СПОСОБ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ
METHOD OF COAL GASIFICATION

Изобретение относится к области получения энергетического, технологического газа из угля и может быть использовано в энергетике, химической и металлургической промышленности.
3
2
3
Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности является способ слоевой газификации угля, включающий загрузку угля класса 5-50 мм, подачу воздушного дутья снизу с удельным расходом от 150-600 м/мчас, поджигание слоя угля со стороны противоположной подачи дутья снизу, фронт реагирования со смещением с постоянной скоростью навстречу потоку воздуха. Уголь при прохождении через фронт реагирования последовательно подвергается нагреву, сушке и пиролизу, температура во фронте 1000-1200°C, удельная теплота сгорания газа 1000-1200 ккал/нм.
2
3
После достижения фронтом реагирования со стороны слоя, противоположной стороне розжига, к дутью добавляют водяной пар в количестве до 100 кг/мчас, при этом происходит полная паровоздушная газификация углерода в коксовом остатке. Фронт газификации проходит в сторону первичного розжига слоя. Удельная теплота сгорания газа составляет 1000-1200 ккал/нм (Патент РФ №2287011, M.кл. C10J 3/68, 2005 г.).
Недостатками известного способа являются:
- необходимость использования дорогостоящего сортированного угля фракции 5-20 мм;
- низкая производительность способа, обусловленная низкой скоростью газификации угля в диапазоне 0,1-0,4 м/час при воздушном дутье, противоположном розжигу слоя, т.е. при газификации угля «обратной тепловой волной», а также узким фронтом реагирования толщиной порядка калибра частиц угля в силу преобладания радиационного механизма передачи тепла во фронте: процесс газификации лимитируется скоростью прогрева частиц угля во фронте;
3
- малая калорийность получаемого газа 1000-1200 ккал/нм;
- высокая температура в зоне газификации (реагирования) 1000-1200°C, что приводит к спеканию угля и разжижению зоны газификации.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа, обеспечивающего получение горючего газа повышенной калорийности, не содержащего конденсируемые продукты пиролиза, с тепловой мощностью газификации 10 Гкал/час·аппарат и более, без спекания и разжижения зоны газификации.
3
2
3
2
3
2
2
3
2
2
Поставленная задача достигается тем, что в способе газификации угля, включающий загрузку, розжиг угля сверху, подачу воздушного дутья снизу и стадийное проведение процесса, новым является то, что уголь 90-95%, с дополнительно введенными красной глиной в количестве 2-3% и известняком 4-5%, загружают в аппарат, верхний и нижний слои угля высотой по 200-300 мм смачивают жидким топливом и проводят розжиг верхнего слоя угля до образования слоя коксового остатка температурой 600-800°C высотой 200-300 мм путем подачи воздушного дутья с удельным расходом 75-150 м/мчас, розжиг нижнего слоя угля до образования слоя коксового остатка с температурой 600-800°C высотой 200-300 мм проводят подачей дутья воздухом, содержащего 1-3% (масс.) озона, с удельным расходом 100-200 м/мчас, на первой стадии проводят каталитическую газификацию угля при температуре зоны газификации 600-800°C подачей дутья воздухом, содержащим 1-3% (масс.) озона, с удельным расходом 700-900 м/мчас и перегретого водяного пара температурой 250-450°C с удельным расходом до 150 кг/мчас, под верхний слой коксового остатка при снижении температуры слоя до 600°C подают сжатый воздух и при повышении температуры слоя свыше 800°C подачу сжатого воздуха прекращают, на второй стадии проводят каталитическую газификацию коксового остатка при температуре зоны газификации 600-800°C подачей дутья воздухом, содержащего 1-3% (масс.) озона, с удельным расходом 1600-1800 м/мчас и перегретого водяного пара температурой 250-450°C с удельным расходом до 450 кг/мчас, при снижении температуры зоны газификации ниже 600°C подачу пара прекращают.
В способе использован уголь 90-95%, с дополнительно введенной красной глиной в количестве 2-3% и известняка 4-5%:
- газификация угля при температуре 600-800°C обеспечивается катализаторами, содержащими в красной глине в виде оксидов железа, алюминия и алюмосиликатов и оксида кальция, образующего при декарбонизации известняка;
- обеспечивается предотвращение спекания и разжижение зоны газификации за счет эндотермической реакции декарбонизации известняка;
- происходит экономия углерода угля за счет использовании в газификации углекислого газа, выделяющегося при декарбонизации известняка.
