УЛУЧШЕННАЯ ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ
ADVANCED COAL GASIFICATION

Уровень техники изобретения
[0001] Технологии газификации угля в основном классифицируют на три типа: газификаторы с неподвижным слоем, такие как газификаторы, предоставляемые от Lurgi, газификаторы с псевдоожиженным слоем, такие как предоставляемые от UGAS, и газификаторы в параллельном потоке, как предоставляемые от Shell и General Electric. Газификаторы с неподвижным слоем имеют недостатки с точки зрения низкой пропускной способности одного устройства и дорогостоящих систем обработки синтез-газа и воды. Газификаторы с псевдоожиженным слоем имеют проблемы с выгрузкой сухой донной золы, унесенной высоколетучей золой и низкой конверсией углерода. Для газификаторов с параллельном потоком основные дефекты - это узкий диапазон подходящих типов угольного сырья, и размер частиц угля, подаваемых в газификатор, должен быть меньше 75 микрометров. Кроме того, большие количества пара, например, в TPRI газификаторах или других типах газификаторов суспензии, или холодного синтез-газа, такого как в газификаторах Shell, должны быть введены с целью охлаждения, чтобы обеспечить температуру сырого синтез-газа на выпуске из газификатора ниже 950 до 1000°С из-за требований котла-утилизатора ниже по потоку. Это может значительно уменьшить тепловую эффективность процесса газификации.
[0002] Изобретение направлено на преодоление этих ограничений путем объединения технологии газификации угля с нормальным псевдоожиженным слоем и технологии газификации в параллельном потоке для улучшения их работы, эффективности и снижения затрат.
Сущность изобретения
[0003] В одном варианте осуществления изобретения раскрыт газификатор для производства синтез-газа, содержащего верхнюю зону газификации в псевдоожиженном слое в сообщении по текучей среде через сопло Вентури с нижней зоной газификации в параллельном потоке.
[0004] Газификатор имеет стенки с огнеупорной футеровкой в верхней зоне газификации в псевдоожиженном слое и водные мембранные стенки в нижней зоне газификации в параллельном потоке. Две зоны газификации имеют трубки и отверстия, чтобы допустить введение материалов для образования синтез-газа, а именно уголь, мелкие частицы угля и другие реагенты, такие как кислород и пар. В частности, верхняя зона газификации в псевдоожиженном слое имеет впуски, чтобы предоставить введение материалов, выбранных из группы, состоящей из угля, мелких частиц угля, газа и пара, зона газификации в параллельном потоке имеет впуски, чтобы предоставить введение материалов, выбранных из группы, состоящей из угля, мелких частиц угля, газа и пара.
[0005] Две зоны газификации соединены с помощью сопла Вентури, которое имеет диаметр уже, чем обе зоны газификации. Зона газификации в параллельном потоке имеет отверстие в нижней части, чтобы допустить удаление жидкого шлака, в то время как зона газификации в псевдоожиженном слое имеет отверстие в верхней части, чтобы допустить выделение произведенного синтез-газа, а также фракции мелких частиц и других произведенных генераторных газов.
[0006] В другом варианте осуществления изобретения, раскрыт способ производства синтез-газа, содержащий стадии:
a) подачу мелких частиц угля, кислорода и пара одновременно в зону газификации в псевдоожиженном слое и в зону газификации в параллельном потоке;
b) проведение реакции мелких частиц угля в присутствии кислорода с паром с образованием синтез-газа;
c) подачу синтез-газа из зоны газификации в параллельном потоке в зону газификации в псевдоожиженном слое; и
d) выделение синтез-газа из зоны газификации в псевдоожиженном слое.
[0007] Мелкие частицы угля, которые подают в зону газификации в псевдоожиженном слое, являются большими, чем те, которые подают в другую зону, и они по размеру больше чем 75 микрометров. Мелкие частицы угля, подаваемые в зону газификации в параллельном потоке, по размеру меньше чем 75 микрометров.
[0008] Зона газификации в псевдоожиженном слое находится при температуре около 1000°С или ниже температуры деформации угольной золы, в то время как зона газификации в параллельном потоке находится при температуре около 1500°С или выше температуры жидкоплавкого состояния угольной золы.
[0009] Синтез-газ, который производят в обеих зонах газификации, подают через отверстие в верхней части зоны газификации в псевдоожиженном слое при температуре от примерно 900 до 1000°С на первую стадию циклона, который допустит выделение синтез-газа, а также выделение непрореагировавших мелких частиц угля, который может быть возвращен в зону псевдоожиженной газификации.
[0010] Пар вводят в упомянутую зону газификации в параллельном потоке с целью продвижения произведенного синтез-газа в упомянутую зону газификации в псевдоожиженном слое.
[0011] Второй циклон захватит меньшие непрореагировавшие частицы угля, и они возвращаются обратно в зону газификации в параллельном потоке.
[0012] Газификатор и способы по изобретению могут быть использованы в различных областях применения, таких как интегрированный газ комбинированного цикла, превращение угля в химические вещества, производство синтетического природного газа и т.д.
Краткое описание чертежей
[0013] Фигура представляет собой схематическое изображение двухстадийного угольного газификатора согласно изобретению.
Подробное описание чертежей
[0014] Как показано на фигуре, представлен двухстадийный газификатор угля. Зона газификации в псевдоожиженном слое А находится выше зоны газификации в параллельном потоке В, будучи соединенной с соплом Вентури С. Зона газификации в псевдоожиженном слое имеет стенки, которые содержат огнеупорный материал D. Зона газификации в параллельном потоке имеет стенки, которые содержат водную мембранную стенку Е.
