УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫГРУЗКИ ШЛАКА ИЗ РЕАКТОРА ДЛЯ ГАЗИФИКАЦИИ УГЛЯ
DEVICE TO DISCHARGE SLAG FROM COAL GASIFICATION REACTOR

Изобретение относится к процессу и устройству для удаления шлака, полученного при газификации угля или при производстве синтетического газа. Указанное устройство сконструировано так, чтобы шлак сначала собирался в шлаковой водяной ванне, расположенной в контейнере под давлением. Шлак, выходящий из шлаковой ванны, направляют через транспортный контейнер шлюзового типа и, в результате, он расширяется до пониженного давления. Затем шлак направляют с потоком жидкости с помощью соответствующих устройств, чтобы не допустить нарушений технологического процесса. Настоящее изобретение также относится к процессу получения синтетического газа и беспроблемного удаления шлака из соответствующего процесса.
При производстве синтетического газа из углеродсодержащего топливного материала из процесса необходимо удалять полученные твердые вещества. Этими твердыми веществами являются, например, зола и шлак, которые, как правило, остаются в форме комков и приводят к закупорке труб, клапанов и шлюзовых камер. В документе DE 3144266 A1 описан такой процесс, в котором зола и шлак, полученные в системе газификации, собирают в водяную ванну, которую также именуют шлаковой водяной ванной. Частицы золы и шлака периодически удаляются из системы газификации в форме потока, создаваемого силой тяжести, с помощью транспортного контейнера шлюзового типа, установленного под этой системой. В этом случае устройства шлюзового типа устанавливаются перед транспортным контейнером шлюзового типа и после него, чтобы этот контейнер был изолирован на жидкостной стороне от системы газификации. Когда транспортный контейнер шлюзового типа заполнен шлаком, он также находится под повышенным давлением, поскольку он соединен с газификатором. Для того чтобы предотвратить блокирование верхних клапанов, генерируют направленный вниз водяной поток, содержащий твердые частицы, который пропускают через клапаны. Это делают, отводя воду из верхней части транспортного контейнера шлюзового типа, предпочтительно, используя листовой дефлектор, чтобы разделить выгружаемый поток так, чтобы лишь незначительная часть частиц захватывалась отводимым потоком.
В DE 60031875 Т2 описан процесс удаления шлака, возникающего при производстве синтетического газа. В этом случае между газогенератором и транспортным контейнером шлюзового типа расположен еще один промежуточный контейнер. Когда часть потока воды с низким содержанием твердых частиц отводится из транспортного контейнера шлюзового типа, возникает выброс, поэтому твердые частицы выводятся из промежуточного контейнера и попадают в транспортный контейнер шлюзового типа, таким образом предотвращая образование каких-либо блокирующих кластеров частиц шлака. Транспортный контейнер шлюзового типа, таким образом, должен иметь размеры, позволяющие свободно осаждаться твердым частицам. В идеальной конфигурации промежуточного контейнера устройства установлены так, чтобы создавать частичный поток воды с низким содержанием шлака, что также улучшает осаждение частиц шлака из газификационной системы в промежуточном контейнере.
В ЕР 0290087 А2 описано решение, подходящее для удаления отложений шлака и предотвращения закупорки клапанов, расположенных выше контейнера шлюзового типа, т.е. внутри транспортного контейнера шлюзового типа создают объем газа, давление которого ниже, чем давление в системе газификации. Когда транспортный контейнер шлюзового типа соединен с системой газификации путем открытия верхних клапанов, перепад давления сначала генерирует направленный вниз выброс воды и шлака так, что любая закупорка над верхними клапанами или на верхних клапанах, устраняется. В этом случае объем газа расположен в круглом пространстве в верхней части транспортного контейнера, и это пространство сформировано кожухом контейнера и трубой, входящей в этот контейнер.