Верхний слой угля высотой по 200-300 мм смачивают жидким топливом для снижения продолжительности розжига в теплый период с 2-3 часов, в холодный период с 5-7 часов до 10-20 минут за счет быстрого воспламенения жидкого топлива в угле при подаче воздушного дутья, от которого уголь разогревается до температуры газификации с образованием верхнего слоя коксового остатка высотой 200-300 мм.
Нижний слой угля высотой по 200-300 мм смачивают жидким топливом для самопроизвольного воспламенения жидкого топлива от контакта с озоном при подаче дутья воздухом, содержащим 1-3% (масс.) озона. От горящего жидкого топлива уголь разогревается до температуры газификации с образованием нижнего слоя коксового остатка высотой 200-300 мм.
Розжиг верхнего слоя угля необходим для предварительного формирования перед началом газификации слоя угля, высокотемпературного верхнего слоя коксового остатка, в результате чего:
2
- горючий газ повышает свою калорийность, за счет реакции между углеродом коксового остатка и парами воды, CO;
- горючий газ очищается от конденсируемых продуктов пиролиза угля за счет каталитического термолиза, а также очищается от окислов серы и азота за счет хемадсорбционного взаимодействия с оксидами, алюминия, железа, частицами алюмосиликатов глины и оксидом кальция, образуемого декарбонизацией известняка при формировании верхнего слоя коксового остатка.
Образование слоя коксового остатка с температурой 600-800°C происходит за счет каталитического действия оксидов, алюмосиликатов красной глины и оксида кальция, образующегося при декарбонизации известняка.
Высота 200-300 мм верхнего слоя угля, смоченного жидким топливом при розжиге, необходима для формирования верхнего высокотемпературного слоя коксового остатка высотой 200-300 мм для полного использования в газификации углекислого газа, паров воды, содержащихся в горючем газе, и осуществления каталитического термолиза конденсируемых продуктов пиролиза угля, содержащихся в газе, проходящем через слой этой высоты.
3
2
Подача воздушного дутья с удельным расходом 75-150 м/мчас при розжиге верхнего слоя угля обеспечивает быстрый розжиг с образованием коксового остатка.
Розжиг нижнего слоя угля необходим для осуществления эффективной прямоточной газификации при дутье воздухом и движении зоны газификации снизу вверх.
Образование слоя коксового остатка с температурой 600-800°C в результате розжига нижнего слоя угля происходит за счет каталитического действия оксидов железа, алюминия, алюмосиликатов красной глины, оксида кальция, образующегося при декарбонизации известняка.
Высота слоя коксового остатка 200-300 мм, образуемого в результате розжига нижнего слоя угля, необходима для последующей равномерной и производительной прямоточной газификации угля.
Подача озона 1-3% (масс.) при розжиге нижнего слоя угля необходима для самопроизвольного воспламенения жидкого топлива от контакта с озоном, от пламени которого загорается уголь.
3
2
Подача воздушного дутья с удельным расходом 100-200 м/мчас при розжиге нижнего слоя угля обеспечивает быстрый и равномерный розжиг угля с образованием коксового остатка.
На первой стадии проводят каталитическую газификацию угля:
- при температуре зоны газификации 600-800°C, которая оптимальна для каталитической газификации;
- подачей дутья озоном 1-3% (масс.) для увеличения о производительности газификации за счет вовлечения в газификацию инертного углерода коксового остатка при высоком окислительном свойстве озона;
3
2
- воздухом с удельным расходом 700-900 м/мчас, необходимом для газификации угля;
2
- перегретый водяной пар с температурой 250-450°C и удельным расходом до 150 кг/мчас необходим для повышения калорийности горючего газа и регулирования температуры зоны газификации угля в оптимальном для каталитической газификации диапазоне, причем при снижении температуры зоны газификации ниже 600°C подачу пара прекращают, а при превышении температуры слоя газификации 650°C подачу пара возобновляют;
2
- в течение первой стадии под верхний слой коксового остатка при снижении температуры слоя до 600°C подают сжатый воздух и при повышении температуры слоя свыше 800°C подачу сжатого воздуха прекращают, что необходимо для подержания температуры верхнего слоя коксового остатка в диапазоне 600-800°C, оптимального для каталитического термолиза конденсируемых продуктов пиролиза угля, повышения калорийности горючего газа благодаря реакции между углеродом коксового остатка и парами воды, CO, содержащихся в горючем газе.
