УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ДЕГАЗИРОВАНИЯ ПЫЛИ
DEVICE AND METHOD FOR DUST DEGASSING

Данное изобретение относится к устройству для дегазирования пыли, такой, которая обычно образуется при производстве синтез-газа в ходе реакций газификации угля, термин "синтез-газ" используется здесь для ссылки на газовые смеси со значительно различающимися степенями чистоты, которые используются для различных химических синтезов и в дополнение к монооксиду углерода и водороду обычно также содержат диоксид углерода, азот, сульфид водорода и другие компоненты в различных комбинациях. Пыль дегазируется так тщательно, что токсичные газы, содержащиеся в пыли, не представляют больше опасности для окружающей среды. Полученный таким образом отходящий газ может быть собран устройством и выпущен из системы. Посредством устройства в соответствии с данным изобретением, возможно использовать остаточную теплоту, содержащуюся в пыли, и охладить полученную пыль. Во время дегазирования пыли давление посредством устройства уменьшается от высокого давления, которое обычно преобладает во время протекания реакций газификации угля, до нормального атмосферного давления. Данное изобретение также относится к способу, посредством которого пыль от синтез-газа может быть очищена и полностью или почти полностью дегазирована.
Термическая газификация твердых топлив, таких как различные угли, торф, остатки от гидрогенизации, другие остатки, мусор, биомассы и зольная пыль или смесь этих материалов, выполняется при повышенном давлении и высокой температуре с целью образования исходного синтез-газа с высоким энергосодержанием и/или с составом, подходящим для последующих химических синтезов. Исходный синтез-газ содержит примесь зольной пыли, которая обусловлена содержанием золы в подаваемом топливе. Зольная пыль находится в форме частиц, которые должны быть отделены перед последующим применением. При сухом отделении, например, в циклоне или фильтре, очень тонкозернистые твердые частицы обычно накапливаются перед выпуском из камеры повышенного давления. Имеется, по своей природе, газ в пустотах массы частиц, в данном случае исходный синтез-газ, который выпускается вместе с твердыми частицами. Перед конечным сохранением или удалением для твердых частиц должно быть понижено давление и должен быть удален исходный синтез-газ, еще остающийся в пустотах.
Соответствующее установившееся состояние в данной области техники в отношении очистки синтез-газа от процесса газификации угля описано в патенте США 4838898 А. Патент США 2007/0084117 А1 иллюстрирует дополнительный производственный процесс для синтез-газа, который направляет синтез-газ, полученный из реактора для газификации угля, последовательно через систему для его смешивания с посторонним газом охладителя, теплообменник и пылеотделитель. Пылеотделитель может быть снабжен устройством для подачи продувочного газа. Может иметься несколько последующих пылеотделителей ниже по потоку в системе снижения давления, чтобы достигнуть большей производительности. Это предоставляет возможность протекания порций зольной пыли с продувочным газом при перекрывающихся временных интервалах для того, чтобы удалить нежелательные газы во время опорожнения и заполнения бункеров.
Процесс очистки должен рассматриваться как стадия, определяемая временем. Известные способы предусматривают протекание массы зольной пыли, для удаления любых остающихся компонентов исходного синтез-газа. Одной из основных причин, почему известные способы требуют значительного времени, заключается в том, что во время протекания в направлении, противоположном силе тяжести, обычно формируются каналы, через которые проникает газ, поскольку скорость газа увеличивается вследствие очень малых размеров частиц зольной пыли. Вследствие этого неравномерного протекания увеличивается количество времени, требующегося для замены газа во всех пустотах. Во время протекания в направлении, противоположном силе тяжести, имеется риск уплотнения массы пыли вследствие малого размера частиц и результирующего высокого сопротивления потоку, что создает проблемы во время опорожнения или переноса из бункера.
Поэтому задачей является предоставление устройства, которое возвращает зольную пыль из синтез-газа от процесса газификации угля ступенчатым образом к атмосферному давлению и удаляет синтез-газ, содержащийся в зольной пыли. Задачей способа, выполняемого с применением такого устройства, является также замена и возврат газа, который накапливается в емкости пониженного давления и пылеотделителе во время процессов опорожнения и заполнения.