[0015] Газификации происходит в обеих зонах так, что частицы угля различных распределений частиц по размерам вступают в контакт с кислородом и/или паром. Полученные продукты включают в себя синтез-газ и измеренное количество двуокиси углерода плюс метан.
[0016] Уголь, имеющий размер частиц менее 75 микрометров, и мелкие частицы угля, рециклированные из двухстадийного циклона, вводят через линию 9 в зону газификации в параллельном потоке В. Обычно уголь транспортируют в азоте или двуокиси углерода. Температуру газификации контролируют на уровне примерно от 1500 до 1600°С выше температуры жидкоплавкого состояния угольной золы. Рабочее давление составляет примерно от 3,0 до 4,0 МПа.
[0017] Пар, который вводят в зону газификации в параллельном потоке В, используют для регулирования температуры газа и скорости потока, поступающего в верхнюю зону газификации в псевдоожиженном слое А. Водная мембранная стенка Е - это, по существу, трубки высокого давления, содержащие воду, которая способствует охлаждению зоны газификации в параллельном потоке В. Пар также генерируют внутри трубок. Трубки снабжены шипами, которые действуют как якоря для тонкого слоя литого огнеупорного материала, которым, как правило, является карбид кремния. Во время работы газификатора литой огнеупорный материал в идеале будет покрыт слоем твердого шлака, над которым жидкий шлак будет проходить до нижней части 10 зоны газификации в параллельном потоке В.
[0018] Горячий синтез-газ, который генерируют, входит в зону газификации в псевдоожиженном слое А через сопло Вентури С, причем локальную температуру выше сопла Вентури С поддерживают приблизительно на уровне температуры размягчения угольной золы. Сопло Вентури С также функционирует как "сортировщик" в том смысле, что собранные вместе частицы угля с более высокой плотностью могли бы упасть в секцию ниже сопла Вентури С и вызвать побочные реакции, таким образом, становясь расплавленным шлаком. Расплавленный шлак будет выходить из зоны газификации в параллельном потоке В через отверстие 10 для быстрого охлаждения.
[0019] Уголь, имеющий больший размер частиц, выше 75 микрометров и ниже 10 миллиметров, подают в плотную фазу секции псевдоожиженного слоя в зоне газификации в псевдоожиженном слое А через линию 1. Газ, обеспечивающий циркуляцию псевдоожиженного слоя, является кислородом и паром. Мелкие частицы угля, собранные после первой стадии циклона (не показан), рециклируют и повторно вводят в зону газификации в псевдоожиженном слое А через линию 2. Ожижающий кислород и пар вводят через линии 3, 4, 5 и 6. Сырой произведенный синтез-газ, которым в первую очередь является водород и монооксид углерода с некоторым присутствием метана в том числе, выйдет из зоны газификации в псевдоожиженном слое А через отверстие 11 на первую стадию циклона. Эта температура реакции синтез-газа находится на уровне температуры от примерно 900 до 1000°С или ниже температуры деформации угольной золы. Расход прореагировавших остатков или угля контролируется посредством сопла Вентури С.
[0020] Зону газификации в псевдоожиженном слое обычно создают с нормальной огнеупорной стенкой, которая состоит из внешнего слоя изоляционных кирпичей, чтобы защитить внешнюю стальную оболочку реактора от высоких температур, и внутреннего слоя более плотных кирпичей, которые могут лучше противостоять высоким температурам и эрозионным условиям внутри газификатора.
[0021] Циклоны, которые используются в способах по настоящему изобретению, подключаются к верхней секции газификатора, зоне газификации в псевдоожиженном слое, через линию 11 и к нижней части газификатора, зоне газификации в параллельном потоке В, через линию 9. Первый циклон захватывает от 98 до 99% мелких частиц угля, перемещающегося в верхней части газификатора через линию 11. Эти мелкие частицы содержат значительные количества углерода, и их рециклируют в зону газификации в псевдоожиженном слое А через линию 2 для вторичных реакций в газификаторе. Второй циклон захватывает остаток мелких частиц угля, имеющий меньший размер частиц, который понизит реактивность при газификации. Эти более мелкие частицы рециклируют в нижнюю часть зоны газификации в параллельном потоке В через линию 9, где их подвергают реакции в более жестких условиях с целью полного сгорания излишнего количества углерода, присутствующего в более мелких частицах угля.
[0022] Преимущества настоящего изобретения включают в себя жидкое шлакоудаление и процедуру быстрого охлаждения, чтобы устранить проблему выгрузки сухой золы газификатора с псевдоожиженным слоем. Шлак может просто быть удален через нижнюю часть 10 зоны газификации в параллельном потоке В. При использовании более широкого диапазона частиц из распределения частиц угля по размерам (PSD), как меньше чем 75 микрометров, так и больше чем 75 микрометров, это снизит потребление угольных измельчителей, а также допустит более широкий диапазон угольного сырья, которое может быть использовано в производстве синтез-газа. Конверсия углерода газификаторов с псевдоожиженным слоем может быть улучшена путем повышения температуры золоудаления. Дополнительно, термический КПД газификатора в параллельном потоке может быть улучшен за счет исключения рецикла холодного синтез-газа или дополнительного пара. Кроме того, количество летучей золы, унесенной из газификаторов с псевдоожиженным слоем, снижается, и с этим было бы меньше затрат на утилизацию.
[0023] Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на конкретные варианты его осуществления, очевидно, что многочисленные другие формы и модификации изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники. Прилагаемая формула изобретения в данном изобретении в целом должна быть истолкована, чтобы охватить все такие очевидные формы и модификации, которые находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.