На второй стадии проводят каталитическую газификацию коксового остатка:
- при температуре зоны газификации 600-800°C, оптимальной для каталитической газификации коксового остатка;
- с подачей дутья озоном 1-3% (масс.) для увеличения производительности способа за счет газификации коксового остатка, содержащего трудноокисляемый углерод сильным окислителем - озоном;
3
2
- воздухом с удельным расходом 1600-1800 м/мчас кислорода, необходимым для полной газификации коксового остатка до золы;
2
- перегретый водяной пар температурой 250-450°C с удельным расходом до 450 кг/мчас необходим для повышения калорийности горючего газа, за счет реакции водяного пара с коксовым остатком и быстрого регулирования температуры зоны газификации угля в оптимальном для каталитической газификации диапазоне, причем при снижении температуры зоны газификации ниже 600°C подачу пара прекращают, а при превышении температуры слоя газификации 650°C подачу пара возобновляют.
На второй стадии каталитической газификации перегретый водяной пар с температурой 250-450°C используется:
- в качестве внешнего теплоносителя, причем благодаря использованию тепла перегретого пара газификация коксового остатка по балансу тепла становится смешанной автотермической и аллотермической с увеличенной производительностью, при которых оптимальная температура газификации поддерживается за счет внутреннего окисления углерода и внешнего подвода тепла с перегретым паром: доля тепла от окисления углерода уменьшается за счет тепла, подводимого с перегретым паром;
- эффективного газифицирующего агента для трудно газифицируемого углерода коксового остатка;
- хладагента для перегретого коксового остатка за счет высокой удельной теплоемкости водяного пара и за счет эндотермической реакции между водяным паром и углеродом коксового остатка.
При снижении температуры зоны газификации коксового остатка до 600°C подачу пара прекращают для предотвращения снижения производительности газификации и калорийности горючего газа из-за уменьшения интенсивности экзотермических реакций между углеродом коксового остатка и паром при температуре ниже 600°C.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Уголь готовят к газификации: дробят и смешивают с добавками в соотношении уголь 90-95%, красная глина, 2-3% и известняк 4-5%.
В вертикальный аппарат газификации последовательно разгружают нижний слой угля, смоченного жидким топливом (керосином или дизтопливом), высотой 200-300 мм, верхний слой угля, смоченного жидким топливом, высотой 200-300 мм, на оставшуюся высоту аппарата уголь без жидкого топлива.
3
2
Розжиг верхнего слоя угля, смоченного жидким до образования слоя коксового остатка с температурой 600-800°C высотой 200-300 мм, проводят поджиганием слоя и подачей дутья воздухом с удельным расходом 75-150 м/мчас.
При поджигании верхнего слоя происходит воспламенение жидкого топлива в угле при подаче воздушного дутья, от которого уголь разогревается до температуры газификации с образованием зоны газификации, которая с постоянной скоростью смещается вниз навстречу восходящему потоку воздуха дутья, а над зоной газификации угля остается слой горячего коксового остатка. Уголь при прохождении зоны газификации последовательно подвергается нагреву, сушке и пиролизу. Горючие компоненты продуктов пиролиза полностью окисляются кислородом воздуха при дутье с образованием диоксида углерода и водяного пара, а затем путем восстановления на горячей поверхности коксового остатка превращаются в горючие компоненты оксид углерода и водород. В результате горючий газ на выходе из верхнего слоя не содержит конденсируемые продукты пиролиза. Температура зоны газификации снижается с 1000-1200°C до 600-800°C при каталитическом действии оксидов железа, алюминия, алюмосиликатов, содержащихся в красной глине, и оксида кальция при эндотермической декарбонизации известняка в зоне газификации.
