Реактор газифікації

Реферат: Спосіб і реактор газифікації вуглецевмісної сировини. Реактор містить: камеру реактора (2); теплообмінні блоки, що утворюють пару (3, 15, 16); принаймні один паровий сепаратор (20); і трубопроводи рециркуляції для циркуляції води і пари між одним або більше теплообмінними блоками (3, 15, 16) і паровим сепаратором (20). Паровий сепаратор додатково містить трубопровід (28) постачання пари для транспортування пари через теплообмінний блок (15) і трубопровід постачання перегрітої пари (30) в колектор (32) перегрітої пари. Трубопровід постачання перегрітої пари розділяється на зворотний трубопровід (33), що веде в теплообмінний трубопровід (35) через паровий сепаратор, і трубопровід (34) постачання пари в колектор. UA 114799 C2 (12) UA 114799 C2 UA 114799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Даний винахід стосується реактора газифікації, який містить теплообмінні елементи, що утворюють пару. Винахід стосується також способу регулювання потоку пари в такому реакторі газифікації. Реактори газифікації можуть використовуватися, наприклад, у виробництві синтез-газу шляхом часткового спалювання вуглецевмісної сировини, якою може бути, наприклад, пилоподібне вугілля, нафта, біомаса, метан або будь-який інший вид вуглецевмісної сировини. Синтез-газ на виході із реактора газифікації зазвичай має високу температуру – порядку 1300 °C і вище. Для охолодження синтез-газу його перепускають по теплообмінних елементах. Якщо холодоагентом є вода, то теплообмінники можуть застосовуватися для утворення пари. Це дозволяє економічно використовувати відкидне тепло, створене у процесі газифікації, і суттєво збільшити загальну ефективність даного процесу. Пара, утворена в утилізаційних теплообмінних блоках, зазвичай збирається у формі пароводяної суміші в паровому сепараторі. Вода із парового сепаратора повертається у теплообмінники, а пара може виводитись у паровий колектор. Якщо пара є насиченою, то вона може транспортуватися у паровий колектор через пароперегрівач, де утворюється перегріта пара. Для зменшення або запобігання корозії та ушкодження решти обладнання внаслідок теплових навантажень, температура зібраної перегрітої пари не повинна бути надто високою. Завданням даного винаходу є поліпшення економічної ефективності даного способу в цілому і зменшення ушкодження, що зумовлене тепловими навантаженнями. Поставлене завдання вирішується за допомогою реактора газифікації, який містить камеру реактора, принаймні один теплообмінний блок, що утворює пару, принаймні один паровий сепаратор для збору утвореної пари і трубопроводи рециркуляції для здійснення циркуляції води і пари між принаймні одним теплообмінним блоком і паровим сепаратором. Паровий сепаратор додатково містить трубопровід постачання пари для транспортування насиченої пари через пароперегрівач і трубопровід постачання перегрітої пари в колектор перегрітої пари, де трубопровід постачання перегрітої пари розділяється на зворотний трубопровід, що веде в теплообмінну лінію через паровий сепаратор, і трубопровід постачання пари в колектор. Для відкривання і закривання зворотного трубопроводу та трубопроводу постачання пари в колектор застосовують один або більше клапанів. Це дозволяє спрямовувати занадто гарячу пару на рециркуляцію, наприклад, у теплообмінний трубопровід через паровий сепаратор, у якому тепло пари може передаватися воді. У результаті може утворюватись додаткова пара і суттєво зменшуватися ризик перегріву обладнання нижче за потоком від пароперегрівача. Теплообмінний трубопровід через паровий сепаратор може сполучатися, наприклад, з вторинним трубопроводом постачання перегрітої пари, що веде в колектор перегрітої пари. Вторинний трубопровід постачання перегрітої пари може з'єднуватися, наприклад, з трубопроводом постачання пари в