Спосіб плазмотермічної переробки вугілля та установка для його здійснення

1. Спосіб плазмотермічної переробки вугілля, що включає його газифікацію в газифікаторі одночасно з процесом високотемпературного піролізу в присутності реагенту, який уприскують у реакційну зону за допомогою плазмових джерел, одержання синтез-газу, охолодження й очищення від домішок одержаного синтезу-газу, який відрізняється тим, що газифікацію вугілля у двох газифікаторах, один з яких додатковий, проводять по черзі в потоці плазми таким чином, що після закінчення окислювального режиму в першому газифікаторі, відключають у ньому плазмовий струмінь і режим окислювання продовжують у другому газифікаторі, при цьому циклічність проведення режимів в газифікаторах повторюють до досягнення висоти одержаного рідкого шлаку в одному з газифікаторів, що визначають по залежності: 2 (19) 1 3 Взаємозв'язана група винаходів належить до технології комплексної переробки твердого палива і до конструкції пристрою, який використовується при цьому, зокрема до технології газифікації низькоякісного вугілля низькотемпературною плазмою та одержання пального синтез-газу для його послідуючого (подальшого) спалювання в енергетичних установках, а також для отримання металопродукції і може бути застосовано у багатьох галузях промисловості та комунальному господарстві. Відомий спосіб газифікації вугілля, який включає введення пиловидного палива шляхом дуття агента, що газифікує, в реакційну камеру, у якому перед уведенням палива в реакційну камеру, частину палива з окислювачем подають в підготовчі камери, виконані у вигляді муфеля, у яких попередньо генерують потік низькотемпературної плазми, здійснюють змішування потоку низькотемпературної плазми з пиловидним паливом, нагрів і займання палива, і підтримують процес горіння в підготовчих камерах, виготовлених у вигляді муфеля, після чого продукти згоряння направляють в реакційну камеру, в яку тангенціально вводять основний потік пиловидного палива і агент, що газифікує, для здійснення повної газифікації палива, при цьому, як окислювач, застосовують повітря, а як газифікований агент -перегріту пару [Патент Росії №2062287, заявл. 14.04.94. Опубл. Бюл. №17, 1996]. Приведений спосіб не забезпечує повної переробки вихідної сировини і характеризується низькою продуктивністю та складністю технологічного процесу. Найбільш близьким по технічній сутності та досягаемому результату (прототип) є плазмотермічний спосіб переробки вугілля в синтез-газ, який включає підготовку, термообробку і газифікацію вугілля за допомогою плазми, а процес газифікації здійснюють в три стадії, дві з яких проводять в трубчастих теплообмінниках газифікаційної колони, а третю, заключну стадію газифікації проводять безпосередньо в об'ємі плазмотрона одночасно з процесом високотемпературного піроліза в присутності реагенту. При цьому підготовку вугілля здійснюють шляхом диспергування в метановій воді, в яку добавляють поверхнево-активну речовину алкілоламіди, а одержану вугільну суспензію нагрівають перед першою стадією газифікації до 500-600°К в потоці відхідних із газифікаційної колони димових газів, а перед другою стадією газифікації нагрівають до 1200-1400°К в потоці синтез-газу, який відводиться з плазмотрона, при цьому, як реагент, при високотемпературному піролізі, використовують пари води, які уприскують в реакційну зону за допомогою плазмового джерела, так, що вектор швидкості руху плазмових струменів та вектор швидкості газифікованої суміші протилежні один до одного в проекції на вісь плазмотрона і збігаються при їхній проекції на площину, перпендикулярну осі плазмотрона, а отриманий у плазмотроні синтез-газ охолоджують і 81120 4 очищають від суміші в відцентрово-барабанному апараті за допомогою атмосферного повітря і води, а атмосферне повітря потім використовують з частиною синтез-газу в топочному пристрої газифікаційної колони, а воду подають в диспергований пристрій для виготовлення вугільної суспензії [Патент Росії №2047650, заявл. 