Спосіб використання твердих палив з низькою теплотворною здатністю

1 Способ использования твердых топлив с низкой теплотворной способностью, включающий пиролиз твердого топлива и последующую газификацию твер дого остатка пиролиза, отличающийся тем, что на ста дии пиролиза пиролизуют до 30-80% углерода твердо го топлива при температуре 450-600°С , при этом пи ролиз проводят с интенсивным выделением тепла до 200-600 ккал/кг в зависимости от степени пиролиза, а оставшуюся часть углерода твердого топлива газифи цируют с кислородом или кислородом и паром или сжи гают без образования смолистых или жидких побочных продуктов с высоким суммарным тепловым балансом, без загрязнений и с получением топливных газов высокого качества и в количестве, при котором смешан ный топливный поток газов со стадии пиролиза и га зификации может быть использован в системе производства электрической энергии 2 Способ по п 1, отличающийся тем, что пиролиз проводят с обеспечением восстановительного характе ра и получением серы в виде сероводорода, а газифи кацию остатка - с окислительным характером, при этом два газовых потока смешивают при условиях, обеспе чивающих нейтрализацию газов, содержащих серу, с образованием молекулярной серы 3 Способ по п п 1 и 2, отличающийся тем, что пи ролиз твердых топлив с влажностью до 60% при темпе ратуре 450-600°С обеспечивают за счет тепловой энер гии экзотермической реакции пиролиза, дающей 200300°С, за счет теплообмена с газами газификации, по вышающими температуру на 200°С, и за счет энергии, содержащейся е поступающих твердых топливах, наг ретых до 180-320° С и частично обезвоженных за счет теплообмена с отходящими газами и зольной пылью, при этом на стадии пиролиза при температуре 600°С, давлении 20-30 атм получают газы с высоким содержа нием термомеханической энергии, которую можно использовать путем теплообмена 4 Способ по п п 1, 2 и 3, отличающийся тем, что обеспечивают создание условий высокой экономии энергии путем проведения пиролиза за счет отдачи тепловой энергии всеми полученными продуктами и за счет экзотермической реакции, обеспечивающей энер гией все полученные продукты, а газификацию кисло родом или кислородом и паром осуществляют при пот реблении только 6% углерода с получением теплопроизводительности до 95% от теплосодержания поступающих твердых топлив в сухом виде которая за счет экзотермической реакции имеет приращение энергии более чем 100% от основного теплосодержа ния 5 Способ по любому из предыдущих пунктов, отли чающийся тем что твердые топлива с низкой теп лотворной способностью, которые пиролизуют более чем на -40%, после обработки в два этапа, а именно, пи ролиза и газификации углеродного остатка пос редством кислорода или кислорода и пара, производят топливные газы, которые в реакции Клауса очищают от газов, содержащих серу, при этом газы получают с тем пературой 600-800°С и давлением 20-30 атм и с вы соким содержанием термомеханической энергии, а за тем подают в турбину для производства электрической энергии или для получения пара под давлением 6 Способ по пп 1-5, отличающийся тем, что твердые топлива с низкой теплотворной способностью обра батывают в два этапа путем пиролиза и газификации кислородом или кислородом и паром и получают га зовые потоки с температурой 600-800дС и давлением 20-30 атм и нейтрализуют их от газов, содержащих се ру, в реакционной установке Клауса, затем топливные газы подают для использования их термомеханической энергии в турбину, после чего их используют в качестве топлива в комбинированной циклической системе ко торая производит электрическую энергию которая сос тавляет более 50% тепловой энергии поступающего твердота топлива, при этом термоэлектрическая уста новка работает без загрязнений, без образования га зов, содержащих серу или зольные пыли, и без окислов азота, при снижении выделения двуокиси углерода до 75% на единицу продукции с производством электри ческой энергии в три раза больше, чем существующее производство ее путем сжигания СМ О смо см sr 27502 Изобретение описывает оригинальный способ использования твердых топлив с низкой теплотворной способностью, например, лишитов (бурых углей) и торфов, при пиролизе и кислородной или паро-киолородной газификации в два этапа Кроме того, оно описывает оригинальный процесс, посредством которого полученные газы используются в усовершенствованной системе спутного движения газов для производства больших количеств электрической энергии в режиме работы, не загрязняющем