Спосіб контрольованого виробництва синтез-газу (варіанти) та система для його здійснення

1. Спосіб виробництва синтез-газу шляхом часткового окислення потоку, що містить вуглець, за яким часткове окислення контролюють з використанням відношення кисню до вуглецю (відношення О/С), і який включає щонайменше етапи: (a) подавання потоку, що містить вуглець, та потоку, що містить кисень, у газифікаційний реактор при вибраному відношенні О/С, (b) щонайменше часткове окислення потоку, що містить вуглець, у газифікаційному реакторі з одержанням газоподібного продуктового потоку, який містить щонайменше синтез-газ, CO2 та СН4, (c) визначення вмісту CO2 у продуктовому потоці, одержаному на етапі (b), (d) порівняння вмісту CO2, визначеного на етапі (с), з попередньо встановленим вмістом CO2 з одержанням значення розходження між вмістом CO2, визначеним на етапі (с), та попередньо встановленим вмістом CO2, (е) коригування відношення О/С на етапі (а) на основі значення розходження, одержаного на етапі (d), де "О" є масовою витратою молекулярного кисню, О2, присутнього у потоці, що містить кисень, а "С" є масовою витратою сировинного матеріалу, що містить вуглець, за винятком будьяких додаткових несучих газів або води, і в якому потік продукту, одержаний на етапі (b), піддають вологому газоочищенню перед здійсненням етапу (с). 2 (19) 1 3 92056 4 (b) щонайменше часткове окислення потоку, що містить вуглець, у газифікаційному реакторі з одержанням газоподібного продуктового потоку, який містить щонайменше синтез-газ, CO2 та СН4, (c) визначення вмісту CO2 у продуктовому потоці, одержаному на етапі (b), (d) порівняння вмісту CO2, визначеного на етапі (с), з попередньо встановленим вмістом CO2 з одержанням значення розходження між вмістом CO2, визначеним на етапі (с), та попередньо встановленим вмістом СО2, в якому значення розходження визначають як відсоток абсолютного розходження між вмістом CO2 у продуктовому потоці та попередньо встановленим вмістом CO2 відносно до попередньо встановленого вмісту СО2, та в якому попередньо вибрана величина лежить між 0,5 та 5 %, (е) коригування відношення О/С на етапі (а) на основі значення розходження, одержаного на етапі (d), де "О" є масовою витратою молекулярного кисню, О2, присутнього у потоці, що містить ки сень, а "С" є масовою витратою сировинного матеріалу, що містить вуглець, за винятком будьяких додаткових несучих газів або води, і в якому потік продукту, одержаний на етапі (b), піддають вологому газоочищенню перед здійсненням етапу (с). 8. Спосіб за п.7, в якому потік, що містить вуглець, який подають на етапі (а), містить вугілля у формі частинок. 9. Спосіб за п.7 або 8, в якому відношення О/С коригують на етапі (е) шляхом коригування швидкості подачі одного з потоків: потоку, що містить вуглець, або потоку, що містить кисень, які подають на етапі (а), або їх комбінації. 10. Спосіб за п.9, в якому відношення О/С коригують шляхом коригування витрати потоку, що містить вуглець, при підтримуванні потоку, що містить кисень, постійним. 11. Спосіб за будь-яким з пп.7-10, в якому на етапі (с) вміст CO2 визначають з використанням інфрачервоного випромінювання. Даний винахід відноситься до способу виробництва синтез-газу шляхом часткового окислення потоку, який містить вуглець. Способи виробництва синтез-газу шляхом часткового окислення добре відомі у практиці. В основному, (гідро) потік, який містить вуглець, такий, як вугілля, буре вугілля, торф, деревина, кокс, сажа або інше газоподібне, рідке або тверде паливо або їхня суміш, частково спалюється у газифікаційному реакторі (або іншим чином частково окислюється) з використанням газу, який містить кисень, такого, як в основному чистий кисень або (за бажанням збагачене киснем) повітря або подібне, з отриманням таким чином продуктового потоку, який містить синтез-газ (тобто СО та Н2) та СО2. Продуктовий потік зазвичай підлягає подальшій обробці, наприклад, для того, щоб охолодити продуктовий потік у секції різкого охолодження для видалення небажаних компонентів. Також продуктовий