колектор перед відкриванням входу в колектор перегрітої пари, завдяки чому перегріта пара охолоджувача із вторинного трубопроводу може піддаватися попередньому змішуванню з перегрітою парою із трубопроводу постачання пари в колектор перед її надходженням в колектор. Вище за потоком зворотного трубопроводу, трубопровід постачання перегрітої пари може бути оснащений одним або більше датчиками температури та одним або більше клапанними блоками регулювання для регулювання потоку у зворотному трубопроводі та трубопроводі постачання пари в колектор в залежності від виміряної температури. Необов'язково, теплообмінний трубопровід через паровий сепаратор може бути з'єднаний з певним трубопроводом сполучення з теплообмінником поперечного потоку для попереднього нагріву кисню під час конденсації пари. Теплообмінник поперечного потоку може бути з'єднаний з трубопроводом постачання кисню, по якому попередньо нагрітий кисень подається в камеру реактора. Застосування попередньо нагрітого кисню підвищує ефективність процесу спалювання в реакторі. Застосування пари з метою попереднього нагріву кисню дозволяє позбавитися необхідності застосування для цього зовнішнього джерела енергії. У подальшому процесі очистки зворотний трубопровід повертає паровий конденсат із теплообмінника поперечного потоку в паровий сепаратор через компенсатор тиску, наприклад, для повторного використання цього конденсату в утилізаційному контурі. В одному із варіантів здійснення винаходу теплообмінний блок між паровим сепаратором і колектором перегрітої пари містить утилізаційний теплообмінний блок нижче за потоком від камери реактора. Цей утилізаційний теплообмінний блок може бути, наприклад, першим із ряду розташованих нижче за потоком утилізаційних теплообмінних блоків, що служать, зокрема, для передачі тепла від синтез-газу до пари. 1 UA 114799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Ці теплообмінні блоки можуть містити, наприклад, охолоджену водою мембранну стінку із паралельних, з'єднаних між собою охолоджувальних трубопроводів, що утворюють газонепроникну стінку. Аналогічно, камера реактора може містити мембранну стінку із паралельних, з'єднаних між собою охолоджувальних трубопроводів, що утворюють газонепроникну стінку. Як результат, мембранна стінка ефективно захищена від перегріву і також може застосовуватись для утворення пари. Даний винахід стосується також способу регулювання потоком перегрітої пари, що надходить до колектора перегрітої пари, де насичена пара із парового сепаратора подається в пароперегрівач, а потім через трубопровід – в колектор перегрітої пари, де перегріта пара з температурою вище верхньої межі окружним шляхом подається в теплообмінний трубопровід через паровий сепаратор. Далі, після проходження теплообмінного трубопроводу через паровий сепаратор, пара може подаватись у колектор перегрітої пари і/або пропускатись через нагрівач поперечних потоків, пересікаючи зустрічний потік кисню, після чого кисень далі подають у пальники в камері реактора. Після проходження через теплообмінник поперечних потоків пара може повертатися назад, у паровий сепаратор, через компенсатор тиску. Нижче описані типові варіанти здійснення даного винаходу, шляхом посилання їх на супровідні креслення, де: на Фіг. 1 показана структурна схема реактора газифікації відповідно до одного з типових варіантів здійснення винаходу; на Фіг. 2 показана структурна схема реактора газифікації відповідно до іншого типового варіанта здійснення винаходу. На Фіг. 1 показаний реактор газифікації 1 для часткового спалювання вуглецевмісної сировини з метою одержання синтез-газу. Реактор 1 містить камеру реактора 2 з мембранною стінкою 3, виконаною із паралельних, з'єднаних між собою охолоджувальних трубопроводів (не показані), що утворюють газонепроникну стінку. Охолоджувальні