3
2
Розжиг нижнего слоя угля, смоченного жидким топливом до образования коксового остатка с температурой 600-800°C и высотой слоя 200-300 мм, проводят подачей дутья воздухом, содержащим 1-3% (масс.) озона, с удельным расходом воздуха 100-200 м/мчас.
При поджигании нижнего слоя происходит воспламенение жидкого топлива в угле при подаче воздушного дутья, от которого уголь разогревается до температуры газификации с образованием зоны газификации, и с постоянной скоростью смещается снизу вверх с восходящим потоком воздуха при дутье, а под зоной газификации угля остается слой горячего коксового остатка. Уголь при прохождении зоны газификации последовательно подвергается нагреву, сушке и пиролизу.
Горючие компоненты продуктов пиролиза не окисляются в слое угля над зоной газификации из-за отсутствия кислорода воздуха.
При этом температура зоны газификации снижается с 1000-1200°C до 600-800°C благодаря каталитическому действию оксидов железа, алюминия, алюмосиликатов, содержащихся в красной глине, и оксиду кальция при эндотермической декарбонизации известняка в зоне газификации.
Окончание розжига верхнего и нижнего слоев угля, смоченных жидким топливом, контролируют по показаниям датчиков температуры, установленных в этих слоях, после чего переходят к первой стадии каталитической газификации угля.
3
2
2
Первую стадию каталитической газификации угля проводят при температуре зоны газификации 600-800°C подачей дутья воздухом, содержащим 1-3% (масс.) озона, с удельным расходом 700-900 м/мчас и перегретого водяного пара температурой 250-450°C с удельным расходом до 150 кг/мчас, при которой зона газификации угля с этой температуры поднимается с постоянной скоростью с потоком дутья воздухом по высоте слоя угля снизу вверх, а под зоной газификации остается слой горячего коксового остатка.
В зоне каталитической газификации угля происходят следующие реакции.
2
При использовании дутья воздухом, содержащим озон, в нижней окислительной подзоне зоны газификации, происходит горение угля в смеси с образованием CO и CO по экзотермическим реакциям:
Под действием выделяющегося тепла в окислительной подзоне происходит превращение в пар воды, содержащейся в угле, глине и известняке смеси.
Одновременно происходит декарбонизация известняка при температуре 600-800°C по эндотермической реакции:
Образующийся в окислительной подзоне диоксид углерода в восстановительной подзоне (расположенной выше сразу над окислительной подзоной) восстанавливается углеродом угля в оксид углерода по эндотермической реакции:
2
Вместе с CO в восстановительную подзону поступает также водяной пар (получаемый при окислении углеводородов в угле и сушки смеси), поэтому в восстановительной подзоне дополнительно протекают эндотермические реакции:
В газовой фазе могут протекать и другие реакции. Так, возможна реакция между оксидом углерода и водяным паром:
2
При взаимодействии CO и H может образоваться метан:
который в условиях процесса подвергается термическому распаду-термолизу
При газификации смеси сочетание этих экзотермических и эндотермических реакций определяет состав образующегося газа.
2
2
2
2
2
Равновесия реакций экзотермических реакций (1), (2) и (3) смещены в сторону образования CO и CO. Равновесия эндотермических реакций (4), (5), (6), (7) при повышении температуры смещены в сторону образования соответственно CO и CaO, CO и H, но выход указанных продуктов (равновесный) увеличивается при понижении давления, поэтому необходимо для повышения выхода CaO и CO, CO и H минимизировать давление в зоне газификации.
2
Равновесие экзотермической реакции (8) между CO и HO смещено в сторону образования исходных продуктов при температурах выше 1000°C и не зависит от давления, поэтому при температуре зоны газификации до 800°C этой реакцией можно пренебречь.
Образование метана по реакции (9) более вероятно при повышении давления газификации, поэтому при отсутствии повышенного давления в аппарате этой реакцией можно пренебречь.
Из окислительной и восстановительной подзон зоны газификации выходят и поднимаются вверх горячие газы при температуре 600-800°C (вместо температуры 1000-1200°C) благодаря каталитическому действию оксидов железа, алюминия, алюмосиликатов красной глины и оксида кальция эндотермической декарбонизации известняка. Горячие газы нагревают уголь, который подвергается пиролизу в вышележащем над зоной газификации слое угля, этот слой является зоной пиролиза. В зоне пиролиза газы обогащаются продуктами пиролиза угля - смесью углеводородов, в т.ч. конденсируемыми продуктами - высокомолекулярными углеводородами. Выходящие из зоны пиролиза газы подогревают уголь в слое над зоной пиролиза - этот слой является зоной сушки угля, вследствие чего газ обогащается водяным паром.
