Пристрій та спосіб для газифікації в потоці твердого порошкоподібного вуглецевого палива

Реферат: Газифікаційний реактор для газифікації в потоці твердого порошкоподібного вуглецевого палива, який має першу реакційну камеру, розміщену у верхній частині реактора, верхня секція якої оснащена пристроєм подачі первинної сировини, бічні стінки якої оснащені трубами з внутрішнім охолодженням, таким як мембранні стінки або змієвики, які дозволяють вільне протікання вниз рідкого шлаку без затвердіння шлаку на поверхні, і дно якої має отвір для виходу шлаку і виходу синтетичного газу, другу камеру, з'єднану з нижньою частиною каналу, де необроблений газ утримують сухим і охолодженим за допомогою охолодження випромінюванням тепла, і пристрій, призначений для утворення водяної завіси, нижня частина другої камери з'єднана з третьою камерою, оснащеною пристроями для подачі води, утримуючий пристрій для водяної ванни, з'єднаної з третьою камерою, пристрій також оснащений пристроєм для видалення суміші вода/шлак, і пристрій для видалення необробленого газу з реактора, розміщений в нижній або бічній частині третьої камери, симетричну відносно осі видовжену секцію, яка утворює перехід від першої до другої камери, нижній край якої встановлений на одному рівні або над рівнем виходу вільно падаючої водяної завіси. UA 112998 C2 (12) UA 112998 C2 UA 112998 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Предметом винаходу є спосіб і пристрій для газифікації в потоці твердого порошкоподібного вуглецевого палива. В промислових підприємствах для газифікації в потоці, побудованих раніше, системи, що включають використання втрат тепла, впроваджені згідно і способу газифікації вугілля Shell (Шелл), і процесу в потоці під тиском, оскільки вони мають переваги в ефективності у Газифікації в Межах Циклу і Комбінованому Циклі (ГМЦКЦ) без відділення двоокису вуглецю. В цьому варіанті значна кількість тепла необробленого газу, згенерованого в газифікаторі перетворюється в пару крізь теплообмінні поверхні, потім пару за допомогою парової турбіни перетворюють в електроенергію. На енергетичних підприємствах у процесах з відділенням вуглецю, Уловлюванням і Зберіганням Вуглецю, ГМЦКЦ-УЗВ і застосуванням газифікації вугілля для виробництва різних хімічних продуктів, наприклад, перегонки вугілля в рідке паливо (ПВРП), спосіб Фішера-Тропша (ФТ), метанолу, аміаку, окис вуглецю частково або повністю переробляють у послідовності процесів для отримання необхідного співвідношення окису вуглецю і водню у синтетичному газі. Для цього необроблений газ збагачують парою у співвідношенні від 1:1,2 до 1:1,4. У випадку систем з використанням вторинного тепла пару, отриману з високими вимогами до обладнання, потім знову підмішують до необробленого газу після незначного використання енергії у паровій турбіні. Збільшення вмісту пари у необробленому газі також можна досягти зі значним зменшенням вимог до обладнання за допомогою безпосереднього охолодження пари необробленого газу водою. У цьому варіанті процесу необроблений газ з температурою 1200-1500 °C заливають водою безпосередньо на виході газифікаційної камери, одночасно охолоджуючи його. В цьому випадку, на відміну від варіанту, який включає використання вторинного тепла для генерації пари, не потрібні, наприклад, всі теплообмінні поверхні включно з відповідними аксесуарами, такими як паровий барабан і рециркуляційні насоси. Одначе безпосередня подача води в потік газу, що обробляється, також викликає технологічні проблеми. Охолодження потоку необробленого газу водою на практиці може викликати проблеми втоми матеріалу. Вони виникають тому, що матеріал піддається великому навантаженню, коли окремі краплі води потрапляють на метал і негайно охолоджують і заливають його. Тобто дуже необхідно уникнути потрапляння крапель на гарячі поверхні і компоненти. Системи з утилізацією вторинного тепла передбачають сухе відділення частини дрібного попелу, який вноситься з потоком необробленого газу на холодну сторону, за допомогою керамічного високотемпературного фільтра приблизно при 300 °C. При безпосередньому заливанні гарячої газифікаційної секції завжди існує ризик відкладення і утворення шлаку і частинок пилу з потоку гарячого газу, коли рідкі компоненти шлаку і пил контактують з охолодженими поверхнями і спонтанно охолоджуються і твердіють. Такі