28.09.93. Опубл. Бюл. №31, 1995]. Проте, відомий спосіб недостатньо економічний, через те, що попередня підготовка вихідної сировини та багатостадійність процесу газифікації негативно позначаються на енергетичному балансі процесу вцілому. Крім того, він не забезпечує повного добування із вихідної сировини цінних компонентів, тому що призначений винятково для одержання газоподібних та рідких кінцевих продуктів, в той час як виведені розплавлені шлаки вміщують достатньо високий вміст окисів заліза (до 24%) і окисів кремнію (до 40%). Відома енерготехнологічна установка, яка включає футерований газифікатор для одержання синтез-газу з установленим в його нижній частині плазмотроном, а у верхній - дозатором подачі твердого низькосортного палива і патрубками відвідного нагрітого синтез-газа і відводу шлака [А.Г.Артамонов. Переработка различных органических отходов в плазмохимическом реакторе. В кн. Аппараты высокотемпературной техники. - М: Московский институт химического машиностроения, Межвузовский сборник научных трудов. 1998, с. 63-64]. Таке використання установки призначено виключно для отримання газу, при цьому твердий метал використовується практично повністю, а відходами є зола і шлак. Конструкція зазначеної установки не забезпечує достатньої гнучкості технологічного процесу по відношенню до виробництва інших продуктів. Найбільш близькою по технічній сутності та досягаемому результату (прототип) є комбінована парогазова установка з плазмотермічною газифікацією вугілля, яка включає дві парові і одну газову турбіни з електрогенераторами, плазмотермічний газифікатор з вузлом подачі вугілля, парогенератори, котел-утилізатор, камеру згоряння, газовий акумулятор, систему очищення газу, повітряний і газовий компресори і каталітичний реактор для виробництва зріджувальних вуглеводнів, яка відрізняється тим, що один із парогенераторів розміщений усередині плазмотермічного газифікатора, який має принаймні два плазмотрони на парах води і гідравлічне зв'язаний з паровою турбіною, вузлом подачі вугілля і одним із плазмотронів, другий парогенератор встановлено усередині котлаутилізатора під газовим пальником для спалювання синтез-газу і гідравлічне зв'язаний з другою паровою турбіною, вузлом подачі вугілля і другим плазмотроном, при цьому обидва парогенератори гідравлічне зв'язані з контуром утилізації тепла, а вихід газової турбіни розміщено усередині котла-утилізатора в зоні дії полум'я його газового пальника і гідравлічно зв'язаний через 5 теплообмінник парогенератора та димосос з димовою трубою, при цьому система очищення синтез-газу розділена на два ступені, зв'язані з плазмотермічним газифікатором за допомогою пароежектора і між собою - за допомогою газодувки, з яких одна ступінь - мокра і включає відцентровобарботажний апарат з рециркуляційним контуром рідкого абсорбенту і пристроєм для виведення шлаку, а друга ступінь суха і включає змінний блок каталізаторів з електрофільтрами та пристроєм для виведення сірки і її сполук, а газовий пальник котлаутилізатора, камера згоряння газової турбіни та газовий акумулятор гідравлічне зв'язані з газовим компресором низького тиску, розміщеним після другого ступеню очищення синтез-газу, а в мережі живлення каталітичного реактора синтез-газом, розміщено газовий процесор високого тиску і передбачено пристрій для забіру газоподібного та зріджувального продуктів газифікації , наприклад синтез-газу; бензину [Патент Росії №2105040, заявл. 