Изобретение достигает задачи дегазирования пыли из синтез-газа, произведенного процессом газификации, в форме устройства, содержащего
основной пылеотделитель,
емкость,
текучую среду для дегазирования и охлаждения,
накопитель для пыли,
произведенный синтез-газ подается через соединительную трубу в основной пылеотделитель, из которого могут быть выведены поток обеспыленного исходного синтез-газа и пылевидные твердые частицы, которые также еще содержат исходный синтез-газ в пустотах между частицами пыли,
пылевидные твердые частицы направляются в емкость, снабженную устройствами для снижения уровня давления, так что образуется отходящий газ, и остаются твердые частицы, содержащие меньшие количества газа в пустотах,
при этом имеется устройство для перемещения твердых частиц в газообменное устройство, содержащее
газообменную емкость,
пылеотделитель,
устройство для подачи замещающего газа,
при этом возможно уменьшение давления в газообменной емкости до атмосферного давления,
газообменное устройство имеет выпуск для твердых частиц, которые по меньшей мере частично были освобождены от исходного синтез-газа,
газообменное устройство имеет транспортирующий элемент, ориентированный в верхнем направлении, в котором может быть установлен восходящий поток газа и твердых частиц,
транспортирующий элемент имеет открытое поперечное сечение, нижнее проходное отверстие и верхнее проходное отверстие,
нижнее проходное отверстие транспортирующего элемента расположено внутри газообменной емкости вблизи дна,
устройство для подачи замещающего газа, направленное в нижнее проходное отверстие, расположено под нижним концом транспортирующего элемента,
пылеотделитель соединен таким образом, что в него может подаваться поток газа и твердых частиц из газообменной емкости, и
пылеотделитель имеет выпускное устройство для потока отходящего газа и направленный вниз соединительный элемент в газообменную емкость для твердых частиц, освобожденных от исходного синтез-газа.
Один из вариантов осуществления устройства предусматривает наличие теплообменника в устройстве в любом месте технологического маршрута, указанный теплообменник сконструирован как охладитель и расположен таким образом, что его охлаждающие поверхности контактируют с пылевидными твердыми частицами. Предпочтительно, по меньшей мере один такой охладитель расположен в газообменном устройстве. Внутри указанного устройства такой охладитель может быть расположен либо в месте технологического маршрута между пылеотделителем и газообменной емкостью при соединении с ними, либо непосредственно в газообменной емкости; комбинации также возможны.
Другие варианты осуществления устройства предусматривают накопитель для пыли, имеющий линию выравнивания давления, которая соединена с пылеотделителем газообменного устройства; газообменная емкость и пылеотделитель могут также образовывать один структурный элемент.
2
Данное изобретение также достигает цели дегазирования пыли из синтез-газа, который произведен процессом газификации и обычно содержит CO и H, а также частицы золы и пыли, посредством способа, в котором
произведенный синтез-газ направляется через соединительную трубу в основной пылеотделитель, в котором основная часть пыли отделяется,
как только пыль отделена, поток твердых частиц направляется при том же самом уровне давления в емкость, в которой давление указанного потока уменьшается, так что образуется поток отходящего газа и твердые частицы, содержащие меньшие количества газа, остающегося в пустотах,
поток твердых частиц направляется из емкости в газообменное устройство пневматически посредством транспортирующего газа, и
циркуляционный поток твердых частиц создается внутри газообменного устройства посредством замещающего газа, и
высвобожденный таким образом отходящий газ выпускается через пылеотделитель.
Для охлаждения другие варианты осуществления способа предусматривают, что пыль охлаждается в месте технологического маршрута между пылеотделителем и газообменной емкостью при соединении с ними. Может также быть предусмотрено, что пыль охлаждается в газообменной емкости.
Другой вариант осуществления способа предусматривает, что плотность транспортировки в транспортирующей линии между емкостью и газообменной емкостью составляет менее 75% от объемной плотности пылевидных твердых частиц.
Другой вариант осуществления способа предусматривает обработку порции в газообменной емкости в то же самое время, когда часть пустотного газа следующей порции удаляется в емкости посредством добавления замещающего газа.
Другие варианты осуществления способа в качестве альтернативы предусматривают, что замещающий газ, вводимый в емкость и/или газообменную емкость, добавляется непрерывным образом или порциями, циклически или в импульсном режиме во время процесса газообмена.
Другие варианты осуществления способа в качестве альтернативы предусматривают, что добавляемый замещающий газ выпускается порциями или непрерывным образом из емкости и/или газообменной емкости вместе по меньшей мере с частью исходного синтез-газа, который находится в пространстве пустот. Добавление и выпуск могут во всех случаях выполняться отдельно и либо непрерывным образом, либо порциями, что является преимуществом данного изобретения, вследствие того, что тем самым достигается эксплуатационная гибкость.
Другие варианты осуществления способа имеют отношение к газу, выпускаемому из устройства. При этом может быть предусмотрено, что замещающий газ, добавляемый в газообменную емкость, подается в узел для утилизации отходов вместе с по меньшей мере частью исходного синтез-газа в пространстве пустот, когда он был отделен от циркулирующих твердых частиц и был выведен из газообменного устройства. Может также быть предусмотрено, что газ, выпущенный из емкости, подается в узел для утилизации отходов. Также может быть предусмотрено, что добавляемый замещающий газ подается в реактор сгорания вместе с по меньшей мере частью исходного синтез-газа в пространстве пустот, когда он был отделен от циркулирующих твердых частиц и был выведен из газообменного устройства, и что газ, выпущенный из емкости, подается в реактор сгорания. Также может быть предусмотрено, что после отделения от циркулирующих твердых частиц и после выведения из газообменного устройства добавляемый замещающий газ вместе с по меньшей мере частью исходного синтез-газа в пространстве пустот или газ, выпускаемый из емкости, или оба эти газа первоначально подаются в газгольдер для буферизации и уравнивания.