Документ DE 102008005704.5 относится к процессу удаления шлака во время производства синтетического газа. Шлак выгружают из реактора для газификации угля и направляют в контейнер для шлака вместе с жидкостью, обычно - с водой. Контейнер для шлака заключен в контейнер, находящийся под давлением. Транспортный контейнер шлюзового типа установлен под контейнером для шлака в направлении действия силы тяжести и отделен от контейнера для шлака клапаном. Этот способ позволяет уменьшать давление шлака, текущего в сборный контейнер. Поток жидкости направляют в круглое пространство, образованное внутри. Поэтому направленная вниз часть потока охлаждающей воды из контейнера для шлака, содержащая некоторое количество шлака, течет в нижнюю часть транспортного контейнера шлюзового типа в противотоке направленному вниз движению шлака. Для усиления охлаждающего эффекта соответствующими внутренними структурами образован ограничивающий канал так, что имеется возможность регулирования охлаждения до температуры менее 100°C и избежать формирования паров во время сброса давления в транспортном контейнере шлюзового типа. Кроме того, объем газа расположен в круглом пространстве под давлением, превышающим давление в контейнере, находящемся под давлением, поэтому соединение транспортного контейнера шлюзового типа с контейнером, находящимся под давлением, приводит к направленному назад выбросу, необходимому для удаления любых сформировавшихся закупоривающих кластеров шлака.
В документе DE 102006040077 А1 также описан процесс удаления шлака, сформировавшегося при производстве синтетического газа. Шлак выгружается из реактора для газификации угля и направляется в контейнер для шлака, заполненный жидкостью. Транспортный контейнер шлюзового типа расположен в направлении действия силы тяжести под контейнером для шлака и отделен от него клапаном для выгрузки шлака. Часть потока жидкости отводится от транспортного контейнера шлюзового типа и направляется в контейнер, находящийся под давлением, чтобы удалить любые отложения или пробки из этой зоны. На эскизе, приложенном к документу DE 102006040077 А1, показано, что это поток жидкости отбирается в той точке контейнера, где низка концентрация шлака, чтобы предотвратить захват потоком больших кусков шлака. Охлаждающая вода, подаваемая в нижнюю часть сборного контейнера, заставляет часть охлаждающей воды подниматься по сборному контейнеру так, что слежавшийся шлак разрыхляется и требуемое охлаждение достигает контейнера, в котором происходит расширение. Охлаждение шлака и наличие воды в контейнере необходимы для предотвращения образования паров при снижении давления. Период времени, необходимый для выполнения этой задачи, зависит, помимо прочего, от объема шлака и воды в транспортном контейнере шлюзового типа.
Процессы, описанные выше, обладают недостатками. Меры, предпринимаемые для избежания аварий при выгрузке шлака и для освобождения закупорки, требуют большого количества омертвленного объема в заполненном водой контейнере, который, следовательно, не может использоваться для складирования шлака. Мертвый объем, полученный в описанных процессах, может достигать 50% от общего объема. Контейнеры должны иметь завышенный размер, что влечет дополнительные издержки на изготовление таких транспортных контейнеров шлюзового типа, и, кроме того, необходимы дополнительные площади для интегрирования их с оборудованием предприятия. Кроме того, большой запас воды относительно количества шлака фактически создает реальную нагрузку на расположенные ниже по потоку установки. Дополнительно, оперативная гибкость установок ограничивается, так как мертвый объем, насыщенный водой, также нужно охлаждать. На это требуется дополнительное время, что приводит к увеличению интервалов рабочего цикла транспортного контейнера шлюзового типа. Кстати, описанные выше процессы просто позволяют осуществлять неопределенное сепарирование крупных и мелких частиц во время выгрузки жидкого потока из транспортного контейнера шлюзового типа. Более крупные частицы, случайно захваченные выпускаемым потоком жидкости, могут привести к повышенному износу последующего оборудования, например трубопроводов и насосов, и, в худшем случае, могут привести к остановке всего предприятия. Кроме того, нежелательно одновременно выгружать мелкие частицы, несущие частицы углерода, и более крупные частицы шлака. Наоборот, общепринятая практика заключается в том, чтобы удалять мелкие частицы из потока жидкости на отдельной операции фильтрования или сепарирования и возвращать их в процесс.