трубопроводи можуть бути, наприклад, вертикальними або паралельними трубопроводами гелікоїдальної форми. Для зменшення теплових навантажень на мембранну стінку 3 через ці охолоджувальні трубопроводи під час процесу спалювання тече вода. Із охолоджувальних трубопроводів вода виходить у вигляді пари або пароводяної суміші. Нижній кінець камери реактора 2 відкривається у шлаконакопичувальну ванну 4. Верхній кінець камери реактора 2 відкривається у випускний канал 5. Камера реактора 2, шлаконакопичувальна ванна 4 і випускний канал 5 замкнені в ємності високого тиску 8. Верхній кінець випускного каналу 5 відкривається у верхній кінець охолоджувального каналу 10 в циліндричній ємності високого тиску 11. Ємність високого тиску 11 містить закритий верхній кінець 12 і нижній кінець 13, з'єднаний з трубопроводом 14 випускання синтез-газу. Охолоджувальний канал 10 проходить від закритого верхнього кінця 12 ємності високого тиску до трубопроводу 14 випускання синтез-газу і містить пароперегрівач 15 і ряд нижніх теплообмінних блоків 16. Пароперегрівач 15 і теплообмінні блоки 16 виконані із з'єднаних між собою паралельних охолоджувальних трубопроводів (не показані), що утворюють газонепроникну стінку. Кожний із ряду нижніх теплообмінних блоків 16 має принаймні один вхід 17 і принаймні один вихід 18. Входи 17 з'єднані з паровим сепаратором 20 трубопроводом 21. У паровому сепараторі вода відокремлюється від пари. Паровий сепаратор 20 з'єднаний також з кожним із виходів 18 трубопроводами 19 і з бойлерним блоком 22 постачання пароводяної суміші. Паровий сепаратор 20 містить суміш води 23 і пари 24. Вода тече із парового сепаратора 20 по трубопроводах 21 на входи 17 теплообмінних блоків 16. Тепло синтез-газу, що проходить через теплообмінні блоки 16, передається воді в охолоджувальних трубопроводах і утворюється пара, що повертається в паровий сепаратор 20 по трубопроводах 19. Аналогічно вода транспортується із парового сепаратора 20 по трубопроводах 25 постачання води до охолоджувальних трубопроводів мембранної стінки 3. У даному варіанті здійснення винаходу трубопроводи 25 відгалужуються від трубопроводу 21. В альтернативному варіанті трубопроводи 25 можуть бути відокремленими і напряму зв'язувати паровий сепаратор 20 з охолоджувальними трубопроводами мембранної стінки 3. Вода охолоджує мембранну стінку 3, а пара утворюється і повертається в паровий сепаратор 20 по зворотних трубопроводах 26. Трубопровід постачання пари 28 проходить від парового сепаратора 20 до входу 29 пароперегрівача 15. Трубопровід постачання перегрітої пари 30 проходить від виходу 31 пароперегрівача 15 до колектора 32 перегрітої пари. 2 UA 114799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Трубопровід постачання перегрітої пари 30 розділяється на зворотний трубопровід 33 і трубопровід 34 постачання пари в колектор. Зворотний трубопровід 33 веде до теплообмінного трубопроводу 35 через паровий сепаратор 20. Теплообмінний трубопровід 35 через паровий сепаратор 20 з'єднується з вторинним трубопроводом постачання перегрітої пари 36, що веде в колектор перегрітої пари 32. Вторинний трубопровід постачання перегрітої пари 36 з'єднується з трубопроводом 34 постачання пари в колектор перед місцем, в якому трубопровід постачання пари 34 входить у колектор перегрітої пари 32. Клапани 37 і 38 служать для селективного відкривання або закривання зворотного трубопроводу 33 або трубопроводу постачання пари 34 в колектор. Вище за потоком від зворотного трубопроводу 33 трубопровід постачання перегрітої пари 30 оснащений одним або більше датчиками температури (не показані). Блок управління клапанами (не показаний) здійснює функцію регулювання потоку у зворотному трубопроводі 33 і трубопроводі постачання пари 34 в колектор в залежності від виміряної температури перегрітої пари, що