окружающую среду. При существующем кризисе в обеспечении адекватных количеств энергии и в связи с тем, что нефтяные источники обычно не являются постоянными по доступности и ценности, национальные программы производства электроэнергии охотнее предпочитают разрабатывать местные источники энергии Среди таких предпочтительных разработок уголь рассматривается как главный источник, который в сущности, является первым топливом, которое использовалось для получения энергии, более дешевым и более регулярно распределенным в мире, чем нефть. Запасы угля разделяются по величине теплотворной способности, высокой или низкой. Они также разделяются по содержанию в них серы, которая при сжигании твердых топлив превращается в двуокись серы, являющуюся источником токсичного загрязнения окружающей среды. При наличии этой проблемы использование твердых топлив ограничивается использованием твердых топлив с ниэким содержанием серы с тем, чтобы обеспечить настолько слабое загрязнение окружающей среды, насколько это возможно. В отношении угля и его использования для производства электроэнергии было замечено, что при его сжигании производится небольшое количество электроэнергии, высвобождается большое количество двуокиси серы, зольной пыли, копоти и окислов азота, что является причиной сильной коррозии оборудования. Кроме того, при сжигании твердых топлив образуется большое количество двуокиси углерода, которая сегодня считается главным фактором загрязнения и является основным источником опасности создания условий потепления на нашей планете. Все эти проблемы становятся еще более критическими при использовании твердых топлив с низкой теплотворной способностью, как например, лигнитов и торфов С учетом этих проблем сегодня существуют решения, ведущие к снижению содержания серы в этих низкокалорийных топливах и нейтрализации сгорания газов Эти решения, однако, являются дорогостоящими и предлагаемые поправки, вследствие их дороговизны, не могут сделать эти решения привлекательными Наиболее близким является способ использования твердых топлив с низкой теплотворной способностью путем газификации этих топлив после предварительного их пиролиза Однако такой способ ведет к большим потерям энергии При полной газификации газы могут бьггъ промыты для отделения их от токсичных газов, зольной пыли, но при полной газификации значение теплотворной способности дополнительно снижается до 65-70%, при этом становятся необходимыми более дорогостоящие промышленные установки Между тем, однако, с усовершенствованием газовых турбин для производства энергии становятся доступными более экономичные решения для использования газов. В основу изобретения поставлена задача создания способа ислопьзования твердых топлив с низкой теплотворной способностью, в котором путем изменения режимов пиролиза и газификации топлива достигалась бы возможность сжигания топлива с высоким суммарным тепловым балансом и получением топливных газов высокого качества, пригодных для использования в системе производства электроэнергии. Поставленная задача решается в способе, включающем пиролиз твердого топлива и последующую газификацию твердого остатка пиролиза, в котором, согласно изобретению, на стадии пиролиза пиропизуют до 30-80% углерода твердого топлива при температуре 450-600 *С, при этом пиролиз проводят с выделением тепла до 200-600 ккал/кг, а оставшуюся часть углерода твердого топлива газифицируют кислородом или кислородом и паром или сжигают. В данном изобретении исследовались технологические характеристики лигнитов и торфов с низкой теплотворной способностью, при этом было установлено, что эти твердые топлива, либо когда их получают, либо после обеззоливания, проявляют высокую эффективность при производстве электроэнергии, поскольку эти топлива пиролизуют в высокой степени (40-85%), высокоэкзотермично (с большим выделением тепла) без образования дегтя и смол и жидких побочных продуктов. Пиролиз этих низкокалорийных топлиа оптимизируют при температурах 400-600°С. Остатком пиролиза является углерод высокой чистоты со значением теплотворной способности порядка 4.000-6.000 Ккал/кг без золы или порядка 2 200-4000 КкалЖг с золой. В настоящем изобретении изучена газификация этого углеродного остатка кислородом и, предпочтительнее, кислород-паром, и установлено, что полученные горючие или топливные газы имеют максимально высокую теплотворную способность и получены при температурах порядка 900-1000вС, и такая газификация обеспечивает полное использование