29.03.95., опубл. Бюл. №5, 98]. Недоліком відомої установки є неповне використання її внутрішнього об'єму, обмежена область застосування неможливість її використання в металургії. Утворений в процесі газифікації шлак знаходиться при температурі газифікації у рідкому стані, а при надходженні шлаку в нижню частину газифікатора, де температура значно нижча від температури газифікації, рідкий шлак твердіє і утворює відкладення на дні газифікатора, що скорочує термін його роботи. Крім того, розміщення парогенераторів усередині плазмотермічного газифікатора і котла-утилізатора в разі потреби проведення на них ремонтних робіт приводить до зупинки установки в цілому. В установці передбачена обов'язкова попередня підготовка вихідного палива, що також знижує її ефективність. В основу першого з групи винаходів поставлено завдання удосконалення способу плазмотермічної переробки вугілля, шляхом створення циклу безупинної переробки вуглецевовмісної сировини будь-якого фракційного складу, без його попередньої підготовки і максимально повного використання реакційного простору газифікаторів, що забезпечує одержання синтез - газу, використання його для одержання електроенергії, феросіліція і наповнювачів при збереженні чистоти навколишнього середовища і зниження енерговитрат. В основу другого з групи винаходів поставлено завдання удосконалення установки для плазмотермічної переробки вугілля шляхом створення циклу безперебійної і безвідхідної переробки вихідної сировини за рахунок послідовного розміщення по ходу технологічного процесу відповідних апаратів і повну переробку вихідної сировини в єдиному технологічному агрегаті при збереженні чистоти навколишнього середовища. Перше поставлене завдання вирішується тим, що в способі плазмотермічної переробки вугілля, 81120 6 що включає його газифікацію одночасно з процесом високотемпературного піролізу в присутності реагенту, який уприскують у реакційну зону за допомогою плазмових джерел, одержання синтез-газу, охолодження й очищення від домішок отриманого синтез - газу, відповідно до винаходу, газифікацію вугілля у двох газифікаторах проводять по черзі в потоці плазми таким чином, що після закінчення окислювального режиму в першому газифікаторі, відключають у ньому плазмовий струмінь і режим окислювання продовжують у другому газифікаторі, при цьому циклічність проведення режимів повторюють до досягнення висоти рідкого шлаку в одному з газифікаторів, що визначається по залежності: 2 8 GП D= 4 rП rРОЗП p2 dС g де Δ - висота рідкого шлаку; GП - витрата плазмоутворюючого газу, кг/с; rП - щільність плазми, кг/м3; rрозп - щільність розплаву, кг/м ; dС - діаметр вихідного сопла плазмотрона, м; g - прискорення вільного падіння, м/с 2; p =3,14, а одержаний рідкий шлак оброблюють відновлювальним плазмовим струменем і, після зливу металу і шлаку з газифікатора, повторно завантажують його вугіллям і цикл повторюють, при цьому одним з плазмоутворюючих компонентів використовують воду. Заявлений спосіб переробки твердого палива забезпечує в одному технологічному агрегаті здійснення в циклічно - послідовних режимах процеси окислювання шляхом обробки сировини, наприклад вугілля, окислювальним плазмовим струменем для одержання синтез - газу для наступного вироблення електроенергії і процеси відновлення металів з непрореагувавшого твердого залишку (шлаку) шляхом періодичної продувки шлаку відновлювальним плазмовим струменем з метою одержання цінних компонентів, при цьому одним з плазмоутворюючих компонентів використовується вода. Приведена аналітична залежність взаємозв'язує режим роботи плазмотрона в розплаві шлаку з газодинамічними параметрами рідкої ванни розплаву. Якщо це співвідношення не виконується, то відбувається газодинамічне запирання плазмотрона, або розплав вихлюпується зі шлакоуловлювача і накопичується на стінах окислювальної зони газифікатора, утворюючи при цьому зводи, мости і охолоді, у результаті чого процес припиняється. Заміщення частини реагенту, що включає газоподібний окислювач, наприклад, повітря або пара на воду, дозволяє підвищити ефективність процесу і знизити кількість шкідливих викидів NO2. Оскільки при плазмовій конверсії води утворюються кисень і водень, то вільний кисень витрачається на окислювання палива, а водень використовується як додатковий паливний елемент, який підвищує знерговміст синтез - газу і зберігає чистоту навколишнього середовища. 