відкладення викликають подальший ризик того, що вони будуть неконтрольовано зростати, змінювати умови проходження потоку і можуть непередбачувано відділятись у вигляді шматків довільного розміру. Потім вони будуть закупорювати пристрої для видалення шлаку або порушувати роботу і руйнувати інші деталі установки. На сьогоднішній день також відома технологія, яка враховує існування таких проблем. В патенті WO 2009/036985 A1 описаний реактор для газифікації і спосіб газифікації в потоці, в якому реактор поділений на три камери, крізь які послідовно проходить синтетичний газ. У першій камері отримують рідкий шлак, який стікає на краю для зливання шлаку газового виходу першої камери разом з потоком синтетичного газу, що рухається вниз, і падає у водяну ванну на кінці другої камери. У другій камері, відділеній від першої камери вільно падаючою водяною завісою, синтетичний газ охолоджується, в той час як водяна завіса нагрівається, але майже не випаровується. У третій камері синтетичний газ заливають інжектованою водою, підвищуючи таким чином вміст води у синтетичному газі. Коли синтетичний газ доходить до третьої камери, він охолоджується до такого ступеня, що не містить часток, які утворюють відкладення. В патенті WO 2009/036985 A1 показано, що водяна завіса може бути утворена похилою площиною у формі лійки. В патенті WO 2011/107228 A2 описаний інший пристрій, який служить для створення водяної завіси в такому газифікаційному реакторі, що складається з трьох камер, одначе, у цьому випадку забезпечуються покращені можливості для регулювання кількості води, швидкості її падіння і створення водяної завіси. Одначе, в обох випадках сам потік гарячого газу і турбулентність потоку можуть викликати вир частин водяної завіси і їх підйом угору і проникнення у першу камеру. Це може призвести до проблем на краю для зливання шлаку і для деталей першої камери. 1 UA 112998 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Для зменшення вирів в патенті WO 2009/118082 A2 запропоноване використання поверхонь для зменшення або усунення вирів, які проходять тільки над частиною перерізу з'єднувального каналу. Хоч такі заходи призводять до зменшення кількості літаючого попелу і переривання газових вирів, вісь обертання яких проходить паралельно осі реактора, вони не уповільнюють потік газу, не запобігають виникненню вирів, вісь обертання яких розміщена у поперечному напрямку до осі реактора. Крім того, вони не запобігають виникненню бризок водяної завіси. Метою винаходу є надання покращеної конструкції, яка ефективно вирішує ці проблеми. Поперше, конструкція призначена для досягнення того, щоб часточки попелу, які виходять, стрімко рухались, потім передбачені направляючі канали для шлаку, які забезпечують оптимальне відведення шлаку. По-друге, для запобігання водяним вирам у гарячій секції, щоб запобігти інтенсивному зношуванню матеріалу внаслідок циклічних перепадів температури і відкладень, передбачене відділення вільного струменя від заднього простору. Мети винаходу досягають за допомогою симетричної відносно осі додаткової секції на виході камери, в якій відбувається реакція газифікації. Симетрична відносно осі додаткова секція служить направляючою для основного вихідного газового потоку і запобігає виникненню в газовому потоці інжекторного ефекту. Пристрій призначений для газифікацій них реакторів для газифікації в потоці твердого порошкоподібного вуглецевого палива: - з першою реакційною камерою, встановленою на вершині реактора, верхня частина якої оснащена пристроєм подачі сировини, бічні стінки якої оснащені трубами зі внутрішнім охолодженням, таким як мембранна стінка або змієвики, які дозволяють вільний рух вниз рідкого шлаку без поверхні, на якій шлак може затвердіти, дно якої має отвір для виходу шлаку і виходу синтетичного газу, - з другою реакційною камерою, з'єднаною з дном отвору, де зберігають необроблений газ сухим і охолодженим за допомогою випромінюванням тепла, пристрій оснащений обладнанням для створення водяної завіси, - дно другої камери з'єднане з третьою камерою, оснащеною пристроями подачі води, - утримуючим пристроєм для водяної ванни, з'єднаної з дном третьої камери, пристрій також оснащений пристроєм для відведення суміші шлак/вода, - з пристроєм для відведення необробленого газу з реактора, передбаченим на дні або на бічній стороні