УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА
INSTALLATION FOR GENERATION GAS PRODUCTION

Изобретение относится к оборудованию для получения высококачественных водоугольных топливных смесей и переработки их в генераторный газ, который может быть использован для замещения мазутного топлива котлоагрегатов энергетических установок.
Известно устройство для получения генераторного газа, содержащее газогенератор с газоотводящим каналом в его верхней части и шлакосборником в нижней части, циклон для очистки полученного в газогенераторе генераторного газа от пыли, подсоединенный своим входом к выходу газоотводящего канала, а выходом для отвода пыли - к внутренней полости газогенератора. Устройство также содержит первую и вторую муфельные печи, тангенциально соединенные своими выходами с внутренней полостью газогенератора, компрессор, подсоединенный своим выходом к первым входам муфельных печей, первый насос, подсоединенный своим выходом ко вторым входам муфельных печей, узел разложения водной составляющей топливоводяной смеси на водород и кислород, подсоединенный своим выходом к входу первого насоса, второй насос, подсоединенный своим выходом к входу узла разложения водной составляющей топливоводяной смеси на водород и кислород, узел подготовки топливоводяной смеси с использованием в качестве компонента твердого топлива измельченного угля.
В процессе работы устройства в узел подготовки топливоводяной смеси подают необходимое количество воды и топливный компонент (измельченный уголь), после чего компоненты перемешивают и получают топливоводяную смесь в виде суспензии, которую насосом перекачивают в узел разложения водной составляющей топливоводяной смеси на водород и кислород. Узел разложения водной составляющей топливоводяной смеси на водород и кислород разлагает под действием электрического тока необходимую часть водной составляющей топливоводяной смеси на водород и кислород, а затем полученную таким образом насыщенную водородом и кислородом топливосодержащую смесь под давлением впрыскивают в первую и вторую муфельные печи, предварительно разогретые до рабочей температуры устройствами нагрева, например плазмотронами, входящими в состав муфельных печей, в которых при одновременной подаче, в случае необходимости, в их внутренние полости воздуха от компрессора, насыщенная водородом и кислородом топливосодержащая смесь загорается. При этом часть смеси расходуется на создание и поддержание необходимой рабочей температуры 1100-1200 К. Разогретая в муфельных печах топливосодержащая смесь поступает через тангенциальные выходы с двух противоположных сторон в камеру основной газификации газогенератора. В результате формируется вихревая структура и продукты газификации с оставшимся топливом поступают поочередно в камеры окончательной газификации газогенератора, где, в случае необходимости, могут перемешиваться с частицами катализатора и активного наполнителя. При этом происходит отделение вредных примесей (серы, мышьяка и других соединений) и заканчиваются конверсионные процессы образования генераторного газа. Генераторный газ, вместе со смесью наполнителя и катализатора, подается в циклон, где очищается от несгоревших компонентов и золы и возвращает их в соответствующие камеры газогенератора, а очищенный генераторный газ поступает потребителю. Шлак, образовавшийся в процессе газификации внутри газогенератора, поступает в шлакосборник и удаляется.
(См. патент РФ №2242502, кл. C10J 3/46, 2004 г.)
В результате анализа известного решения необходимо отметить, что его конструктивное решение не обеспечивает гарантированного измельчения всей твердой фазы суспензии до заданных мелкодисперсных размеров ее фрагментов, кроме того, известное устройство не обеспечивает качественной механохимической активации суспензии, а также оптимального соотношения ее твердой и жидкой фаз перед подачей в газогенератор. Все это снижает качество получаемой суспензии, а следовательно, получаемого из нее генераторного газа, который обладает невысокой теплотворной способностью.
Известна установка для газификации угля с получением генераторного газа, включающая последовательно соединенные узел подачи угля, устройство дробления угля и устройство термообработки дробленого угля. Установка также содержит устройство приготовления водоугольной суспензии, соединенное с прямоточным газогенератором, из которого газогенераторный газ поступает в устройство для выработки пара и нагрева воздуха, соединенное с устройством для получения электроэнергии, которое может быть выполнено, например, в виде блочного парового турбогенератора.