углерода. В соответствии с этой методикой для настоящего изобретения установлено, что двухстадийная газификация лигнитов и торфов обеспечивает очень высокую теплоотдачу, при этом окислительная газификация не дзет дегтя, смол и побочных продуктов. В настоящем изобретении установлено, что пиролитическая обработка является экзотермическим процессом, производящим 350-600 Ккап/Кг при 600°С и при этом мерой пиролиза является выделенная экзотермическая энергия. К этому количеству энергии добавляется теплосодержание горючих или топливных газов и теплообмен между золой и горючими газами, осуществляющийся при окислительной газификации. Как показано на диаграмме , поступа ющие 27502 на вход твердые топлива могут быть подогре ты. Поэтому также исследовались усло вия, при которых тепловой баланс пиролитической обработки перекрывался без использования тепловой энергии углерода. Это при водит к большой экономии энергии и высокой утилизации энергии низкокалорийных твердых топлив. В настоящем изобретении установлено, что две стадии газификации, пиролитическая обработка и собственно газификация (кислородом или кислород-паром) выгодно приводят к получению продуктов с различной химической природой, поскольку пиролиз является восстановительной обработкой, при которой серу газифицир уют как сероводород, а окислительная обработка является окислительной по химической природе, и серу газифицируют как двуокись серы. Затем исследовалось и вырабатывалось решение для нейтрализации эти х газов серы путем создания условий для пропускания топливных газов в реактор Кла уса. При смешивании этих топливны х потоков после первого использования их термомеханической энергии в системе турбины при температуре порядка 600°С и давлении порядка 30 атм и подаче их в каталитический реактор Клауса из серных газов высвобождается сера 2H2S+SO2 -> 3S+2CH2 Эта возможность нейтрализации серных газов с выго дным производством ценной серы является в настоящем изобретении ключевой по новизне и важности, поскольку это удовлетворяет первой цели этого R&D затруднительного положения и дает возможность разработать способ производства электроэнергии из низкокалорийных тверды х топлив (топлив с низкой теплотворной способностью), который не создает проблем токсичного загрязнения двуокисью серы и зольной пылью и копотью Извлеченная сера имеет высокую степень чистоты и может в небольших количества х захватываться газовым потоком, из которого она вымывается водой и собирается. Еще одним новым оригинальным признаком настоящего изобретения является то , что топливные газы получают при давлении 30 атм., развиваемом во время пиролитической обработки, и создают рабочее давление при обеих газифицирующи х обработках и в реакторе Клауса. Горючие топливные газы получают при температурах от 600 до 900"С и давлении 30 атм., при этом они не содержат коррозионных веществ и серных, газов. Еще одним основным новым результатом, подтвержденным в настоящем изобретении экспериментально, является то, что низкокалорийные твердые топлива (с низкой теплотворной способностью) лигниты и торфы пиролизуют экзотермически вследствие наличия кислорода, содержащегося в органических ве щества х, которые имеют сходство с древесиной. Древесину и древесную биомассу, как известно, пиролизуют экзотермически при температурах вы ше 400°С, и это выгодно использовали в прошлом при обработке древесины перегонкой, а в последнее время при пиролитической обработке биомасс животных отходов. Низкокалорийные (с низкой теплотворной способностью)твердые топли ва) (ли гни ты и тор фы) имеют подобную древесине плотность, и консистенцию. Таблица Торфы Составляющие Лигниты РН 5,8-6,9 4.6-5.4 Зола 15-35 6-20,5 Воскообразные вещества Гуминовая кислота 5,2-6,8 8,1-8,3 20-33,8 18-34.1 Гуминовые вещества 30-40 37-42,1 Голоцеллюлоза 31-35 26,1-32,9 d-целлюлоза 8-15 10.5-12,0 При выше указанных параметрах, определяющих природу пиролитической тенденции и результат газификации с кислородом или с кислород-паром, в системе создают положительный тепловой баланс в теплообмене и конечных результатах . Термические рабочие параметры определяют. а. Нагрев твердьк топлив до пиролитической обработки обеспечивают за счет выбрасываемой теп ловой энергии, например, тепловой энергии отхо дящих газов, зольного осадка и т п. б. Пиролитическая газификация является экзотермическим процессом, производящим 250-600 Ккал/Кг тепловой энергии с созданием рабочего дав ления до 30 атм, и что она проходит независимо от присутствия