третьої камери, який відрізняється тим, що симетрична відносно осі видовжена секція, - яка утворює перехід з першої в другу камеру, - і нижній край якої встановлений на тому ж рівні або вище, що і рівень виходу вільно падаючої водяної завіси. Один варіант втілення винаходу передбачає встановлення краєм до краю верхнього краю симетричної відносно осі видовженої секції і дна реакційної камери. В іншому варіанті втілення винаходу симетрична відносно осі видовжена секція виготовлена у вигляді дифузора, нижній край якого утворює зливний край для шлаку. Дифузор має кутову апертуру 1-15°, краще, 5-8°. Додатковий варіант втілення винаходу передбачає розширення системи охолодження бічних стінок реакційної камери, оснащених внутрішніми трубами охолодження з внутрішнім охолодженням у вигляді мембранних стінок або змієвиків, до зовнішніх стінок симетричної відносно осі видовженої секції. Це може бути встановлене зі сторони газового потоку. У ще одному варіанті конструкції використовують труби з внутрішнім охолодженням, які мають захисне покриття від високотемпературної корозії зі сторони газу. Дифузор згідно винаходу не слід плутати із захисним пристроєм, показаним на фіг. 3 патенту WO 2009/036985 A1, захисні пристрої показані в ньому служать для захисту корпусу від надмірного тепла, що випромінюється, і використовуються у варіанті з розділенням трубами. Розділення трубами не означає захист герметичної конструкції, а розділення направлення потоку реактивного потоку газу, що виходить, і, таким чином, має іншу відповідну конструкцію. Предметом винаходу також є спосіб для газифікації в потоці твердого порошкоподібного вуглецевого палива з використанням симетричної відносно осі видовженої секції, описаної вище, винахід відрізняється тим, що газовий потік, який має велику швидкість на виході з реакційної камери, сповільнюють. Крім того, газовому потоку закритий доступ до заднього простору, і він більше не може створювати інжекційний ефект. Це сповільнювання потоку, якого досягають за рахунок однорідного розподілення потоку у поєднанні зі збільшенням перерізу, призводить до зменшення різниці тиску між верхом і низом водяного шару. У цьому випадку значно зменшуються можливості потоку газу піднімати і частково завихрювати водяну завісу. Інший ефект полягає в тому, що над водяною завісою не утворюються газові завихрення, які призводять до потрапляння крапель на гарячі деталі реакційної камери. 2 UA 112998 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Нижче винахід описаний більш детально з посиланням на рисунки. Фіг. 1 - реактор з патентом WO 2009/036985 A1 з додатковим газовим дифузором. Фіг. 2 - перехідна секція від реакційної камери до другої камери з газовим дифузором і похилою площиною для утворення водяної завіси. Фіг. 3 - перехідна секція від реакційної камери до другої камери з газовим дифузором і альтернативним пристроєм для утворення водяної завіси. Фіг. 4 - перехідна секція від реакційної камери до другої камери з альтернативною симетричною відносно осі видовженою секцією. У верхній частині фіг. 1 показана реакційна камера газифікатора 1 з горілками 2. Гарячий необроблений газ з температурою приблизно 1500 °C, який містить у собі краплі рідкого шлаку і часточки попелу, виходить з реакційної камери газифікатора 1 крізь вихід 3 з реакційної камери зазвичай має вир, який призводить до того, що більша частина рідкого шлаку відкладається на охолоджених стінках реакційної камери і стікає вниз як рідина по стінках виходу. Гарячий необроблений газ уповільнюється у газовому дифузорі 4 і набуває однорідного стану по перерізу. Він натикається на водяну завісу 5, яка діє як охолоджуюча поверхня і швидко охолоджує гарячий необроблений газ. Це охолодження призводить до затвердіння крапель рідкого шлаку і запобігає їх відкладенню на стінках. Водяна завіса створюється на водяній рампі 6. Кількість води для водяної завіси вибирають такою, щоб вода не нагрівалась до кипіння і випаровування. В цьому випадку у цій зоні охолодження, яка утворює другу камеру 8, необроблений газ ще залишається майже повністю сухим. Газовий дифузор 4 запобігає тому, щоб газовий потік піднімав водяну завісу 5 і краплі з екрану 7 або вихідного краю 10. Вихідний край 10 газового дифузора 4 встановлений трохи вище виходу водяної завіси 9. У наступній третій камері 11 необроблений газ, який