Устройство газификации с оборудованием для удаления шлака - RU2495913C2

Описание

Настоящее изобретение относится к способу газификации мелкозернистого топливного материала типа пыли или жидкого топливного материала для генерирования синтез-газа, то есть газа, основными компонентами которого являются СО и Нг, шлак удаляется из реактора газификации в расплавленном состоянии и отверждается с помощью охлаждения водой.

Газификация мелкозернистых топливных материалов, таких как материалы типа угольной пыли, нефтяного кокса, биологических отходов или топливных материалов, а также жидких остатков, таких как остатки, происходящие от нефти, битума, отходов нефтеперерабатывающих заводов и других жидких остатков, при температурах выше температуры плавления золы поступающих топливных материалов, производит шлак в расплавленном виде. Указанный расплавленный шлак собирается в нижней секции реактора газификации и высвобождается через выходное отверстие. В этом случае является общепринятой практикой выгружать расплавленный шлак в водяную ванну, в которой шлак охлаждается и гранулируется, так что получается материал типа стекла. В связи с газификацией при повышенном давлении, патентные документы DE 2342079 С3 и US 4328006 А раскрывают такой реактор газификации и водяную ванну, расположенную под реактором, помещенные в объединенную емкость высокого давления. В этой конфигурации, корпус емкости высокого давления заключает промежуток, расположенный между выходом для шлака и водяной ванной. Также известно, что емкость высокого давления не имеет ни кирпичной футеровки, ни охлаждающей системы. Следовательно, упомянутая выше система требует, чтобы осуществлялось создание адекватных условий для выходящего потока горячего шлака, газов и других частиц, с тем, чтобы предотвратить нагревание или разрушение стенки емкости высокого давления.

Патент США 20070062117, принадлежащий компании Future Energy, предусматривает извлечение синтетического газа вместе со шлаком через выходное отверстие для шлака. Емкость высокого давления защищается от высоких температур посредством охлаждения синтетического газа и шлака с помощью воды, инжектируемой ниже выхода для шлака. В дополнение к инжектированию воды, корпус емкости высокого давления футеруется защитным слоем для предотвращения какой-либо эрозии и коррозии.

Согласно патенту ЕР 0377930, Texaco, синтез-газ также высвобождается вместе со шлаком через выходное отверстие для шлака. В патенте ЕР 0377930, однако, способ охлаждения синтетического газа осуществляется так, что он передается вместе со шлаком через погружной канал в водяную ванну. Указанный канал одновременно служит как защита для корпуса емкости высокого давления. Погружной канал сам по себе охлаждается с помощью водяной пленки, и таким образом также можно избежать появления твердых осадков.

Недостатком способов, описанных в патенте US 20070062117 и ЕР 0377930, является то, что они выполнимы только в сочетании со способами газификации, в которых синтетический газ извлекается вместе со шлаком через выходное отверстие для шлака.

В случае газификаторов с раздельными выходами для синтез-газа и шлака, является важным предотвратить охлаждение выхода для шлака. Любое подобное охлаждение может повлечь преждевременное отверждение шлака (то есть забивание выхода для шлака) и, следовательно, нарушение нормальной работы или даже поломку всей установки. Способы согласно US 20070062117 и ЕР 0377930 имеют то общее, что синтез-газ, покидающий газификатор вместе со шлаком, обеспечивает достаточно высокую температуру на выходе для шлака. Это является неосуществимым в случае газификаторов с раздельными выходами для сырого газа и шлака, так как не существует принудительного направленного потока под выходом для шлака. Следовательно, способы, описанные выше, являются неприменимыми для газификаторов с раздельными выходами для синтез-газа и шлака. Поэтому специфическое требование для способа при конструировании выхода для шлака является минимизация потерь тепла в окружающей среде для предотвращения преждевременного охлаждения/отверждения шлака. Расположение интенсивно охлаждаемых ("холодных") стенок камеры в непосредственной близости от выхода для шлака, следовательно, повлекло бы нежелательное охлаждение области выхода. Дальнейшее снижение нагрева происходило бы, в случае если бы пар выделялся во время гранулирования (отверждения) шлака и если бы подобный пар протекал вверх, в канал переливного патрубка. Этот пар может покидать канал переливного патрубка только через выход для шлака и таким образом он обеспечивал бы дополнительное охлаждение вытекающего шлака.