Следовательно, целью настоящего изобретения является создание процесса и устройства, которые пригодны для непрерывного удаления шлака, полученного при производстве синтетического газа, и для минимизации накопления бесполезного шлака в транспортном контейнере шлюзового типа, и для достижения высокой точности сепарирования мелких и крупных частиц.
Эти цели настоящего изобретения достигаются с помощью процесса и устройства, которые соответствуют критериям и обладают отличительными признаками по п.13 формулы изобретения.
В зависимых пунктах формулы описаны преимущественные варианты пунктов формулы.
Технологическим решением этой задачи является процесс удаления горячего шлака, образовавшегося, в частности, при газификации угля и производстве синтетического газа, т.е. из шлаковой водяной ванны, расположенной в контейнере, находящемся под давлением, в один или множество транспортных контейнеров шлюзового типа, предназначенных для шлака и расположенных в направлении гравитационного потока под шлаковой водяной ванной, при этом под шлаковой ванной установлено дробильное устройство и/или устройство для объемного хранения шлака,
отличающийся тем, что
поддерживают поток шлака и жидкости из шлаковой ванны в транспортный контейнер шлюзового типа, и
протекающую вниз суспензию шлака-жидкости реверсируют в транспортном контейнере шлюзового типа, и
реверсированный поток предпочтительно направляют вверх, частично или полностью, в круглое пространство, предпочтительное в данном случае и образованное стенкой кожуха и реверсирующим устройством, и
реверсированный поток гомогенизируют на части или на всей поперечной поверхности промежуточной камеры, и
реверсирование суспензии шлака-жидкости и гомогенизация потока в промежуточной камере позволяют осуществлять частичное или полное сепарирование частиц в соответствии с размером или плотностью зерен, при этом более крупные частицы осаждаются в транспортном контейнере шлюзового типа, а мелкие частицы захватываются реверсированным потоком и выводятся из контейнера.
Предпочтительным способом осуществления процесса является направление всего или части реверсированного потока вверх в промежуточную камеру или, предпочтительно, круглое пространство. Перед выгрузкой предпочтительно гомогенизировать выводимый поток. Это можно делать в любом удобном месте или положении. Для этого выводимый поток гомогенизируют, например, внутрикорпусными устройствами или фильерными пластинами. Полезным способом отвода потока выводимой жидкости из верхней части контейнера является использование насоса и возврат этого потока прямо или косвенно в газификатор. В качестве варианта, выводимый поток жидкости и поток, выходящий из газификатора, можно выводить одновременно и тем самым расширять до более низкого давления.
Поток отбираемой жидкости легко можно расширить до более низкого давления в верхней зоне транспортного контейнера. Отбор также можно осуществлять в этой зоне транспортного контейнера с помощью насоса. Этот поток отбираемой жидкости можно направить по контуру, принадлежащему к контейнеру газификационной установки, находящемуся под давлением, что означает, что можно предотвратить образование существенного мертвого объема в транспортном контейнере шлюзового типа.
Еще одно преимущество дает подача потока жидкости, несущего шлак, по трубе в транспортный контейнер шлюзового типа, при этом труба входит в транспортный контейнер. Этот транспортный контейнер также служит для реверсирования потока. Для этого шлак подают в этот контейнер по трубе, входящей в транспортный контейнер шлюзового типа.
Другое преимущество дает подача потока жидкости в данном случае предпочтительно хладагента, в нижнюю часть этого контейнера. Конкретное преимущество можно получить, если соответствующие части потока жидкости, несущего шлак, потока хладагента и выводимого потока регулируют так, чтобы хладагент создавал в контейнере поток, направленный вверх, а шлак одновременно опускался вниз в противотоке. Это улучшает охлаждение шлака и сепарирование крупных и мелких частиц.