влаги и золы, и что эта реакция имеет восстановительную химическую природу. в. Реакция Клауса нейтрализации серных газов является самопроизвольно начинающейся реакцией при температуре и давлении топливных газов равных 600°С и 30 атм., и при молярном отношении H2S/SO2, составляющем 2.1. реакция является количественной реакцией. г. Установка для использования данной ме тодики должна работать под давлением 30 атм и при температуре топливных газов до 900°С. При сушке твердых топлив, например лигнитов или торфов во время или после обеззоливающей обработки, последние измельчают в порошок, сначала путем механического обезвоживания, а затем нагреванием до 180-ЗО0°С за счет теплообмена тепловой энергией с золой, поступающей с температурой 1000°С, и тепловой энергией отходящих газов для того, чтобы быть в состоянии готовности при температуре отходящих газов 180-300°С. Пиролитическую обработку начинают, когда твердое топливо, например, лигнит, имеет температуру 180-300вС, тогда как для его пиролиза необходимы температуры от 450 до 600°С. Для обеспечения такой температуры используют следующие источники тепла: а) обмен с газами окислительной газификации, которые поступают с температурой 1000°С и могут отдать пиролизуемой массе 200°С (охлаждаясь до 600°С и б) тепловая энергия, получаемая от экзотермической пиролитической реакции, которая увеличит температуру от 200вС до 300°С. При получении тепла от этих источников температуры пиролитической обработки достигают 600°С и выше. Обеспечение энергией пиролитической обработки регулируют с помощью нагре 27502 в агтелей, обеспечив ающих подогрев поступающих лигнитов , если это необходимо, тем, не менее, это в огромной степени зав исит от относительной длительности пиролиза и окислительной газификации. Газифик ация углеродных остатков пиролиза с кислородом или, предпочтительнее, кислород-паром, в озможно пополняемая при 600°С углеродом в ысокой чистоты и в пористом состоянии, проходит очень энергично с количеств енным прев ращением содержащегося углерода и бьк лрым ув еличением температ уры до 900-10О0°С. Потери тепловой энергии при окислительной обработке срав нитель но низк ие, м енее 12%, при этом они относят ся к 50% от общих пот ерь. Реальные потери тепловой энергии ниже 6%, т.е. они нев елики для полной газифицирующей обработки и очень в ыгодны энергетически. Дв а пот ока газов , один из пиролиза, другой из газификации с кислородом или кислород-паром, либо когда их получают, либо после использов ания в энергообм ене в турбине. Затем из направ ляют в реактор Клауса, который работает под дав лением. В реакторе Клауса серные газы нейтрализуют с получением топлив ного пот ока, не содержащего коррозионных газов . Анализ газов , полученных в дв ух реакторах, пиролиза и газификации к ислородом, из боль шого чис ла греческих лигнитов и торфов , прив еден в таблице 2 для максимальных и минимальных состав ов . Таблица 2 * Состав топлив ных газов от пиролиза и от кислородной газификации От пиролиза,% От кислородной газификации Метан 20-35% Моноокись углерода 35-40% Двуокись углерода Водород 30-50% Моноокись углерода 2-6% Двуокись углерода 16-22% Водород Сероводород 1-3% 1-2% Двуокись серы 16-22% 40-60% Результаты пиропитической реакции множества твердых топлив с низкой теплотворной способностью приведены в табпице 3, Табпица 3 Пиролитическая реакция низкокалорийных (с низкой теплотворной способностью) лигнитов и торфов в % (обеззоленных и в сухом виде) Температура Торф ПтоМегаполемейс лис (Пв(Сев. Гре- попонесция) сеция) Аливери {о-в Эвбея, Греция) 400° 450° 500° 550° 600° 650° Содержание золы К кап/к г твердого топлива К к ал/кг угольного остатка 15,2% 22,4% 34.24% 34,48% 44,00% 44,63% 11,55% 17,3% 23,6% 35,28% 39,43% 44,24% 46.3% 10,8% 35,4% 44,3% 52,4% 67,42% 75,42% 79,38% 20,6% 16,8% 23,4% 37,2% 44,64% 51,00% 56,00% 11,5% 4.400 5,100 4,400 5,400 4,465 5.200 4.020 5.730 По технологической карте, показывающей направление движения газов, производимых для получения электроэнергии, легко определить новизну и энерге тическую выгоду, получаемые за счет описанного изобретения. Производство включает два реактора, работающих под давлением, расположенных после-' довательно друг на другом, один для пиролиза, другой для газификации кислородом. Пиролитический реактор сконструирован таким образом, что он работает при температуре 700°С и давлении 50 атм, и является реактором псевдоожиженного типа с автоматизированными системами по-дачи углерода и выведения