Устройства газификации с раздельным выходом для шлака и синтез-газов в наши дни комплектуются каналом для удаления шлака, как указано в патентных документах US 5441547, US 5803937 или ЕР 0318071. Указанный канал соединяет выход для шлака с водяной ванной и, следовательно, он защищает стенку емкости высокого давления от слишком высокой температуры. Длина канала для удаления шлака может иметь такую величину, что канал проходит в водяную ванну, или край канала располагается чуть выше уровня воды, так, чтобы обеспечивалось выравнивание давления между каналом для удаления шлака и кольцевым пространством между стенкой емкости высокого давления и выходом для шлака.

Документ ЕР 0318071 демонстрирует канал для удаления шлака, который проходит вниз до линии, расположенной чуть выше уровня водяной ванны. Более того, кольцо распыляющих сопел для смачивания шлака устанавливается на краю канала для удаления шлака. Чертеж, прилагаемый к документу ЕР 0318071, изображает тип стенки канала для удаления шлака, который не имеет охлаждающей системы.

Недостатком этой конструкции является то, что на стенки канала оказывает воздействие высокая температура, которая может вызвать разрушение стенки и, следовательно, привести к нарушению нормальной работы. Более того, на нижней секции канала для удаления шлака может формироваться осадок из-за того, что они могут вступать в контакт с водой от кольца сопел. Таким образом, на граничных секторах конического распыленного потока формируются переходные зоны, в которых стенки поочередно становятся "сухими" и "мокрыми". Опыт показывает, что любая подобная область имеет значительную тенденцию к формированию осадка твердых веществ. Даже если стенка снабжена дополнительной футеровкой из жаропрочного материала, канал для удаления шлака подвергается воздействию высоких температур, так как сектора, расположенные над кольцевым пространством, охлаждаются недостаточно. Кроме повышенного риска появления образования осадка при использовании жаропрочных материалов, указанная футеровка может подвергаться образованию трещин и отслаиванию из-за вступления в контакт с распыляемой водой. Следовательно, отслоившиеся частицы футеровки могут вызывать забивание водяной ванны и/или расположенной после нее системы удаления шлака.

Канал для удаления шлака, описанный в документе WO 200605390S, снабжается мембранными стенками, футерованными жаропрочным материалом. Через мембранные стенки протекает охлаждающий агент, так что стенка достаточно охлаждается. Охлаждения выхода для шлака можно избежать с помощью жаропрочной футеровки. Однако секции стенки, расположенные над соплами, не футеруются для предотвращения какого-либо выкрашивания частиц изоляции. Приемник для водяной ванны располагается под каналом для удаления шлака, верхний край указанной емкости снабжается кольцом сопел для смачивания шлака. Создается промежуток между кольцом сопел и краем канала для удаления шлака для обеспечения баланса давления между реактором и кольцевым пространством. Водяные сопла указанного кольца фактически обеспечивают не только смачивание шлака, но также охлаждение и смачивание секции стенки в емкости выше уровня смачивания от водяной ванны. Указанная секция стенки в емкости должна подбираться так чтобы изменения уровня воды не могли вызывать поднятие уровня воды выше кольца сопел и/или кольцевого пространства.

Критерием недостатков конструкции, изложенным в WO 200605390S, является то, что существуют секции стенок, которые поочередно становятся сухими и мокрыми. Указанные секции содержат не имеющую футеровки область канала для удаления шлака, а также секцию стенки водяной ванны, которая не покрывается водой. Опыт показал, что при этих условиях могут формироваться твердые осадки и в конечном итоге они могут вызывать нарушения нормальной работы. Кроме того, инжектирование воды в канал для удаления шлака создает повышенный риск избыточного охлаждения отверстия для удаления шлака из-за паров воды. Более того, инжектирование воды и нефутерованные мембранные стенки канала для удаления шлака оказывают дополнительное охлаждающее воздействие на выходное отверстие для шлака, которое в случае конструкции, упомянутой выше, может преодолеваться только посредством создания достаточного расстояния между охлажденными поверхностями и устройством для инжектирования воды.

Задачей настоящего изобретения, следовательно, является создание системы удаления шлака для газификации жидких или мелкозернистых твердых топливных материалов при температурах выше температуры плавления золы топливного материала и при давлении от 0,3 до 8 МПа, указанная система преодолевает недостатки, описанные выше.

