные результаты представлены в табл.3. Анализ табл.3 показывает, что при скорости подъема температуры по оси загрузки на стадиях нагрева и пиролиза более 50° С/ч процессы термической деструкции угольного вещества протекают чрезмерно интенсивно и сопровождаются вторичным пиролизом образующихся парогазовых продуктов. В результате в газе увеличивается доля веществ относительно простой структуры: водорода и оксидов углерода. Содержание метана и других углеводородов из-за пиролиза снижается. Конечным итогом этого является уменьшение теплотворной способности газа, что ухудшает его потребительские свойства. Наоборот, при скорости подъема температуры менее 40° С/ч процессы термохимических превращений угля протекают с малой интенсивностью и, хотя ухудшения качества получаемых продуктов не происходит, снижается производительность установки. Конечная температура по оси загрузки на стадии пиролиза менее 600°С не обеспечивает полного завершения процессов термической деструкции, о чем свидетельствует повышенный выход летучих веществ из полукокса. Хотя на последующей стадии газификации вся органическая составляющая твердого продукта (полукокса) в конечном итоге переводится в парогазовую фазу, но при этом образуются вещества более простой структуры (преимущественно водород и оксид углерода) по сравнению со стадией пиролиза, В результате ухудшается структура ассортимента получаемых продуктов и в конечном итоге - технико-экономические показатели процесса. При температуре на стадии пиролиза, превышающей 700°C, процессы термохимической деструкции практически завершаются, превалирующее значение при этом приобретают процессы поликонденсации, приводящие прежде всего к совершенствованию и упрочнению структуры образовавшегося твердофазного продукта - полукокса. Эти процессы приводят к ухудшению показателей следующей стадии газификации, на которой такая упрочненная структура полукокса должна быть разрушена. На стадии же пиролиза улучшения структуры получаемых продуктов не происходит. В то же время производительность стадии пиролиза снижается. Следовательно, оптимальными технологическими параметрами стадий нагрева и пиролиза являются: скорость подъема температуры по оси загрузки - 40-50° С/ч; конечная температура по оси загрузки на стадии пиролиза - 600-700°C. Пример 3. В условиях стадий сушки, нагрева и пиролиза, описанных в примерах 1 и 2, были проведены эксперименты по обоснованию правомерности выбора диапазона изменения начальной температуры твердого продукта пиролиза, подаваемого на газификацию, и удельного расхода компонентов дутья. Первоначально при расходах водяного пара и кислорода на газификацию по 4 Кмоля на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза исследовали влияние на процесс начальной температуры твердого продукта пиролиза. Было установлено, что при начальной температуре твердого продукта пиролиза, поступающего на газификацию, ниже 450°С, теплосодержание реагентов, подаваемых в реакционную зону, недостаточно для протекания эндотермической реакции углерода твердого продукта пиролиза с водяным паром дутья. Поэтому реакция самопроизвольно прекращается. Начальную температуру твердого продукта пиролиза выше 670°С обеспечить технически невозможно, так как даже при максимальном уровне конечной температуры по оси загрузки на стадии пиролиза 700 С происходит неизбежное охлаждение твердого продукта пиролиза в транспортирующих устройствах от узла выгрузки материала из вертикальной печи до загрузочного устройства газогенератора. Следовательно, начальная температура твердого продукта пиролиза, поступающего на газификацию, должна составлять 450-670°С. Затем было изучено влияние на показатели процесса газификации удельного расхода компонентов дутья. Экспериментальные данные представлены в таблице 4. Из них следует, что при расходе водяного пара на газификацию менее 4 Кмоль на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза снижается степень конверсии углерода в парогазовые продукты, т.к. при этом количество реагентов, вносимых с дутьем, становится недостаточным для взаимодействия с углеродом. Если же расход водяного пара будет превышать 5 Кмоль, то это приводит к чрезмерной интенсификации эндотермических реакций углерода с водяным паром, для осуществления которых недостаточно тепловой энергии, вносимой в реактор твердым продуктом пиролиза и дутьем, а также выделяющейся при экзотермических реакциях, углерода с кислородом. В результате происходит самопроизвольное прекращение процесса газификации. Такое же прекращение имеет место и в случае, когда расход кислорода на дутье менее 3 Кмоль в связи с происходящим при этом подавлением экзотермических реакций, следствием чего является снижение количества выделяющегося тепла и прекращение реакций с водяным паром. Если же расход кислорода превышает 4 Кмоль, то в генераторном газе увеличивается содержание диоксида углерода и падает его теплотворная способность. Таким образом, экспериментальные данные, представленные в примере 4, показывают, что: начальная температура твердого продукта пиролиза, поступающего на газификацию, должна составлять 450-670° С; расходы компонентов дутья (кислорода и водяного пара) - 3-4 и 4-5 Кмоль на 100 кг органической массы твердого продукта пиролиза соответственно. Сопоставительный анализ технологии и продуктов, получаемых по известному и предлагаемому способам, приведен в табл.5. Сопоставительный анализ способов известного по прототипу и предлагаемого, а также свойств (характеристик) продуктов, получаемых этими способами, свидетельствует о том, что предлагаемый способ позволяет на стадии пиролиза понизить выход летучих веществ из получаемого твердого продукта, увеличить содержание в нем углерода, уменьшить - водорода и кислорода, повысить содержание в первичном газе целевых веществ (прежде всего углеводородов), его теплотворную способность, содержание попутных продуктов (смолы, аммиака, газового бензина, сероводорода). В связи с относительно высоким содержанием попутных продуктов в первичном газе затраты на его очистку меньше, чем стоимость получаемой дополнительно товарной продукции, поэтому такое увеличение содержания попутных продуктов улучшает технико-экономические показатели процесса в целом. На стадии газификации увеличивается выход генераторного газа, а содержание попутных продуктов в нем уменьшается. При относительно низком их содержании в газе затраты на его очистку превышают стоимость дополнительно получаемой продукции, поэтому такое снижение содержания попутных продуктов в генераторном газе является экономически эффективным. Представленные данные дают основание сделать вывод об эффективности предлагаемого нового способа переработки твердых топлив.
ДивитисяДодаткова інформація
Автори англійськоюShulha Ihor Volodymyrovych, Skliar Mykhailo Hryhorovych, Kuvshynov Volodymyr Yevhenovych
Автори російськоюШульга Игорь Владимирович, Скляр Михаил Григорьевич, Кувшинов Владимир Евгеньевич
МПК / Мітки
МПК: C10B 53/00, C10B 49/00
Мітки: палива, переробки, твердого, спосіб
Код посилання
<a href="https://ua.patents.su/16-23506-sposib-pererobki-tverdogo-paliva.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб переробки твердого палива</a>
Попередній патент: Пристрій для газифікації вуглецевого матеріалу
Наступний патент: Лікувальна форма протипухлинного препарату для інфузій
Випадковий патент: Спосіб виготовлення дискової пили