Устройство для выработки пара и нагрева воздуха выполнено в виде котла-утилизатора и соединено с рукавным фильтром, выполненным с возможностью очистки генераторного газа от твердых частиц в сухом виде за счет охлаждения генераторного газа в котле-утилизаторе и отсутствия жидкого газопромывателя. Рукавный фильтр соединен с блоком утилизации твердых продуктов и устройством абсорбции диоксида углерода и сероводорода. Установка также содержит топочное устройство, соединенное с устройством термообработки и сушки угля. Топочное устройство также соединено с котлом-утилизатором. Компрессор предназначен для подачи сжатого воздуха в прямоточный газогенератор при получении генераторного газа. Котел-утилизатор и устройство термообработки угля (вихревая сушка) соединены с теплообменником, предназначенным для утилизации тепла дымовых газов, выходящих из устройства термообработки угля. Утилизированное тепло теплообменника используется для нагрева воздуха, поступающего в котел-утилизатор.
В процессе работы установки рядовой бурый уголь транспортером подают в щековую, а затем в молотковую часть устройства дробления, где происходит его дробление и классификация до крупности менее 5 мм. Из молотковой дробилки дробленый уголь подается на установку термообработки - вихревую сушку, в которой у дробленого угля снижается влажность до 3%. Вихревую сушку осуществляют горячими газообразными продуктами сгорания, получаемыми в отдельном топочном устройстве, в котором сжигается часть исходного бурого угля. В результате получают тонкодисперсные твердые частицы угля размером 1-3 мкм, из которых в устройстве приготовления водоугольной суспензии, при подаче воды, получают водоугольную суспензию с содержанием твердых частиц 60%.
2
2
Полученную тонкодисперсную водоугольную суспензию (ТВУС) подвергают механохимическому воздействию, что обеспечивает ее стабильность и предотвращает от расслаивания. Готовое топливо направляют в накопительную емкость, из которой оно насосами через горелки и форсунки подается в прямоточный газогенератор, в который компрессором подается сжатый воздух. В прямоточном газогенераторе, оборудованном комплектом с высокочастотной однополярной плазмой, осуществляется воспламенение, генераторный газ поступает в котел-утилизатор, в котором его тепло используют для выработки пара, а шлак направляют на утилизацию. Для утилизации тепла и охлаждения генераторного газа котел-утилизатор выдает пар, направляемый в устройство генерирования электроэнергии, и нагретый воздух, подаваемый в топочное устройство для получения газообразных продуктов и сушки бурого угля. Сгенерированный в котле-утилизаторе пар с давлением до 3 МПа и температурой до 300°C используют для получения электроэнергии, например, в блочном паровом турбогенераторе, мощностью до 6 МВт или тепловой мощностью до 20 МВт. Охлажденный за счет утилизации тепла в котле-утилизаторе генераторный газ с температурой 150°C поступает в рукавный фильтр, в котором производится его очистка от твердых частиц золы-уноса (твердых побочных продуктов газификации углей) в сухом виде, что упрощает технологию их утилизации. Уловленные в рукавном фильтре твердые частицы направляются в блок утилизации твердых продуктов. Очищенный в рукавном фильтре от твердых частиц генераторный газ поступает в устройство абсорбции (абсорбционную колонну) для очистки от HS и CO. Очищенный генераторный газ поступает на использование, например на сжигание в газотурбинной энергетической установке.
(См. патент РФ на полезную модель №94574, C10J 3/04, 2010 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа выполнения известной установки необходимо отметить, что недостаточно качественное перемешивание топлива с водой и реагентом перед подачей в устройство для получения ТВУС, а также недостаточно качественное измельчение твердого компонента ТВУС не позволяют при ее газификации получить генераторный газ высокого качества. Кроме того, используемое для очистки генераторного газа оборудование не позволяет осуществить качественную его очистку от вредных компонентов, что приводит к наличию в полученном генераторном газе минеральных балластных включений. Весьма также важно, что недостаточная активация твердого и жидкого компонентов ТВУС не позволяет ей сохранять свои свойства длительное время в накопительной емкости, поэтому в газогенератор на газификацию зачастую подается ТВУС, в значительной степени потерявшая свои свойства.