Согласно одному варианту изобретения предлагается подавать поток жидкости в нижнюю часть транспортного контейнера и отбирать жидкость из верхней части транспортного контейнера так, чтобы создавать направленный вверх поток жидкости и направленный вниз поток шлака. Это улучшает сепарирование частиц шлака и теплообмен между горячим шлаком и хладагентом.
Другое преимущество можно получить, если жидкость в транспортном контейнере шлюзового типа контактирует с объемом газа, расположенным в отдельном сборном контейнере, находящемся под давлением предпочтительно выше, чем давление системы газификации, и соединенным с транспортным контейнером шлюзового типа особым трубопроводом. Таким образом, давление объема газа можно повысить до уровня, превышающего давление в газификаторе.
Объем газа можно использовать для генерирования направленного назад ударного выброса в момент, когда транспортный контейнер шлюзового типа соединяют с системой газификации, для удаления любых пробок или закупорок. Кроме того, объем газа можно использовать для замещения горячей воды, остающейся в верхней части транспортного контейнера шлюзового типа после заполнения, выбросом холодной воды. Особенно полезным способом является изоляция отдельного контейнера от транспортного контейнера шлюзового типа соответствующими клапанами так, чтобы период времени, необходимого на сброс давления, можно было резко сократить, поскольку объем газа не требует расширения.
Отдельный пункт формулы относится к устройству для удаления горячего шлака, образовавшегося при газификации угля или при производстве синтетического газа, например, из шлаковой водяной ванны, расположенной в контейнере, находящемся под давлением, в один или более транспортных контейнеров шлюзового типа, предназначенных для шлака и расположенных в направлении действия силы тяжести под шлаковой водяной ванной, при этом под шлаковой водяной ванной расположено дробильное устройство и/или устройство для разрыхления шлака, при этом из шлаковой ванны в транспортный контейнер шлюзового типа направлен поток жидкости, содержащей шлак, при этом из верхней части транспортного контейнера шлюзового типа отбирают по меньшей мере часть потока жидкости,
отличающемуся тем, что
транспортный контейнер шлюзового типа содержит одну верхнюю и одну нижнюю цилиндрические секции;
верхняя цилиндрическая секция имеет диаметр меньший, чем диаметр нижней цилиндрической секции, предпочтительно в диапазоне от 0,15 до 0,8 от величины [диаметра] нижней цилиндрической секции/верхняя и нижняя цилиндрические секции соединены конусным соединением;
конусное соединение имеет угол конуса, приблизительно равный углу естественного откоса шлака, в диапазоне от 30° до 60°, предпочтительно 45° к горизонтали.
Согласно одному варианту настоящего изобретения транспортный контейнер шлюзового типа состоит из двух заранее изготовленных цилиндрических деталей разного диаметра, при этом нижняя деталь имеет больший диаметр, чем верхняя деталь и эти две детали соединены друг с другом усеченным конусом, сходящимся вверх. В этом варианте подающий контейнер соединен с транспортным контейнером системой труб. Подающий контейнер частично заполнен водой и удерживает объем газа, который контактирует с поверхностью жидкости.
Верхняя цилиндрическая секция транспортного контейнера имеет диаметр, меньший, чем диаметр нижней секции. Диаметр верхней цилиндрической секции предпочтительно составляет предпочтительно в диапазоне от 0,15 до 0,8 от величины [диаметра] нижней цилиндрической секции. Коническая секция образует конус и имеет особую преимущественную конструкцию, т.е., угол приблизительно 45°, аналогичный углу естественного откоса шлака относительно горизонтали.
Особое преимущество может быть получено, если поток выводимой жидкости реверсировать в верхней секции транспортного контейнера шлюзового типа, гомогенизировать внутренними приспособлениями и, наконец, вывести. Для этого устройство содержит внутренние приспособления, расположенные в верхней зоне верхней цилиндрической секции, чтобы отводить или выводить поток жидкости. Этот способ позволяет отделить зону для сбора шлака от зоны охлаждения и сепарирования частиц шлака, а также удаления потока жидкости. Полезный объем собираемого шлака можно увеличить более чем на 85%.