Далее горючий газ поднимается до верхнего слоя коксового остатка с температурой 600-800°C, проходя через который горючий газ:
2
- повышает свою калорийность, за счет эндотермических реакций (5), (6), (7) между углеродом коксового остатка и парами воды, CO, содержащихся в горючем газе
- очищается от конденсируемых продуктов пиролиза угля за счет каталитического их термолиза;
- очищается от окислов серы и азота за счет хемадсорбционного взаимодействия с оксидами алюминия, железа, частицами алюмосиликатов глины и оксидом кальция, образующегося декарбонизацией известняка при формировании верхнего слоя коксового остатка.
3
Горючий газ на выходе из верхнего слоя коксового остатка не содержит конденсируемые продукты пиролиза угля, окислы серы и азота, а удельная теплота сгорания газа составляет 1350-1550 ккал/нм.
Контроль подъема зоны газификации угля ведут по датчикам температуры, размещенным равномерно по высоте слоя угля без жидкого топлива.
Регулирование температуры зоны газификации в диапазоне 600-800°C производят изменением расхода пара.
При снижении температуры ниже 600°C подачу пара прекращают, а при повышении температуры до 650°C подачу пара возобновляют.
2
При повышении температуры зоны газификации угля свыше 800°C увеличивают удельный расход пара до максимума 150 кг/мчас.
Одновременно под верхний слой коксового остатка при снижении температуры слоя до 600°C подают сжатый воздух и при повышении температуры слоя свыше 800°C подачу сжатого воздуха прекращают.
Завершается первая стадия при подъеме зоны газификации угля с температурой 600-800°C до верхнего слоя коксового остатка.
Окончание первой стадии каталитической газификации угля контролируют по показанию датчика температуры, установленного под верхним слоем угля.
По завершении первой стадии каталитической газификации угля сразу переходят ко второй стадии каталитической газификации коксового остатка.
3
2
2
Вторую стадию каталитической газификации коксового остатка проводят при температуре зоны газификации 600-800°C подачей дутья воздуха, содержащего 1-3% (масс.) озона, с удельным расходом 1600-1800 м/мчас и перегретым паром с температурой 250-450°C с удельным расходом до 450 кг/мчас. Регулирование температуры зоны газификации в диапазоне 600°-800°C производят изменением расхода пара.
В зоне каталитической газификации коксового остатка происходят те же реакции, что при газификации угля, за исключением реакции окисления углеводородов (3).
В верхнем слое коксового остатка происходят те же реакции, что при газификации угля, за исключением термолиза конденсируемых продуктов пиролиза.
При снижении температуры зоны газификации коксового остатка до 600°C подачу перегретого пара прекращают, а при повышении температуры свыше 600°C подачу пара возобновляют.
2
При повышении температуры зоны газификации коксового остатка свыше 800°C увеличивают удельный расход пара до максимума 450 кг/мчас.
По окончании газификации коксового остатка производится выгрузка золы снизу аппарата.
В примерах, иллюстрирующих способ, использован вертикальный аппарат шахтного типа с внутренним диаметром 0,5 м и высотой 1,5 м. В качестве сырья использован уголь после дробления, но без сортировки на фракции, разреза «Березовский» Канско-Ачинского угольного бассейна, имеющий следующий технический и элементный состав:
daf
daf
daf
daf
C=71,7%; H=4,9%; N=0,8%; O=22,3%.
В качестве добавок использованы известняковая мука фракционным составом 0-0,3 мм и молотая красная глина фракционным составом 0-0,5 мм и химического состава
2
SiO - 50-53%
2
3
ALO - 10-11%
2
3
FeO - 8,23-8,69%
FeO - 0.46-0.48%
CaO - 4-5%
MgO - 2-2.1%
2
NaO - 1.25%
2
KO - 1.8-1.9%
3
SO - 0.16-0.18%
Потери при прокаливании глины от 5 до 7%
Пример 1
Использован уголь без добавок.