Техническим результатом настоящего изобретения является разработка конструкции установки, обеспечивающей получение генераторного газа высокого качества за счет обеспечения его очистки от твердых примесей и от вредных газообразных компонентов, а также за счет обеспечения работы узлов и агрегатов установки на оптимальных режимах.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в установке для получения генераторного газа, содержащей приемный бункер для угля, устройство приготовления тонкодисперсной водоугольной суспензии, газогенератор, предназначенный для получения из приготовленной тонкодисперсной водоугольной суспензии генераторного газа, охладитель, новым является то, что приемный бункер связан через питатель с измельчителем, к входам которого также подведены линии дозированной подачи воды и реагентов, установка снабжена одной или несколькими расходными емкостями для хранения и выдачи приготовленной тонкодисперсной водоугольной суспензии, а также последовательно соединенными гидроциклоном и смесителем-измельчителем, вход гидроциклона связан с выходом измельчителя, выход смесителя-измельчителя соединен с первым входом устройства для приготовления тонкодисперсной водоугольной суспензии, выход которого связан с расходными емкостями, связанными выходами с газогенератором, выходы расходных емкостей дополнительно связаны со вторым входом устройства для приготовления тонкодисперсной водоугольной суспензии, при этом установка дополнительно оснащена двумя последовательно соединенными градиентными сепараторами, тремя дымососами и динамическим фильтром, выход газогенератора через охладитель связан с входом первого градиентного сепаратора, один их выходов которого связан с первым дымососом, предназначенным для отвода отделенных от генераторного газа вредных газовых компонентов, один из выходов второго градиентного сепаратора связан с динамическим фильтром, выход которого связан с входом второго дымососа, при этом выходы второго градиентного сепаратора и второго дымососа связаны с входами третьего дымососа, имеющего выход для отвода генераторного газа.
Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления изобретения.
Сущность заявленного изобретения поясняется графическими материалами, на которых представлена схема установки для получения генераторного газа.
Установка для получения генераторного газа содержит приемный бункер 1 с питателем 2 (например, шлюзовым) для угля. Установка также содержит емкость 3 для реагента и емкость 4 для воды.
Выход питателя 2 связан с первым входом измельчителя 5. В качестве измельчителя может быть использована стандартная молотковая дробилка или, что более предпочтительно, параболическая виброимпульсная мельница. Конструкция такой мельницы является стандартной.
Выходы емкостей 3 и 4 подключены к дозаторам (позициями не обозначены). Выходы дозаторов гидравлическими линиями связаны со вторым и третьим входами измельчителя 5.
Выход измельчителя 5 через первый насос (например, песковый) 6 связан с гидроциклоном 7.
Первый выход гидроциклона связан с входом емкости 4, а второй - с входом смесителя-измельчителя 8 для получения гидропомола. Выход смесителя-измельчителя 8 через второй насос (например, песковый) 9 связан с первым входом устройства 10 для получения ТВУС, например, кавитатора гидроударного. Выход кавитатора гидроударного 10 связан с одной или несколькими расходными емкостями 11 для сбора и выдачи полученной ТВУС в линию выдачи ТВУС, в которой установлен насос 12 (например, винтовой). Расходные емкости оснащены дополнительными выходами, подведенными ко второму входу кавитатора гидроударного 10.
Установка оснащена газогенератором 14, например, прямоточно-вихревым, к первому входу которого подведен выход насоса 12, а ко второму входу - выход воздушного компрессора 13.
Выход газогенератора 14 связан с первым входом охладителя 15 (например, водяным), ко второму входу которого подведен канал подачи охлаждающей воды.
Выход охладителя 15 связан со свечой 16 и с входом первого градиентного сепаратора 17, первый выход которого связан с первым дымососом 18, а второй - с входом второго градиентного сепаратора 19, первый выход которого связан с динамическим фильтром 20, первый выход которого связан с входом второго дымососа 21, связанного со вторым входом третьего дымососа 22, с первым входом которого связан второй выход второго градиентного сепаратора 19. Для отвода зоны-уноса в градиентном сепараторе 19 предусмотрен зольный выход. Второй выход динамического фильтра 20 предназначен для отвода золы. Выход дымососа 22 предназначен для отвода полученного генераторного газа и может быть связан, например, с котлоагрегатом энергетической установки (не показана).
Конкретное конструктивное выполнение агрегатов и узлов установки, не указанное в материалах заявки, а также ее транспортирующие системы являются известными, они не составляют предмета патентной охраны и поэтому в материалах настоящей заявки не раскрыты. Естественно, что для транспортировки компонентов и их смеси в процессе получения ТВУС и генераторного газа в установке используются насосы, трубопроводы и прочая арматура, выполнение которых также известно.