Предпочтительный вариант настоящего изобретения охватывает устройство для удаления жидкого потока по настоящему изобретению и содержащее клапана для сброса давления. Согласно другому варианту, транспортный контейнер шлюзового типа оснащен устройством, позволяющим реверсировать поток жидкости в транспортном контейнере.
В еще одном варианте настоящего изобретения транспортный контейнер шлюзового типа оснащен кольцевым трубопроводом и насосом, что позволяет выполнять кольцевой цикл между транспортным контейнером и реактором для газификации угля. Согласно другому предпочтительному варианту устройство по настоящему изобретению охватывает отдельный контейнер, соединенный с транспортным контейнером системой труб. Таким образом, транспортный контейнер можно упростить и сделать более дешевым. Отдельный контейнер или трубопровод, принадлежащий транспортному контейнеру, предпочтительно оснащен клапанами так, чтобы транспортный контейнер можно было изолировать от отдельного контейнера. Согласно другому варианту настоящего изобретения контейнер для шлака имеет трубу, выходящую из него и образующую переход в транспортный контейнер для подачи в него шлака.
Подающий контейнер необходим для хранения воды и поддержания давления так, чтобы в транспортном контейнере не требовалось создавать круглого пространства, в котором обычно имеется объем газа для устранения каких-либо препятствий. В этом случае можно преимущественно выполнять функцию а/м, загружая контейнер так, чтобы не требовалось оставлять мертвого объема для газа в транспортном контейнере. Дополнительным преимуществом такой конструкции является то, что клапаны, установленные между транспортным контейнером и загрузочным контейнером, позволяют изолировать объем газа от транспортного контейнера шлюзового типа. Кроме того, такое решение также дает преимущество, заключающееся в том, что объем газа в загрузочном контейнере не требует расширения во время сброса давления в транспортном контейнере. Кроме того, запас воды можно использовать вместе с объемом газа в загрузочном контейнере не только для устранения любых пробок и закупорок в начале цикла транспортировки, но и для быстрой и эффективной замены горячей воды в верхней части на холодную воду в конце цикла накопления.
Синтетический газ можно производить, например, процессом газификации угля. Реакция газификации угля происходит в контейнере, находящемся под давлением и охватывающем реактор для газификации угля, подающие устройства для сырья и выгружающие устройства для полученного газа и твердых остатков. Обычной практикой является выгрузка твердых остатков потоком, движущимся из реактора под действием силы тяжести, что требует установки после газификатора устройств для сепарирования твердых остатков от синтетического газа, охлаждения и вывода полученного синтетического газа, а также устройства для сбора и удаления горячего шлака и частиц золы. Таким устройством обычно является шлаковая водяная ванна, соединенная с транспортным контейнером шлюзового типа в направлении потока, создаваемого силой тяжести. После транспортного контейнера шлюзового типа установлены устройства для очистки, осушения и выгрузки шлака. Для беспроблемной выгрузки шлака из шлаковой водяной ванны в транспортный контейнер шлюзового типа поддерживают непрерывный водяной поток, содержащий шлак, с помощью отводной линии от подсоединенного транспортного контейнера. Для этого несущий шлак поток воды, направленный вниз, частично или полностью реверсируют в транспортном контейнере шлюзового типа и затем поток движется предпочтительно вверх в промежуточную камеру, сформированную соответствующим участком кожуха и реверсирующими внутренними устройствами. Перед выводом потока воды из транспортного контейнера шлюзового типа, например, на верхнем конце промежуточной камеры с помощью соответствующих внутренних устройств, предпочтительно фильерных плит, этот поток гомогенизируют на части или на всей площади поперечного сечения промежуточной камеры. По сравнению с другими процессами такого типа гомогенизация потока позволяет существенно уменьшить площадь поверхности поперечного сечения и высоту промежуточной камеры и повысить точность сепарирования мелких частиц от более крупных частиц.