ще залишається гарячим, заливають водою з форсунок. Третя камера 11 поділена роздільною стінкою 12 і доходить до кругового простору 15; охолоджені часточки шлаку із залитого необробленого газу і затверділі краплі шлаку з вихідного краю 10 падають у водяну ванну 13, і їх видаляють на вихідному отворі для шлаку 14. Насичений синтетичний газ виходить з газифікаційного реактора крізь вихід для синтетичного газу 16. На фіг. 2 показана у розрізі перехідна секція, оснащена газовим дифузором. На фіг. 3 показаний той самий розріз, в якому водяна рампа замінена форсункою у вигляді тору згідно патенту WO 2011/107228 A2. На фіг. 4 показаний той самий розріз, в якому використана симетрична відносно осі видовжена секція. Цей варіант втілення винаходу має кожух 18, нижній край якого розміщений на тому ж рівні, що і отвір вільного потоку 19 синтетичного газу. Список позначень: 1 Реакційна камера газифікатора 2 Горілка 3 Вихід реакційної камери 4 Симетрична відносно осі видовжена секція 5 Водяна завіса 6 Водяна рампа 7 Екран 8 Друга камера 9 Вихідний отвір водяної завіси 10 Вихідний край 11 Третя камера 12 Роздільна стінка 13 Водяна ванна 14 Вихідний отвір для шлаку 15 Круговий простір 16 Вихід для синтетичного газу 17 Форсунка у вигляді тору 18 Кожух 19 Вільний потік 3 UA 112998 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 30 35 40 1. Газифікаційний реактор для газифікації в потоці твердого порошкоподібного вуглецевого палива, який має: - першу реакційну камеру, розміщену у верхній частині реактора, верхню секцію якої оснащено пристроєм подачі сировини, бічні стінки якої оснащено трубами з внутрішнім охолодженням з допомогою мембранної стінки або змійовика, які дозволяють вільне стікання рідкого шлаку без затвердіння його на поверхні, а нижню частину якої оснащено отвором для випуску шлаку та синтез-газу, - другу камеру, приєднану під отвором і в якій неочищений газ утримують сухим і охолодженим радіаційним охолодженням, та яку оснащено пристроєм для утворення водяної завіси, - третю камеру, яку з'єднано з нижньою частиною другої камери та оснащено пристроями для подачі води, - утримуючий пристрій для водяної ванни, з'єднаний з третьою камерою та також оснащений пристроєм для видалення суміші вода/шлак, і - пристрій для видалення неочищеного газу з реактора, розміщений в нижній або бічній частині третьої камери, який відрізняється тим, що має вісесиметричний подовжувальний насадок, - який утворює перехід від першої до другої камери, - нижній край якого знаходиться на одному рівні або над рівнем виходу вільноспадаючої водяної завіси, - його верхній край з'єднано в стик з нижньою частиною реакційної камери, та - його виконано у вигляді дифузора, нижній край якого призначено для стікання шлаку. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що кут розширення дифузора складає 1-15 градусів. 3. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що кут розширення дифузора складає 5-8 градусів. 4. Пристрій за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що система охолодження бічних стінок першої реакційної камери, які оснащені внутрішніми трубами охолодження з внутрішнім охолодженням у вигляді мембранних стінок або змійовиків, простягається до зовнішніх стінок вісесиметричного подовжувального насадку. 5. Спосіб газифікації в потоці твердого порошкоподібного вуглецевого палива із застосуванням вісесиметричного подовжувального насадку за будь-яким з пп. 1-4, який відрізняється тим, що газовий потік, який виходить з першої реакційної камери з певною швидкістю, подають у вісесиметричний подовжувальний насадок, виконаний у вигляді дифузора, в якому швидкість газового потоку уповільнюється перед входом у другу камеру, де неочищений газ утримують сухим і охолоджують за допомогою радіаційного охолодження, через що відбувається гомогенізація розподілу потоку в комбінації з розширенням поперечного перерізу так, що досягається зниження перепаду тиску між верхньою та нижньою частинами водяної завіси, яку утворюють в другій камері, що зменшує властивість газового струменя підіймати та частково закручувати водяну завісу. 4 UA 112998 C2 5 UA 112998 C2 6 UA 112998 C2 Комп’ютерна верстка Т. Вахричева Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП "Український інститут інтелектуальної власності", вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7