потік може піддаватися конверсії, мокрому очищенню газу та подібному, в залежності від кінцевого використання продуктового потоку або його частин. Проблема відомого способу виробництва синтез-газу полягає в тому, що якість продуктового потоку, який отримується, може варіюватися через, наприклад, змінення або варіювання у потоці, що містить вуглець, та у потоці, що містить кисень, які подаються до газифікаціного реактора, кількості золи у потоці, що містить вуглець, тощо. Якщо, наприклад, у якості потоку, що містить вуглець, використовується вугілля, коливання вмісту Н2О у вугілля може призводити до змінювання умовпротікання процесу у газифікаціному реакторі, в результаті чого композиція продуктового потоку буде також варіюватися. Відомі різні методи контролю процесу часткової окислення. Наприклад, патент GB-A-837074 описує процес, в якому для контролювання витрати пари використовується вимірю вання діоксиду вуглецю у процесі часткового окислення. Патент US-A-2941877 описує процес контролювання відношення кисень/вуглець, які подаються до реактора часткового окислення. Відношення кисню до вуглецю, які подаються у реактор, контролюється шляхом визначення концентрації метану у продуктовому газі з використанням вимірювальної техніки, у якій використовується інфрачервоне випромінювання. Недоліком використання метану в якості контрольного вхідного сигналу є те, що сигнал не є сильним сигналом, що робить контроль менш точним. Вищезазначена проблема є ще важливішою у випадку, коли кінцевий споживач продуктового потоку (або його частин) потребує постійного рівня якості з дуже обмеженим його варіюванням. Предметом даного винаходу є щонайменше мінімізування вищезазначеної проблеми. Ще одним предметом винаходу є забезпечення альтернативного методу виготовлення синтезгазу. Один чи більше з вищеназваних об'єктів може бути здійсненим у відповідності з даним винаходом, в якому пропонується спосіб виробництва синтез-газу шляхом часткового окислення потоку, який містить вуглець, в якому часткове окислення контролюється з використанням відношення кисню до вуглецю (відношення О/С), спосіб складається зі щонайменше таких етапів: (a) подавання потоку, що містить вуглець, та потоку, що містить кисень, у газифікаційний реактор при обраному відношенні О/С; (b) щонайменше часткове окислення потоку, що містить вуглець, в газифікаційному реакторі, з отриманням таким чином газоподібного продуктового потоку, який містить щонайменше синтез-газ, СО2 та СН4; 5 (c) визначення вмісту СО2 у продуктовому потоці, отриманому на етапі (b); (d) порівняння вмісту, визначеного на етапі (с), з вмістом, який було встановлено раніше, що таким чином робить можливим отримання значення розходження між вмістом, визначеним на етапі (с), та попередньо встановленим вмістом; (є) коригування відношення О/С на етапі (а), засновуючись на значенні розходження, отриманому на етапі (d). На здивування було відкрито, що шляхом контролювання відношення О/С на базі вмісту СО2 у продуктовому потоці, режим процесу у газифікаційному реакторі (такий, як температура газифікації), і, таким чином, і якість продуктового потоку можуть контролюватися дуже простим чином. Заявники також відкрили, що вміст СО2 дає чіткий сигнал у порівнянні з сигналом СН4 при вимірюванні з використанням інфрачервоного випромінювання, що робить його більш придатним для контролювання ць цього процесу. Також заявники відкрили, що контролювання відношення С/О є значно більш ефективним, ніж контролювання витрати пари для отримання продуктового потоку з постійною якістю і виключно обмеженими її варіюваннями. Відповідно до даного винаходу потік, що містить вуглець, може бути будь-якою придатною рідиною, газоподібним або твердофазним потоком (включаючи суспензії), придатним для часткової оксидизації з отриманням при цьому продуктового потоку, який містить синтез-газ. Термін "який містить вуглець" вважається тут таким, що також включає "який містить гідрокарбонат". Було виявлено, що спосіб у відповідності до даного винаходу є особливо придатним, якщо для потоку, що містить вуглець, в кращому випадку використовується тверда сировина у вигляді часток з високим вмістом вуглецю. Кращою сировиною є твердофазна сировина, яка містить вуглець. Прикладами таких сировинних матеріалів є вугілля, біомаса, наприклад, деревина та відходи, в кращому випадку вугілля. Ще краще, коли твердофазна сировина, що містить вуглець, головним чином (тобто >90ваг.