Задача настоящего изобретения достигается с помощью устройства с техническими характеристиками указанными ниже:

- Реактор газификации и водяная ванна расположены в емкости высокого давления;

- Водяная ванна расположены под реактором газификации;

- Реактор газификации сконструирован "таким образом, что:

- произведенный синтетический газ извлекается из верхней секции реактора,

- жидкий шлак осаждается на стенках реакционной камеры и затем свободно стекает, без какого либо отверждения поверхности шлака,

- нижняя сторона реакционной камеры имеет выходное отверстие с кромкой сброса, так что нисходящий поток жидкого шлака может свободно падать с указанной кромки;

- Канал для удаления шлака расположенный под указанным отверстием, проходит вниз в водяную ванну и имеет следующие технические особенности:

- охлаждающий агент протекает через верхнюю секцию стенки канала для удаления шлака, и внутренняя сторона канала полностью футеруется жаропрочным изолирующим соединением;

- нижняя секция стенки канала для удаления шлака, которая проходит вниз в водяную ванну, смачивается водяной пленкой на внутренней стороне и соединяется газонепроницаемым образом с верхней секцией;

- верхняя и нижняя секции канала для удаления шлака соединяются друг с другом таким образом, что водяная пленка секции верхней стенки не вступает в контакт ни с секцией стенки, через которую проходит охлаждающий агент, ни с изолирующим соединением.

Таким образом согласно формуле предлагается устройство удаления шлака из реактора для газификации с захваченным слоем жидких или мелкозернистых твердых топливных материалов при температурах, превышающих температуры плавления золы топливных материалов и при давлении от 0,3 до 8 МПа, с техническими показателями, приведенными ниже:

- реактор газификации и водяная ванна расположены в емкости высокого давления;

- водяная ванна расположены под реактором газификации;

- реактор газификации сконструирован таким образом, что:

- произведенный синтетический газ извлекается из верхней секции реактора,

- жидкий шлак осаждается на стенке реактора и затем свободно стекает без какого-либо отверждения поверхности шлака,

- нижняя сторона реактора имеет выходное отверстие с кромкой сброса, так что нисходящий поток жидкого шлака может свободно сбрасываться с указанной кромки,

причем

- Канал для удаления шлака, расположенный ниже указанного отверстия, проходит вниз в водяную ванну и имеет следующие особенности:

- охлаждающий агент протекает через верхнюю секцию стенки канала для удаления шлака, и внутренняя сторона канала полностью футеруется жаропрочным изолирующим соединением,

- нижняя секция стенки канала для удаления шлака, который проходит вниз в водяную ванну, смачивается водяной пленкой на внутренней стороне и соединяется с верхней секцией газонепроницаемым образом,

- верхняя и нижняя секции канала для удаления шлака соединяются друг с другом таким образом, что водяная пленка верхней секции стенки не вступает в контакт ни со стенкой проницаемой охлаждающим агентом, ни с изолирующим соединением.

Предпочтительно нижняя секция стенки, проходящей в водяную ванну, имеет глубину, по меньшей мере, на 0,5 м ниже минимально допустимого уровня воды в указанной ванне.

Предпочтительно секция стенки, проходящая в водяную ванну, имеет диаметр больший, чем диаметр верхней секции.

Предпочтительно газонепроницаемое соединение, расположенное между верхней секцией и нижней секцией, присоединяется к задней стороне верхней секции.

Предпочтительно водяная пленка, смачивающая внутреннюю сторону нижней секции, создается в диапазоне перекрывания верхней и нижней секций.

Предпочтительно водяная пленка генерируется с помощью роторного переливного бассейна, который принимает жидкость в направлении по окружности тангенциально.

Предпочтительно водяная пленка жидкостная пленка создается с помощью переливного элемента, соединенного с переливным бассейном, вертикальное поперечное сечение указанного элемента формирует круговой сегмент, по меньшей мере, 45°, таким образом, получают постоянную и равномерную область секции стенки, проходящей в водяную ванну.

Предпочтительно переливной элемент выполнен в виде переливной кромки.

Предпочтительно переливной элемент формирует круговой сегмент, по меньшей мере, 90°, так чтобы получать постоянную и равномерную область секции стенки, которая проходит вниз в водяную ванну.