7 Друге поставлене завдання вирішується тим, що в установці для плазмотермічної переробки вугілля, що містить футерований газифікатор, зв'язаний у верхній частині з вузлами подачі палива, плазмотрони, камеру згоряння, шлакоуловлювач, розміщений у нижній частині газифікатора, систему очищення синтез-газу, зв'язану з газифікатором, теплообмінник, газову і парову турбіни з електрогенераторами, котелутилізатор, відповідно до винаходу, установка обладнана додатковим газифікатором, що також зв'язаний з системою очищення синтез-газу, і ресивером - циклоном, зв'язаними між собою у верхній частині трубопроводом для транспортування синтез - газу, ресивер - циклон у нижній частині з'єднаний похилими пилепроводами з газифікаторами, а плазмотрони встановлені по обидві сторони від площини роз'єднувальної перегородки газифікатора і шлакоуловлювача, відповідно в стінці кожного газифікатора і шлакоуловлювача опозитно один одному, причому в шлакоуловлювачах виконані льотки для зливу металу в виливниці і збідненого шлакового розплаву в гранулятор, а ресивер циклон трубопроводом подачі синтез - газу, з'єднаний з газоохолоджувальним теплообмінником, один трубопровід якого з'єднаний з паровою турбіною, а другий - через систему гарячого очищення і керамічний фільтр, зв'язаний з камерою згоряння газової турбіни, з'єднаної з котлом - утилізатором, при цьому додатковий вихід керамічного фільтра зв'язаний через блок автоматичної подачі синтез - газу, блок додаткового очищення і блок компримирування синтезу-газу з плазмотронами. Компоновочне рішення агрегатів і вузлів і їхнього розміщення по ходу технологічного процесу, забезпечило створення беззалишкової комплексної переробки вихідної сировини в єдиному технологічному агрегаті при збереженні чистоти навколишнього середовища. Установка конструктивно являє собою два блоки - блок газифікації і блок перетворення енергії. Блок газифікації складається зі спарених футерованих вогнетривкою цеглою газифікаторів і ресивера-циклона, розташованих у герметичному металевому корпусі. Ресивер-циклон забезпечує вирівнювання тиску синтезу-газу в системі й одночасно служить першим ступенем очищення синтезу-газу від пилу. Розміщення окислювальних плазмотронів у нижній частині газифікаторів дозволяє ефективно обробляти паливо в режимі противотечії. Плазмотрони, встановлені в шлакоуловлювачах, забезпечують роботу як в окислювальному, так і у відновлювальному режимах, що дає можливість використовувати їх додатково для газифікації палива, при включеному газифікаторі у режимі окислювання з гнучкою і мобільною системою керування, здатної забезпечити швидкий перехід з одного режиму роботи на інший. Блок перетворення енергії включає систему охолодження й очищення синтез-газу, газотурбінну і паротурбінну установки з електричними генераторами і системою 81120 8 регенерації пари, системи очищення і видалення димових газів. Схема одержання електроенергії і синтез-газу досить гнучка і проста. Сутність винаходу пояснюється кресленням, на якому представлена схема установки для плазмотермічної переробки вугілля. Заявлений спосіб здійснюється таким чином. Продувають плазмовими окислювальними струменями вугілля в об'ємі першого газифікатора. У результаті газифікації одержують синтез-газ, який направляють для наступного використання у виробництві електроенергії, а рідкий шлак, що утворюється, накопичують у шлакоуловлювачі