%) складається з природного вугілля або синтетичних (нафтових) коксів. Придатні види вугілля включають лігніт, бітумінозне вугілля, суббітумінозне вугілля, антрацитове вугілля та буре вугілля. Тверда сировина, що містить вуглець, може подаватися у процес у вигляді суспензії у воді, або більш краще як суміш сировини та придатного несучого газу. Придатним несучим газом є азот. В якості потоку, що містить кисень, може використовуватися будь-який придатний потік. Зазвичай буде використовуватися чистий кисень (наприклад, отриманий з використанням установки для зрідження повітря). Однак, також може використовуватися повітря або повітря, збагачене киснем. Спеціаліст в даній галузі легко зрозуміє як вибрати бажане відношення О/С, яке обирається для специфічного потоку, що містить вуглець, який подається на етапі (а). Для даного винаходу відношення О/С має такий зміст, що "О" є масовим 92056 6 розходом молекулярного кисню, О2, присутнього у потоці, що містить кисень, і "С" є масовим розходом сировини, що містить вуглець, за виключенням будь-якого довільного несучого газу або води у випадку суспензії. Бажане обране відношення О/С може, наприклад, визначатися з використанням відмого значення енергоємності для специфічного потоку, що містить вуглець, такого, як теплотворність сировинних матеріалів у Дж/кг. Звичайно, визначивши бажане обране відношення О/С, буде визначений вміст О2 у потоці, що містить кисень, і будуть встановлені придатні розходи потоків для сировинних потоків, що містять вуглець і кисень, для отримання бажаного відношення О/С. В кращому варіанті вміст СО2 визначається з використанням інфрачервоного випромінювання, також можуть використовуватися і інші вимірювальні технології. Вміст СО2 в кращому варіанті вимірюється у потоці газу так наближено до етапу часткового окислення, як тільки можливо, з очевидних причин контролю. Не дивлячись на це, заявники виявили, що процес може також бути ефективно контрольованим, коли вміст СО2 вимірюється нижче за потоком скрубера водяного газу. Це є вигідним через те, що очищений газ буде містити менше кислот, що зробить аналіз легшим. Також спеціаліст у даній галузі зрозуміє як може бути зроблене визначення складу на етапі (с); таким чином це в подальшому не буде тут обговорюватися. Порівняння складу продуктового потоку із попередньо визначеним складом на етапі (d) може бути зроблене вручну. Однак, звичайно може використовуватися, наприклад, придатна комп'ютерна програма. Попередньо визначений склад зазвичай співвідноситься зі складом очікуваної продуктової композиції (або очікуваного вмісту в ній одного чи більше компонентів), який може бути отриманий на базі обраного відношення О/С, якщо не мають місце які-небудь зміни або порушення. Якщо існує різниця (тобто значення розходження) між наявним складом продуктового потоку та попередньо визначеним складом, тоді відношення О/С коригується до якоїсь величини, наприклад, коригуваннями розходів потоків для сировинних потоків. В результаті коригування відношення О/С характеристики процесу будуть змінюватися (і етапи від (с) до (є) будуть повторюватися) допоки наявний склад не досягне бажаних значень. Спеціаліст в даній галузі зрозуміє, що, за бажанням, відношення О/С може коригуватися тільки, якщо значення розходження є вищим за попередньо обране значення розходження. Далі, коригування відношення О/С буде залежати від того, на яку величину композиція продуктового потоку відрізняється від попередньо визначеної композиції. Відповідно до даного винаходу було виявлено, що вміст СО2 у складі продуктового потоку є особливо придатними для цілей порівняння. Таким чином, в кращому варіанті значення розходження, можливо отримане на етапі (с), отримується на базі порівняння між його вмістом у продуктовому потоці і попередньо встановленим вмістом СО2. 