Уголь готовят к газификации путем дробления.
В вертикальный аппарат газификации последовательно разгружают нижний слой угля, смоченный жидким топливом (керосином или дизтопливом), высотой 200-300 мм, верхний слой угля, смоченный жидким топливом, высотой 200-300 мм, на оставшуюся высоту аппарата уголь без жидкого топлива.
3
2
Розжиг верхнего слоя угля, смоченного жидким топливом до образования слоя коксового остатка с температурой 600-800°C высотой 200-300 мм, проводят поджиганием слоя и подачей дутья воздухом с удельным расходом воздуха 75-150 м/мчас.
3
2
Розжиг нижнего слоя угля, смоченного жидким топливом до образования коксового остатка с температурой 600-800°C высотой 200-300 мм, проводят подачей дутья воздухом, содержащим 1-3% (масс.) озона, с удельным расходом воздуха 100-200 м/мчас.
3
2
На первой стадии удельная подача воздуха - 235 м/(м·ч).
3
2
2
На второй стадии удельная подача воздуха 235 м/(м·ч и перегретого водяного пара температурой 300°C с удельным расходом до 61 кг/(м·ч).
Температура в зоне газификации - 1100-1150°C.
Состав газа (об.%):
2
2
CO=13,8; H=15,6%; CO=16,0%;
4
2
2
CH=2,4%; N=46,5%; HO=5,92%.
Удельная теплота сгорания газа
Содержание углерода в золе - 1,9%.
Пример 2
Использован уголь с добавками.
Уголь готовят к газификации: дробят и смешивают с добавками в соотношении уголь 93%, красная глина 2,5% и известняк 4,5%.
В вертикальный аппарат газификации последовательно разгружают нижний слой угля, смоченного жидким топливом (керосином или дизтопливом), высотой 200-300 мм, верхний слой угля, смоченный жидким топливом, высотой 200-300 мм, на оставшуюся высоту аппарата уголь без жидкого топлива.
3
2
Розжиг верхнего слоя угля, смоченного жидким топливом до образования слоя коксового остатка с температурой 600-800°C высотой 200-300 мм, проводят поджиганием слоя и подачей дутья воздухом с удельным расходом 75-150 м/мчас.
3
2
Розжиг нижнего слоя угля, смоченного жидким топливом до образования коксового остатка с температурой 600-800°C высотой 200-300 мм, проводят подачей дутья воздухом, содержащим 1-3% (масс.) озона, с удельным расходом воздуха 100-200 м/мчас.
Верхний и нижний слои угля в аппарате, высотой 200 мм, были смочены дизтопливом
3
2
2
На первой стадии удельная подача воздуха, содержащего 2% (масс.) озона - 900 м/(м·ч) и перегретого водяного пара температурой 300°C с удельным расходом до 100 кг/мчас.
Состав газа (об.%) на первой стадии:
2
2
CO=27,0; H=14,0%; CO=2,5%;
4
2
2
CH=4,0%; N=45,5%; HO=4,5%.
Удельная теплота сгорания газа .
3
2
2
На второй стадии удельная подача воздуха, содержащего 2% озона - 1700 м/(м·ч) и перегретого водяного пара температурой 300°C с удельным расходом до 450 кг/мчас.
На обеих стадиях температуру верхнего слоя коксового остатка регулировали в диапазоне 600-800°C подачей сжатого воздуха под верхний слой, а температуру зон газификации угля и коксового остатка регулировали в диапазоне 600-800°C подачей пара в дутье.
Состав газа (об.%) на второй стадии:
2
2
CO=30,0; H=18,0%; CO=2,5%;
2
2
N=45,5%; HO=4,5%.
Удельная теплота сгорания газа .
Температура в зоне газификации угля и коксового остатка - 600-800°C. Содержание углерода в золе - 0,34%.
Техническим результатом является разработка способа каталитической газификации угля при температуре зоны газификации 600-800°C для получения горючего газа калорийностью 1350-1550 ккал/кг, не содержащего конденсируемые продукты пиролиза, с тепловой мощностью газификации 10 Гкал/час и более, без спекания и разжижения зоны газификации.