до досягнення їм висоти, яка визначається по залежності: 2 8 GП D= 4 rП rРОЗП p2 dС g де Δ - висота рідкого шлаку; GП - витрата плазмоутворюючого газу, кг/с; rП - щільність плазми, кг/м3; rрозп - щільність розплаву, кг/м ; dС - діаметр вихідного сопла плазмотрона, м; g - прискорення вільного падіння, м/с 2; p =3,14, після чого роблять продувку одержаного рідкого шлаку відновлюваною плазмою й одночасно здійснюють цикл окислювання вуглецевовмісної сировини в другому газифікаторі і, після зливу металу і шлаку з першого газифікатора, завантажують його вихідною сировиною і цикл повторюється. У залежності від марки вугілля, його зольності, цикли роботи газифікаторів в окислювальному режимі одержання синтезу-газу, можуть повторюватися два-чотири рази до досягнення рідким шлаком розрахункової висоти в одному з газифікаторів. Такий циклічно-послідовний режим дозволяє з однієї сторони безперервно подавати синтез-газ споживачу, а з іншого боку — обробляти рідкий шлак у міру його накопичування. Установка для переробки вугілля містить газифікатори 1 і 2, об'єднані високотемпературним ресивером-циклоном 3, і постачені у верхній частині завантажувальними пристроями 4, а в нижній бічній частині - розташованими опозитно один одному плазмотронами 5. Нижня частина газифікаторів 1, 2 сполучена зі шлакоуловлювачами 6 рідкого шлаку, у бічній стінці яких установлені плазмотрони 7. У шлакоуловлювачах 6 виконані льотки 8 для зливу металевої лігатури в виливниці 9, а збідненого шлакового розплаву - у гранулятор 10. Плазмотрони 5 і 7 підключені до джерел живлення 11, які забезпечують необхідні енергофізичні характеристики дугового розряду, до компресора 12 подачі плазмоутворюючого повітря і до відцентрового насоса 13 подачі охолоджувальної і плазмоутворюючої води. Блок перетворення енергії включає у собі систему охолодження і тонкого очищення отриманого синтезу-газу, що містить підключений на виході з ресивера-циклона 3 теплообмінник 14, приєднаний до парової турбіни 15, і далі 9 послідовно - до системи гарячого очищення 16, керамічного фільтра 17, камери згоряння 18 газової турбіни 19. На осі газової турбіни 19 розташований електричний генератор 20 і компресор 21 подачі газу в камеру згоряння 18. Газова турбіна 19 з'єднана з котлом-утилізатором 22. Для роботи плазмотронів у відновлювальному режимі використовується блок, що складається з послідовно з'єднаних між собою вузла 23 автоматичної подачі синтезу-газу, вузла інтенсивного охолодження 24, вузла додаткового очищення 25 і вузла компримирування синтез-газу 26, приєднаного до плазмотронів 7. Установка працює таким чином. Вугілля пристроєм 4 завантажується зверху в газифікатор 1. На плазмотрони 5 і 7 компресором 12 подають плазмооутворююче повітря, а відцентровим насосом 13 -плазмоутворюючу і охолоджувальну воду. За допомогою джерела електроживлення 11 збуджують дугові розряди і запускають плазмотрони 5 і 7. Плазмовими окислювальними струменями продувають шар вихідної сировини, а утворений в процесі газифікації синтез-газ по магістралі, обладнаній зворотними клапанами, надходить у високотемпературний ресивер-циклон 3, у нижній частині якого виконана система видалення пилу в газифікатори 1,2. Ресивер-циклон 3 призначений для вирівнювання тиску синтезу-газу в системі й одночасно служить першим ступенем очищення синтезу-газу від пилу. У цей час завантажувальним пристроєм 4 вихідна сировина завантажується в газифікатор 2. Після закінчення процесу газифікації в першому газифікаторі виключаються плазмотрони 5 і 7 і включаються в газифікаторі 2. Далі процес повторюється. Нагрітий до температури 1100-1300°С синтезгаз з високотемпературного ресивера-циклона 3 при надлишковому тиску 1-5 атм надходить у газоохолоджувальний теплообмінник 14, де він охолоджується до температури ~540°С. З теплообмінника 