7 Згідно з даним винаходом в кращому варіанті, якщо значення розходження є в наявності (або можуть бути вищими за попередньо встановлену величину), відношення О/С коригується на етапі (е) коригуванням розходу потоку одного з сировинних потоків, того, що містить вуглець, і того, що містить кисень, на етапі (а), або їхнього комбінування. В кращому варіанті потік, що містить вуглець, коригується на етапі (е). В іншому аспекті даний винахід представляє систему, придатну для здійснення способу за однією або більше пунктами Формули винаходу, система щонайменше включає: газифікаційний реактор, який має впускний отвір для потоку, що містить кисень, впускний отвір для потоку, що містить вуглець, та нижче за потоком газифікаційного реактора випускний отвір для продуктового потоку, отриманого в газифікаційному реакторі; перший контролер потоку для контролювання потоку, що містить кисень, який подається у газифікаційний реактор; другий контролер потоку для контролювання потоку, що містить вуглець, який подається у газифікаційний реактор; контролер якості для визначення складу продуктового потоку та порівняння його з попередньо визначеною композицією, з отриманням при цьому можливого значення розходження; в якій контролер якості функціонально пов'язаний з першим та другим контролерами і в якому контролер якості може коригувати розходи потоку у першому та другомуконтролерах потоку, засновуючись на значенні розходження. Винахід описаний тут, як приклад більш детально з посиланням на прикладені нелімітуючі малюнки, на яких: Фіг. схематично показує систему для здійснення способу відповідно до даного винаходу. Для цілей даного опису, єдиний номер посилання буде відноситися як до лінії, так і до потоку, який вводиться в цю лінію. Подібні номери посилань відносяться до подібних структурних елементів. Посилання здійснені на Фіг., яка схематично показує систему 1 для виробництва синтез-газу. В газифікаційному реакторі 2 потік, що містить вуглець, 20, такий, як вугілля, так потік, що містить кисень, 10, такий, як повітря, можуть подаватися у впускні отвори 4, 3 відповідно, при обраному відношенні О/С. У показаному варіанті здійснення на Фіг. обране відношення О/С отримане першим та другим контролерами потоку 7, 8. Перший та другий контролери потоку 7, 8 функціонально з'єднані (як показано пунктирною лінією 21). Крім того, обидва перший та другий контролери потоку 7,8 містять клапан, схематично показаний з номерами посилань 11 та 12. Вугілля 20 щонайменше частково оксидизується у газифікаційному реакторі 2, в результаті чого отримується газоподібний продуктовий потік 30, який щонайменше містить синтез-газ (тобто СО+Н2), СО2 та СН4. Для цього зазвичай в газифікаційному реакторі 2 присутні декілька пальників (не показані). Так як у потоці, що містить вуглець 20, використовується вугілля, також утворюється шлак, який видаляється по лінії 50 для подалшої обробки. 92056 8 Звичайно часткове окислення у газифікаційному реакторі 2 проводиться в межах температур від 1200 до 1800°С та при тиску в межах від 1 до 200 бар, зазвичай при 40 бар. Як показано на здійсненні за Фіг., отриманий продуктовий потік 30, що містить синтез-газ, подається до секції різкого охолодження 6, тут потік 30 зазвичай охолоджується до приблизно 350°С. Секція різкого охолодження 6 може мати будь-яку придатну форму, але звичайно вона має трубчасту форму. Спеціаліст у даній галузі легко зрозуміє, що продуктовий потік 30, який залишає секцію різкого охолодження 6, може піддаватися подальшій обробці. З цією метою він може подаватися до, наприклад, секції для видалення сухої твердої фази (не показана), до скрубера вологого газу (не показаний), до конвертера (не показаний), тощо. Продуктовий потік 30, що містить синтез-газ, який залишає секцію різкого охолодження 6, і в кращому варіанті далі вниз за потоком скрубер вологого газу, подається до