надходить. Якщо температура перегрітої пари у трубопроводі постачання перегрітої пари 30 перевищує визначену верхню межу, то клапан 37 відкривається, а клапан 38 закривається. Перегріта пара проходить окружним шляхом по зворотному трубопроводу 33 і теплообмінному трубопроводу 35 через паровий сепаратор 20, де ця перегріта пара охолоджується до прийнятної температури. Далі, перегріта пара по вторинному трубопроводу постачання перегрітої пари 34 надходить у колектор перегрітої пари 32. Таким чином, надлишкове тепло використовується для утворення додаткової пари у паровому сепараторі. Ця додатково одержана пара дозволяє покращити охолодження пароперегрівача і, відповідно, знизити температуру пари, що виходить із пароперегрівача у трубопровід 30. Таким чином, стає можливим ефективно витримувати температуру перегрітої пари на достатньо низькому рівні, щоб уникнути перегріву обладнання і тим самим збільшити строк служби частин реактора. На Фіг. 2 показаний альтернативний варіант здійснення реактора газифікації 40. На зазначеній фігурі використовуються ті ж самі позиції частин реактора, що й у варіанті, показаному на Фіг. 1. Як і в варіанті здійснення винаходу, показаному на Фіг. 1, реактор газифікації 40 на Фіг. 2 містить камеру реактора 2 з мембранною стінкою 3, виконаною зі з'єднаних між собою паралельних охолоджувальних трубопроводів (не показані), утворюючих газонепроникну стінку. Охолоджувальний канал 10 містить пароперегрівач 15 і ряд нижніх теплообмінних блоків 16, з'єднаних з паровим сепаратором 20 трубопроводами постачання води 21 і трубопроводами повернення пари 19. Аналогічно, вода із парового сепаратора 20 спрямовується в охолоджувальні трубопроводи мембранної стінки 3, щоб повернутись у вигляді пари до парового сепаратора 20 по трубопроводах повернення пари 26. Трубопровід постачання пари 28 проходить від парового сепаратора 20 до пароперегрівача 15. Трубопровід постачання перегрітої пари 30 проходить від пароперегрівача 15 до колектора перегрітої пари 32. Трубопровід постачання перегрітої пари 30 розділяється на зворотний трубопровід 33 і трубопровід постачання пари 34 в колектор. Зворотний трубопровід 33 веде до теплообмінного трубопроводу 35 через паровий сепаратор 20. Теплообмінний трубопровід 35 через паровий сепаратор 20 сполучається з трубопроводом 41, спрямованим убік теплообмінного блоку 42 поперечних потоків. У блоці теплообмінника поперечних потоків 42 тепло від пари передається зустрічному потоку кисню. Пара конденсується і вже конденсована повертається по зворотному трубопроводу 43 у паровий сепаратор 20 через компенсатор тиску 46, щоб компенсувати втрату тиску пари під час проходження через теплообмінний блок 42 поперечних потоків. Потік кисню постачається із джерела 44 кисню, котрим може служити, наприклад, повітряний сепаратор. Після проходження через теплообмінний блок поперечних потоків 42, нагрітий кисень передається в камеру реактора 2 по кисневому трубопроводу 45. В ще одному можливому альтернативному варіанті здійснення винаходу пара із теплообмінного блока 42 поперечних потоків не повертається в паровий сепаратор 20, а передається у колектор конденсату (не показаний). У цьому випадку компенсатор тиску 46 є непотрібним. В режимі роботи з низькими температурами перегрітої пари насичена пара у трубопроводі 30 може подаватися по клапану 39 для її застосування у попередньому нагріванні кисню замість або в додаток до перегрітої пари із трубопроводів 33 і 41. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 60 1. Реактор газифікації (1), який містить: камеру реактора (2); 3 UA 114799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 теплообмінні блоки, що утворюють пару (3, 15, 16); принаймні один паровий сепаратор (20); трубопроводи рециркуляції для здійснення циркуляції води і пари між одним або більше теплообмінними блоками (3, 15, 16) і паровим сепаратором (20), в якому паровий сепаратор додатково містить трубопровід постачання пари (28) для транспортування пари через теплообмінний блок (15) і трубопровід постачання перегрітої пари (30) в колектор перегрітої пари (32), де теплообмінним блоком (15) між паровим сепаратором (20) і колектором перегрітої пари (32) є утилізаційний теплообмінний блок (15) нижче за потоком від камери реактора (2), в якому трубопровід постачання перегрітої пари (30) розділяється на зворотний трубопровід (33), що веде в теплообмінний трубопровід (35) через паровий сепаратор (20), і трубопровід постачання пари в колектор (34), де реактор містить один або більше клапанів (37, 38, 39) для селективного відкривання або закривання зворотного трубопроводу (33) або трубопроводу постачання пари (34) в колектор, в якому теплообмінний трубопровід (35) через паровий сепаратор (20) з'єднаний з вторинним трубопроводом постачання перегрітої пари (36), що веде в колектор перегрітої пари (32), і в якому вторинний трубопровід постачання перегрітої пари (36) з'єднується з трубопроводом постачання пари (34) в колектор перед місцем, в якому цей трубопровід входить в колектор перегрітої пари, при цьому трубопровід постачання перегрітої пари (30) вище за потоком від зворотного трубопроводу (33) оснащений одним або більше датчиками температури і в якому один або більше блоків управління клапанами виконані для відкривання або закривання зворотного трубопроводу і трубопроводу постачання пари в колектор відповідно до виміряної температури. 2. Реактор газифікації за п. 1, в якому теплообмінний трубопровід (35) через паровий сепаратор (20) з'єднаний з трубопроводом, що веде до теплообмінника поперечних потоків (42) для попереднього нагріву кисню, в якому вказаний теплообмінник поперечних потоків з'єднаний з трубопроводом постачання кисню (45), по якому попередньо нагрітий кисень подається на один або більше пальників у камері реактора (2). 3. Реактор газифікації за п. 2, в якому зворотний трубопровід (43) повертає конденсовану пару із теплообмінника поперечних потоків (42) в паровий сепаратор (20) через компенсатор тиску (46). 4. Реактор газифікації за будь-яким із попередніх пунктів, в якому утилізаційний теплообмінний блок (15) є першим в ряду розташованих нижче за потоком утилізаційних теплообмінних блоків (16). 5. Реактор газифікації за будь-яким із попередніх пунктів, в якому принаймні один із теплообмінних блоків (15, 16) є охолодженою водою мембранною стінкою, яка виконана із з'єднаних між собою паралельних охолоджувальних трубопроводів, що утворюють газонепроникну стінку. 6. Спосіб зниження температури потоку перегрітої пари, що прямує до колектора перегрітої пари (32) в реакторі газифікації за п. 1, в якому насичена пара з парового сепаратора (20) подається в теплообмінний блок (15), а потім через трубопровід постачання (30) - в колектор перегрітої пари, в якому перегріта пара з температурою вище верхньої межі проходить окружним шляхом у теплообмінний трубопровід (35) через паровий сепаратор з метою утворення додаткової пари у паровому сепараторі (20). 7. Спосіб за п. 6, в якому пара після проходження по теплообмінному трубопроводу (35) через паровий сепаратор подається в колектор перегрітої пари (32). 8. Спосіб за п. 6 або п. 7, в якому пара після проходження по теплообмінному трубопроводу (35) через паровий сепаратор проходить через нагрівач поперечних потоків (42), пересікаючи зустрічний потік кисню, і в якому кисень далі подається на один або більше пальників у камері реактора. 9. Спосіб за п. 8, в якому пара після проходження через теплообмінник поперечних потоків (42) подається назад у паровий сепаратор через компенсатор тиску (46). 4 UA 114799 C2 5 UA 114799 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6