Описанное устройство и описанный способ предоставляют преимущество, заключающееся в быстрой и полной дегазификации зольной пыли от процесса газификации угля. Описанный способ может существенно уменьшить время, требуемое для дегазификации зольной пыли.
Устройство в соответствии с данным изобретением иллюстрировано с привлечением трех чертежей, эти чертежи являются лишь примерами конструкции устройства в соответствии с данным изобретением.
Фиг.1 показывает общую схему устройства, сконструированного для дегазификации пыли ниже по потоку выпускного патрубка для синтез-газа. Фиг.2 показывает газообменное устройство 21 с газообменной емкостью 10 и сопутствующим пылеотделителем 13. Фиг.3 показывает газообменную емкость 10 с интегрированным пылеотделителем 13.
Исходный синтез-газ под давлением, который содержит зольную пыль 1, направляется в отделитель 3 зольной пыли, который может быть сконструирован как фильтр или циклон. Таким образом получают обеспыленный синтез-газ 2 и зольную пыль 4, последнюю направляют в емкость 5. При этом неизбежно, что небольшие количества исходного синтез-газа в пустотах массы частиц также попадают в емкость 5. В емкости 5 снижается давление, при котором находится зольная пыль, которая до этого все еще находилась под повышенным давлением. Затем порция твердых частиц перемещается через выпускную линию 7 для частично дегазированной зольной пыли в газообменную емкость 10 газообменного устройства 21 по пневматической транспортирующей линии 9 посредством добавления транспортирующего газа 8. Для того чтобы компенсировать объем твердых частиц, перемещаемых из емкости 5, и чтобы поддержать давление в емкости 5, которая действует в качестве продувочной емкости во время выпуска зольной пыли, замещающий газ 6 подается в емкость 5.
Когда порция доставлена в газообменную емкость 10, замещающий газ 11 добавляется таким образом, что создает восходящий поток 12 газа и твердых частиц. Этот поток газа и твердых частиц вводится в сепаратор, в котором твердые частицы отделяются от газа, так что твердые частицы 14 возвращаются вниз к месту, в котором они начинают перемещение, где восходящий поток 12 газа и твердых частиц образуется посредством добавления газа 11. Таким образом, достигается циркуляция твердых частиц, которая может регулироваться посредством геометрической конструкции газообменной емкости 10 и, в особенности, посредством подачи добавляемого газа 11. Газ, который был высвобожден из твердых частиц, выпускается из газообменной емкости 10 непрерывным образом или в периодическом режиме.
Простое классическое проникновение требует на практике значительного времени, к тому же лишь неидеальное проникновение может быть достигнуто вследствие очень тонких пылевидных частиц, и причинами являются, например, каналообразование и засорение. Посредством комбинирования потока очистного газа циркуляции твердых частиц в соответствии с данным изобретением достигается оптимальный газообмен между массой, которая разрыхлена посредством перемещения твердых частиц, и добавляемым очистным газом. Интенсивный восходящий поток твердых частиц обеспечивает наилучшее открытие газа в пустотах для замещающего газа и смешивание этих двух газов. Желательная или допустимая остаточная концентрация компонентов исходного синтез-газа в пустотах может легко быть достигнута посредством числа циркуляции твердых частиц по отношению к количеству добавляемого газа 11.
После отделения от исходного синтез-газа температура твердых частиц является в большинстве случаев слишком высокой, чтобы быть сохраненными или удаленными, даже после того как они были перемещены в газообменную емкость. Поэтому предусмотрены теплообменные узлы, которые при соприкосновении с циркулирующими твердыми частицами рассеивают тепло, чтобы достичь целевой температуры твердых частиц. В данном примере таким узлом является теплообменник 15.
Зольную пыль, которая была дегазирована до максимально возможной степени, получают из газообменного устройства 21 и подают в накопитель для пыли (силос) 17 посредством выпускной системы 16. Накопитель для пыли 17 снабжен уравнивающей линией 20, которая возвращает газ, вытесненный во время заполнения в пылеотделитель 13. Кроме того, отходящий газ 18, полученный из пылеотделителя 13, удаляется и утилизируется таким же образом, что и обеспыленный отходящий газ 19, полученный из емкости 5.