Установка для получения генераторного газа функционирует следующим образом.
Работа установки может быть осуществлена как в ручном, так и в автоматическом режиме.
В приемный бункер 1 загружают предварительно измельченный до заданной крупности уголь. Весьма перспективным сырьем для получения целевого продукта (генераторного газа) высокого качества является обогащенный термообработанный измельченный бурый уголь.
Из бункера 1 питателем 2 уголь дозированно подается на измельчение в измельчитель 5 - параболическую виброимпульсную мельницу. Одновременно в мельницу 5 из емкостей 3 и 4 дозированно подаются вода и технологическая добавка - реагент, например разжижитель-стабилизатор. Для устойчивой работы измельчителя 5 содержание твердой фазы должно быть в пределах 50% от общей массы загружаемых в него компонентов.
В параболической виброимпульсной мельнице осуществляется измельчение угля и перемешивание его с водой и разжижителем-стабилизатором. В результате на выходе мельницы 5 получается водоугольная суспензия. Кинетика мокрого измельчения угля в параболических вибромипульсных мельницах аналогична процессам дезинтеграции, происходящим в барабанной шаровой мельнице, только со значительным снижением затрат электроэнергии (до 10 раз) и сокращением износа (в 20-30 раз) мелющих тел. Использование в качестве измельчителя именно параболической виброимпульсной мельницы предоставляет широкие возможности для управления выходными параметрами измельчаемого материала на основе варьирования амплитуды и частоты колебаний, времени нахождения измельчаемого материала в помольной камере и т.д. Это дает возможность разработки гибких, легко настраиваемых схем мокрого измельчения, обеспечивающих получение водоугольной суспензии с заданным гранулометрическим составом. Реализуемый в таких мельницах механизм измельчения твердых материалов обеспечивает высокую вероятность того, что практически все без исключения частицы, за время нахождения в помольной камере, подвергнутся динамическому воздействию со стороны мелющих тел.
Как показывают исследования, на выходе параболической виброимпульсной мельницы, например МВ-0,05, присутствует очень малый процент крупных частиц угля, размер которых соизмерим с их входными размерами. Наличие таких частиц в водоугольной суспензии весьма нежелательно, поскольку их присутствие повышает недожог угля и снижает эффективность применения данного топлива, то есть снижает его качество. На параболических виброимпульсных мельницах получают стабильные водоугольные суспензии со средними размерами частиц измельченного угля в пределах 1 мкм.
Введение в водоугольные суспензии разжижающих присадок существенно улучшает их текучесть, что выражается в значительном снижении (более чем, в 10 раз) консистентности. В качестве таковых могут быть использованы стандартные присадки (УЩР, в количестве 1%, ЛСТ, в количестве 1%). Это дает также возможность повысить на 3-5% содержание в суспензии твердой фазы, при сохранении допустимой для ТВУС текучести. Для повышения стабилизирующих характеристик суспензии возможно добавление стабилизирующих компонентов (бентонит, бишофит) в количестве 0,5-1,0%.
Из измельчителя 5 полученная суспензия первым насосом 6 подается в гидроциклон 7. Гидроциклон 7 - это стандартный агрегат, в котором за счет действия центробежных сил обеспечивается путем отбора жидкой фазы и направления ее в емкость 4, заданное соотношение твердой и жидкой фаз суспензии (оптимальное соотношение: 60% твердая фаза и 40% жидкая). Контроль состояния суспензии обеспечивается датчиками плотности, установленными на линиях подачи суспензии в гидроциклон и выхода из него.
Имеющая оптимальное соотношение твердой и жидкой фаз суспензия подается от циклона 7 на смеситель-измельчитель 8, в котором осуществляется гидропомол полученного в измельчителе 5 и оптимизированного в гидроциклоне 7 полуфабриката. В смесителе-измельчителе 8 твердая фаза суспензии дополнительно измельчается и качественно перемешивается с водой и разжижителем-стабилизатором. В качестве смесителя-измельчителя 8 может быть использован стандартный измельчитель ИГП 5.
Из смесителя-измельчителя 8 суспензия вторым насосом 9 подается в устройство для получения ТВУС - кавитатор гидроударный 10, в котором происходит тонкодисперсное доизмельчение твердой фазы и ее механохимическая активация.