14 пар надходить на парову турбіну 15 для вироблення електроенергії. Охолоджений у теплообміннику 14 до температури ~540°С синтез-газ надходить у систему гарячого очищення 16, де сірка в киплячому шарі адсорбується титанатом цинку, що частково виводиться на регенерацію. Після гарячої сіроочистки у свічках керамічного фільтра 17 із синтезу-газу виводиться летучий пил і далі газ надходить у камеру згоряння 18 газової турбіни 19. На осі газової турбіни 19 розміщено електричний генератор 20 і компресор 21, що подає повітря в камеру згоряння 18. Після газової турбіни 19 продукти згоряння направляються в котел-утилізатор 22 і далі виводиться в димову трубу. Отримана у котлі-утилізаторі 22 пара подається на парову турбіну 15 для вироблення електроенергії. Вироблена в газовій і паровій турбінах електроенергія частково використовується для власних потреб (робота плазмотронів, насосів, компресора і т.д.) і видається в мережу споживачу. У залежності від марки вугілля, його зольності, цикли роботи газифікаторів 1 і 2 в 81120 10 окислювальному режимі одержання синтезу-газу можуть повторюватися 2-4 рази до досягнення рідким шлаком товщини Δ в одному з газифікаторів. При досягненні рівня шлаку заданої товщини плазмотрони 7, які розміщені в шлакоуловлювачі газифікатора переводяться у відновлювальний режим роботи. Для роботи плазмотронів 7 у режимі відновлення шлаку очищений у свічках керамічного фільтра 17 синтез-газ через вузол автоматичної подачі 23 надходить на вузол інтенсивного охолодження 24, далі на вузол додаткового очищення 25 і вузол компримирування 26, з якого очищений, охолоджений до температури ~ 30°С і стиснутий до 3-6 атм синтез-газ подається на плазмотрони 7. Під дією відновлювальних плазмових струменів зі шлаку відновлюється залізо і кремній. Отримана металева лігатура -феросиліцій через льотку 8 зливається в виливницю 9, а збіднений рідкий шлак у гранулятор 10. Термін процесу відновлення металів не перевищує 20-40 хвилин і тому вписується в технологічний цикл газифікації. Після зливу металу і шлаку зі шлакоуловлювача в газифікатор завантажується свіжа порція вугілля і плазмотрони 5 газифікатора і плазмотрони 7 шлакоуловлювача починають працювати в окислювальному режимі. Після закінчення процесу газифікації в даному газифікаторі, включаються плазмотрони в другому газифікаторі, і далі процес повторюється. Виконані розрахунки й експериментальні результати показують, що при плазмотермічній газифікації вугілля викиди в атмосферу в десятки разів менше, ніж при будь-яких інших процесах, заснованих на спалюванні вугілля. Це обумовлено тим, що при плазмовій газифікації, на відміну від відомих процесів горіння, що йдуть при 5-6 кратному співвідношенні повітря до вугілля, кількість окислювача встановлюється чітко дозоване і тільки для підтримки реакції неповного окислювання вуглецю. Так при ваговому співвідношенні повітря/вода не перевищуючому 0,3, концентрація азоту в окисній плазмі не перевищує 20% і тому вихід азоту й азотних сполучень у кінцевому продукті не перевищує 10%, практично при повній відсутності СО2 і Н2О. Експериментально встановлено, що при потужності установки, що заявляється, до 0,7Мвт і потужності трьох одночасно працюючих плазмотронів до 0,6Мвт при переробці 1000 кг/год. вугілля марки Г забезпечується вихід 1000кг/год. нагрітого до 1000°С синтезу-газу, видача в мережу 1500кВт-год. електроенергії, випуск до 40кг/год. феросіліція і до 150кг/год. легковагового наповнювача для залізобетонних і інших конструкцій. Заявлений спосіб термічної переробки вугілля і парогазова установка для його здійснення дозволяють ефективно переробляти вихідну вуглецевовмісну сировину будь-якого фракційного складу з максимальним витягом якісних готових продуктів при мінімальному впливі на навколишнє середовище. 11 81120 12