Фиг.2 показывает внешний циркуляционный контур для твердых частиц. При этом восходящий поток 12 газа и твердых частиц из газообменной емкости 10 направлен в пылеотделитель 13 посредством добавления замещающего газа 11. Здесь твердые частицы отделяются от газа, состоящего из смеси добавленного замещающего газа 11 и газа из пустот в массе частиц. Газовая смесь 18 подается в узел для утилизации отходов. Отделенные твердые частицы протекают вниз в направлении силы тяжести к газообменной емкости 10. Теплообменник 15, который является пластинчатым теплообменником, сконструирован в качестве теплообменной поверхности в нисходящем потоке, чтобы рассеивать тепло твердых частиц.
Фиг.3 показывает тот же самый принцип, однако с внутренней циркуляцией, т.е. поток твердых частиц циркулирует внутри газообменной емкости 10. Газообменная емкость 10 устройства в соответствии с данным изобретением снабжена в этом случае интегрированным (выполненным как одно целое) пылеотделителем 13. Также теплообменные поверхности предусмотрены для охлаждения твердых частиц. Для теплообмена две двойные стенки в виде охлаждающих рубашек предусмотрены в качестве теплообменников 15. В этом случае теплообменные поверхности должны быть погружены в циркулирующие твердые частицы во время функционирования.
Другие примеры относятся к режиму функционирования. В предпочтительном режиме обработки емкость 5 используется для того, чтобы одновременно с обработкой порции в газообменной емкости 10 первоначально уменьшить давление следующей принимаемой порции, посредством чего удаляется газ из пустот, и затем, в оставшееся время, снова увеличить давление посредством подачи газа 6 и сразу же после этого уменьшить давление снова. Повышение давления вызывает разбавление исходного синтез-газа, содержащегося в пустотах, уменьшение давления удаляет часть присутствующей при этом газовой смеси. В зависимости от времени, имеющегося в распоряжении, эта процедура может быть повторена несколько раз, так что часть исходного синтез-газа удаляется из пустот еще до того, как порция твердых частиц перемещается в газообменную емкость 10 для обработки. Это уменьшает число циркуляции твердых частиц в газообменной емкости 10, соответственно сокращая времена циклов. В результате большие количества зольной пыли в единицу могут быть освобождены от исходного синтез-газа и охлаждены, несмотря на однолинейное расположение.
На емкость здесь ссылаются как на емкость 5, поскольку она используется для нескольких целей. Во-первых, она служит в качестве воронки-затвора для приема порций твердых частиц при уровне давления процесса и для снижения этого уровня давления. Она также служит в качестве ступени предварительной очистки для заблаговременного удаления части исходного синтез-газа из порции посредством циклического повышения и снижения давления, и, во-вторых, она служит в качестве продувочной емкости для пневматической транспортировки к основной ступени очистки в газообменной емкости.
Замещающие газы 6 и 11 и также транспортирующий газ 8 могут состоять из инертного газа, такого как азот, однако могут также быть использованы воздух, диоксид углерода или т.п. Если поток 18 газовой смеси подается в узел последующего сжигания, то, например, применение воздуха в качестве замещающего газа 11 может быть выгодным и вносить вклад в уменьшение потребления инертного газа.
Преимущество применения находящегося ниже по потоку узла для отходящих газов 18 и 19, который здесь не показан, заключается в том, что основная ступень очистки функционирует квазинепрерывным образом, при прерывании лишь временными интервалами, в течение которых следующая порция поставляется пневматическим транспортирующим элементом. Результатом является то, что создается почти постоянный в количественном отношении поток 18 отходящего газа, обработка которого, с технологической точки зрения, проще, чем в случае пиков количества, имеющих место во время периодической (порционной) обработки.
Другой выгодный вариант способа осуществления ступени предварительной очистки состоит в том, что порция не подвергается циклическому повышению давления посредством замещающего газа с последующим снижением давления, а повышение давления осуществляется непрерывным потоком при постоянном давлении. Соответственно, будут отсутствовать пики газового потока при пониженном давлении, и в отношении узла утилизации отходов для потоков отходящего газа 18 и 19 давление будет повышено посредством непрерывных потоков от ступени предварительной очистки и ступени основной очистки.
Список цифровых обозначений и наименований
1. Соединительная труба для исходного синтез-газа
2. Обеспыленный исходный синтез-газ
3. Отделитель зольной пыли
4. Выпуск зольной пыли
5. Емкость
6. Замещающий газ
7. Выпускная линия для частично дегазированной зольной пыли
8. Транспортирующий газ
9. Пневматическая транспортирующая линия
10. Газообменная емкость
11. Замещающий газ
12. Восходящий поток газа и твердых частиц
13. Пылеотделитель
14. Твердые частицы
15. Теплообменник
16. Выпускная система
17. Накопитель для пыли
18. Отходящий газ
19. Отходящий газ
20. Уравнивающая линия
21. Газообменное устройство