В кавитаторе гидроударном измельчение осуществляется посредством ударно-скалывающих воздействий на частицы угля, которые разбиваются на осколки с одновременной их деформацией. Деформация обуславливает появление на этих частицах механических и термических напряжений, электростатических полей и приводит к увеличению химической активности на наружной поверхности и в порах твердых частиц. Увеличение внутренней энергии частиц за счет этих явлений, вызванных спецификой их измельчения, составляют от 10 до 30% от энергии удара. При таком измельчении в суспензии образуется большое количество высокореакционно-способных радикальных частиц.
При обработке водоугольной суспензии в кавитаторе гидроударном можно выделить три фазы, отличающихся характером изменения физико-химических параметров водоугольной суспензии и свойствами дисперсной фазы:
- кавитационное разрушение до размеров 100 мкм, гомогенизация и первичное диспергирование дисперсной фазы (средняя продолжительность фазы 5-10 мин);
- основная фаза диспергирования - активация поверхностных физико-химических свойств дисперсной фазы, увеличение выхода ультрадисперсной фазы и, соответственно, увеличение объема осадка, возрастание структурно-механического барьера, седиментационной устойчивости суспензии (средняя продолжительность фазы 20-30 мин);
- уменьшение агрегативной и седиментационной устойчивости ТВУС при достижении критического значения степени диспергирования и концентрации дисперсной фазы (средняя продолжительность фазы 10-20 мин).
Таким образом, в результате кавитационной обработки суспензии получаем активированную метастабильную мелкодисперсную среду. Кроме того, кавитацитонные аппараты обладают малой металлоемкостью, высокой производительностью и низким энергопотреблением. С выхода кавитатора гидроударного полученная ТВУС подается в расходные емкости 11, из которых посредством винтового насоса 12 направляется в газогенератор 14 для получения генераторного газа.
В случае длительного хранения в расходных емкостях 11 ТВУС может подаваться на второй вход кавитатора гидроударного 10 для ее активации и возращения в расходные емкости 11. Это обеспечивает подачу в газогенератор ТВУС постоянных характеристик и ее газификацию при оптимальных режимах работы газогенератора. Наличие расходных емкостей также позволяет «развязать» технологические циклы получения суспензии и ее газификации, что существенно упрощает управление установкой и обеспечивает работу ее узлов и агрегатов на оптимальных режимах.
В газогенераторе 14 осуществляется газификация ТВУС с получением генераторного газа. Для получения генераторного газа из ТВУС используется стандартный газогенератор, например прямоточно-вихревой. Процесс получения генераторного газа из ТВУС в газогенераторах известен и нет необходимости приводить его в настоящей заявке. Оптимальное соотношение подаваемых в газогенератор ТВУС и воздуха регулируется дозирующими устройствами (не показаны), установленными в линиях подачи воздуха и ТВУС.
Из газогенератора 14 полученный в нем генераторный газ температурой 1000-1100°C поступает в охладитель 15, в котором он охлаждается до температуры 500°C. Для охлаждения газа в охладитель через второй его вход подводится через узел впрыска обессоленная вода.
2
2
Охлажденный генераторный газ из охладителя 15 поступает в первый градиентный сепаратор 17, где происходит отделение вредных компонентов (HS, COS, CO), которые удаляются через дымосос 18.
Очищенный от вредных газообразных компонентов генераторный газ из градиентного сепаратора 17 поступает на второй градиентный сепаратор 19, где из него выделяется часть золы-уноса фракцией более 40 мкм, которая отводится через зольный выход. Наличие двух последовательно соединенных градиентных сепараторов обеспечивает возможность настройки одного из них на отделение газообразных вредных компонентов, а другого - твердых. Это обеспечивает высокую степень очистки полученного генераторного газа.
Из градиентного сепаратора 19 часть генераторного газа, смешанная с золой, фракцией менее 40 мкм, полается на динамический фильтр 20, в котором осуществляется окончательная очистка генераторного газа, который посредством дымососа 21 подается на дымосос 22, где смешивается с потоком генераторного газа от второго градиентного сепаратора. Синхронизация работы дымососов осуществляется использованием регулируемых частотных приводов.
Полученный генераторный газ подается, например, на сжигание в котлоагрегат энергетической установки (не показана).
В случае необходимости сброса получаемого генераторного газа он сбрасывается на свечу 16.