полученных продуктов: углеродных остатков и топливных газов. Газифицирующий реактор работает при температура х до 1200°С и давлении до 50 атм и является реактором с неподвижным слоем и также имеет автоматизированные системы подачи и введения кислорода и раздепения полученных газов и золы. Другой возможностью использования настоящего изобретения является комбинация пиролитической обработки с сжиганием углеродсо'держащих остатков в существующих котла х, производящих пар под давлением. Согласно этому решению, твердые топлива, например, лигниты или торфы, вводят в пиролитический реактор с влажностью до 60% или в сухом или полусухом виде, и полученные топливные газы подают в турбину для использования их термомеханической энергии, а затем их промывают, при этом присутствующий сероводород нейтрализуют посредством известной технологии, например, в комбинации с процессом Стретфорда. После этого топливные газы сжигают для получения большого количества электроэнергии в усовершенствованной комбинированно-круговой системе. Углеродсодержащие остатки в этом случае сжигают в существующем котле для получения пара под давлением и приведения в действие существующей паровой турбины или вновь установленной. Для данного-решения выработка электроэнергии примерно в три раза выше, чем сегодня получают, при этом десульфурация (обессеривание) достигает 70% всей присутствующей в твердом топливе серы. В рамках настоящего изобретения установлено и проверено на практике, что на пиролитическую обработку не влияет присутствие влаги в золе, и что эта обработка обеспечивает быстрое превращение образцов вследствие использования энергии, отбираемой получаемыми продуктами, газами и углеродным остатком, а образующийся пар реально увеличивает объем газа и его энергетическое содержание. Не говоря уже об использовании твердого топлива, оптимизированного путем биоочистки, выделяемая при экзотермической реакции энергия является значительным вкладом в количестве энергии и значительным источником энергии. Топливные газы из реакторов смешивают и направляют в турбину для выделения части термомеханической энергии в виде электроэнергии и затем вводят в блок реакции Клауса. В установке Клауса газы для оптимизации должны иметь рабочую температур у 400-450 и рабочее давление. 27502 Термомехани ческ ую энер гию также можно использовать для генерирования пара путем теплообмена В конце топливные газы содержат тепловую энергию, составляющую до 95% тепловой энергии исходного твердого топлива , используемого в биоочистке, и дополнительной энергии экзотермической реакции Топливные газы подают в усовершенствованную комбинированную круговую схему для выработки электроэнергии Согласно настоящему изобретению выходная мощность может превышать 65% в комбинации с турбиной, использующей термомеханическую энергию Выход электроэнергии сегодня составляет 1 1 Кг на кватг/час для лигнитов с теплосодержанием 3000 Ккал/Кг, а для лигнитов и торфов с теплосодержанием 800-1200 Ккал/кг выход электроэнергии составляет 1,8-4.1 Кг/Кватт Для настоящего изобретения выход электроэнергии намного выше, 0,410,62 Кг лигнита или торфа КваттАіас, так как лигниты и торфы с низким теплосодержанием используют в соответствии с их содержанием энергии в сухом виде и дополнительно за счет вклада энергии экзотермической реакции, который вносит 20-30% в увеличение энергии После вышеупомянутого вывода показано, что описанное изобретение при использовании низкокалорийных твердых топлив с пиролитическои тенденцией порядка 30-80% обеспечивает высокую производительность при производстве электроэнергии, который сравним с выходом для твердых толлив с высокой теплотворной способностью и нефтью, и эксплуатацию установки, совершенно не загрязняющую окружающую среду Следовательно, настоящее изобретение дает ^лешевый способ производства электроэнергии из низкокалорийных твердых топлив, которые широко распространены в мире, который хотя и производит большое количество электроэнергии, при эксплуатации не дает загрязнений зольной пылью и SO2, а также не загрязняет окислами азота, и следовательно, совершенно не дает никаких загрязнений Он также обеспечивает снижение выделений СОг на 75% на единицу продукции генератор пара лигнит паров ая ту рбина Диаграмма пиролитическои газификации лигнитов (торфов) в сочетании с усовершенствованной системой для производства электрической энергии на сопутствующих газах Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03 12 2) 3- 72 -8 9 ( 03 12 2) 2- 57 -0 3