Транспортных контейнеров шлюзового типа может быть множество. Согласно варианту настоящего изобретения для сбора шлака используют два или три транспортных контейнера, включая распределительный элемент в форме плоского дна, сферического шара или горизонтального цилиндра, и этот элемент соединен с выходом газификатора и друг с другом через клапаны, трубопроводы и/или температурные компенсаторы. Фиксирующие элементы, необходимые для транспортных контейнеров, могут быть выполнены как элементы подвески или опорные элементы в цилиндрической или конической секции контейнера для сбора шлака, с захватами или кольцевыми опорами кожуха и/или пружинными элементами постоянного типа, что является стандартной практикой в технологии изготовления стальных конструкций или технических бетонных сооружений.
Существует возможность использования двух или более транспортных контейнеров шлюзового типа с двумя или более выходами газификатора с соединением через клапаны, трубопроводы и/или температурные компенсаторы. Крепежные элементы, необходимые для транспортных контейнеров, могут быть выполнены как элементы подвески или опорные элементы в цилиндрической или конической секции контейнера для сбора шлака, с захватами или кольцевыми опорами кожуха и/или пружинными элементами постоянного типа, что является стандартной практикой в технологии изготовления стальных конструкций или технических бетонных сооружений.
Устройство по настоящему изобретению также относится к узлам, необходимым для работы установки по газификации угля, сборного контейнера и системы удаления шлака. К таким узлам относятся, например, клапаны, насосы, термопары, нагреватели и охлаждающие устройства, если они используются.
Процесс удаления шлака из процесса производства синтетического газа в особенности относится к газификации угля. Однако описанный выше процесс может применяться и в других технологических процессах, в которых удаление шлака осуществляется под действием силы тяжести и в которых шлак не должен закупоривать клапаны или другое технологическое оборудование.
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на приложенный чертеж. Следует отметить, что процесс по настоящему изобретению не ограничен вариантами, описанными в настоящем документе.
На фиг.1 показан вариант транспортного контейнера 1 шлюзового типа для реактора 2а газификации угля, расположенный в направлении действия силы тяжести под водяной шлаковой ванной 2 реактора 2а газификации угля. Удаление шлака из шлаковой ванны 2, которое регулируется выпускной линией 3 и клапаном 4, приводит к падению давления в шлаке. Сборный контейнер 1 полностью заполнен водой и содержит две заранее изготовленные цилиндрические секции - одну верхнюю секцию 1а и одну нижнюю секцию 1b. Эти две цилиндрические секции соединены друг с другом заранее изготовленной конической секцией 1с. Подающий контейнер 5 для жидкости, расположенный над водяной ванной, оснащен линией 5а высокого давления для подъема давления в газовой камере. Сборный контейнер 1 опорожняется под действием силы тяжести через клапан 7. Шлак 8 скапливается в этом сборном контейнере 1. Нижняя секция сборного контейнера 1 содержит питатель 6а для охлаждающей жидкости. Верхняя секция сборного контейнера 1 имеет выпускную линию 6b для жидкости с низким содержанием твердых частиц. Верхняя секция сборного контейнера 1 содержит устройство 9 для гомогенизации потока жидкости. Вместо круглого пространства с объемом газа в этом варианте имеется питающий контейнер 5, заполненный жидкостью и содержащий газовую камеру 5b.
Позиции на чертеже
1 - транспортный контейнер шлюзового типа;
1a - верхняя цилиндрическая секция транспортного контейнера шлюзового типа;
b - нижняя цилиндрическая секция транспортного контейнера шлюзового типа;
1с - конус;
2 - шлаковая (водяная) ванна реактора газификации угля;
2а - контейнер высокого давления для реакции газификации угля;
3 - выпускная линия для удаления шлака из реактора газификации угля;
5 - контейнер подачи охлаждающей жидкости;
5b - газовая камера питающего контейнера;
6а - сторона подачи охлаждающей жидкости;
6b - линия выпуска;
6с - направленный вверх поток жидкости в сборном контейнере;
7 - линия выгрузки шлака;
8 - рыхлый шлак в сборном контейнере;
9 - устройство для гомогенизации массового потока.