контролера якості 9, в якому визначається вміст СО2 у продуктовому потоці 30 і порівнюється з попередньо встановленим вмістом СО2. Цей попередньо встановлений вміст СО2 може, наприклад, співвідноситися з очікуваним вмістом СО2 в продуктовому потоці 30, який може отримуватися на основі обраного відношення О/С, якщо не відбудеться ніяких змін чи порушень. Якщо композиція продуктового потоку 30 відхиляється від попередньо встановленого вмісту СО2, відношення О/С потоків 10 та 20 коригується, що таким чином впливає на умови процесу у газифікаційному реакторі 2. Спеціаліст у даній галузі зрозуміє, що, за бажанням, відношення О/С може коригуватися тільки якщо відхилення (тобто значення розходження) є вищим за попередньо встановлену величину. Для того, щоб отримати бажане коригування відношення О/С потоку 10 та 20, контролер якості 9 спричиняє дію на контролери потоку 7 та 8 (як показано штриховими лініями 22 та 23), в результаті чого норми розходу потоків 10 та/або 20 коригуються відповідно. В результаті цього параметри процесу (зокрема, газифікаційна температура) в газифікаційному реакторі 2 змінюється, змінюючи таким чином вміст СО2 в продуктовому потоці 30. Ці коригування відношення О/С можуть мати місце так довго, допоки вміст СО2 в продуктовому потоці 30 відхиляється від попередньо встановленого вмісту СО2. Далі обговорюється нелімітуючий приклад способу відповідно до даного винаходу. Приклад За схемою, яку в загальному показано на Фіг., синтез-газ було отримано шляхом часткового окислення твердого, частково твердого вугільного потоку, який спочатку подавався до газифікаційного реактора. В якості потоку, що містить кисень, використовувався в основному чистий кисень (отриманий з ASU). Вугільний по кисневий потоки подавалися таким чином, щоб отримати (орієнтовно) обране відношення О/С, рівне 0,713. Після часткового окислення вугільного потоку в газифікаційному реакторі при температурі близько 9 92056 1500°С та тиску близько 40 бар, було отримано газоподібний продуктовий потік. Композиція газоподібного продуктового потоку була визначена, вона наведена у Таблиці 1 нижче (зазначена як "Наявна композиція"). В цьому Прикладі вміст СО2 у продуктовому потоці було визначено із застосуванням інфрачервоної вимірювальної техніки і порівняно з (обрахованим) попередньо встановленим вмістом СО2 у продуктовому потоці (також наведеному в Таблиці 1), в результаті чого було отримано значення розходження між вмістом СО2 в наявній композиції та попередньо встановленій композиції (в даному випадку 0,74 мол.%). Так як значення розходження СО2 було визнане як зависоке (яке перевищує попередньо обрану величину, наприклад, 1% попередньо встановленого вмісту), відношення О/С вугільного та кисневого потоків, які подавалися до газифікаційного реактора, було скориговано шляхом внесення змін у розхід вугільного потоку при утримуванні розходу кисневого потоку постійним. Це повторювалося допоки значення розходження між наявним вмістом СО2 та попередньо встановленим вмістом СО2 у продуктовому потоці стало меншим за попередньо обрану величину в 1%. Не потребує зазначення те, що попередньо обране значення розходження в 1% може обиратися за бажанням. В кращому варіанті попередньо обрана величина знаходиться між 0,5 та 5%. Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 10 Таблиця Композиція газоподібного продуктового потоку Компонент Наявна композиція Н2О (мол.%) Н2 (мол.%) CO (мол.%) H2S (мол %) N2 (мол %) Аг (мол.%) NH3 (мол.%) COS (мол.%) HCN (мол.%) СО2 (мол.%) СН4 (мол.%) 19,85 19,22 46,39 0,38 7,83 0,07 0,01 0,05 0,01 6,19 0,0024 Попередньо Значення встановлена розходкомпозиція ження (вирахувана) 19,85 19,55 46,91 0,38 7,71 0,06 0,01 0,05 0,01 5,45 0,74(*) 0,0047 0,0023 (*) Цей результат є значенням розходження у -13%, яке перевищує попередньо обрану величину в 1%. Спеціаліст в даній галузі легко зрозуміє, що даний винахід може модифікуватися багатьма шляхами без відходження від суті, визначеної пунктами формули винаходу. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601