Газификация предпочтительно происходит при низкой нагрузке частиц <50 кг/м³ - не в псевдоожиженном слое - но вместо этого, в суспензии с кислородным газифицирующим агентом при повышенном давлении и при температурах выше температуры плавления шлака, шлак осаждается на стенках, покидая газификатор через отверстие в нижней части, в то время как синтетический газ извлекается в верхней части емкости.

В вариантах осуществления настоящего изобретения, используемые исходные материалы представляют собой твердые топливные материалы, такие как кокс, нефтяной кокс, биологические отходы или биологические топливные материалы, или измельченные или перемолотые пластиковые материалы. Размер по диаметру (величина зерна) топливных материалов не должен превышать 0,5 мм. Твердые исходные материалы сначала прессуются в одном или нескольких устройствах шлюзовых бункеров с помощью не конденсирующегося газа, такого как N₂ или СО₂, давление находится в пределах от 2 до 10 бар выше давления газификатора. Твердые материалы в дальнейшем подаются пневматически из одной или нескольких питающих емкостей в газификатор, предпочтительно, в потоке высокой плотности. Жидкие топлива представляют собой нефть, битум, отходы нефтеперерабатывающих заводов или жидкие суспензии. Большинство жидких топлив могут инжектироваться в газификатор, однако в случае абразивных жидкостей необходимо создать шлюз высокого давления, с использованием сжатого газа. Также можно подавать смеси твердых и жидких топливных материалов. Горючие газы или газы, несущие загрязнения, также могут использоваться как исходные материалы. Высокие температуры газификации обеспечивают термическое разложение загрязнителей, тем самым продукты реакции твердых веществ заключаются в стекловидном шлаке и покидают газификатор в форме простых молекул, таких как Н₂, СО, N₂, HCl или H₂S.

Дальнейшие варианты осуществления изобретения предусматривают реакцию газификации во взвеси пыли или капель. Подача топливных материалов и агентов газификации в газификатор может осуществляться с помощью, по меньшей мере, двух горелок, присоединенных посредством отдельных креплений к боковой стенке реактора газификации. Перед поступлением в реактор, потоку агентов газификации может придаваться вихревое движение посредством пластин отбойников или специальной конструкции горелки.

Дальнейшие варианты осуществления изобретения предусматривают инжектирование воды в кольцевое пространство, вода необходима для создания водяной пленки, и указанное пространство расположено за верхней частью канала для удаления шлака. Кольцевое пространство обеспечивает газонепроницаемое соединение верхней части и нижней части указанного канала. Вода, инжектируемая в кольцевое пространство, покидает указанное пространство через кромку и таким образом генерирует на нижней секции стенки канала для удаления шлака полностью покрывающую ее водяной пленки. Упомянутая выше водяная пленка не вступает в контакт с верхней секцией стенки канала, так что эту секцию можно создать из жаропрочного изолирующего соединения.

В этом случае предполагается, что водяная пленка генерируется с помощью средств роторного переливного бассейна, который снабжается жидкостью в направлении по окружности тангенциально. Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, жидкостная пленка создается с помощью переливного элемента переливного бассейна, вертикальное поперечное сечение указанного элемента формирует круговой сегмент, по меньшей мере, 45°, таким образом, получают постоянную и равномерную область секции стенки, которая проходит вниз в водяную ванну. Здесь, "равномерная" понимается для обозначения типа кривой, который может определяться как математический тип кривой. В этом случае является хорошей практикой конструировать указанный переливной элемент как переливную перегородку. Особенное преимущество может достигаться, если упомянутая выше переливная перегородка формируется как круговой сегмент, по меньшей мере, 90°, с тем, чтобы получить постоянную и равномерную область секции стенки, которая проходит вниз на уровень ванны.

Водяные капли не могут покинуть полностью покрывающую водяную пленку, и область поверхности указанной водяной пленки является в несколько раз меньшей, чем спектр капель, создаваемых с помощью закачивающих сопел, так что эффект охлаждения, создаваемый, в основном, с помощью парообразования, остается пренебрежимо малым. Следовательно, среда канала для удаления шлака остается свободной от капель воды и тепла, что фактически предотвращает отверждение шлака непосредственно в области кромки сброса и, следовательно, составляет преимущество изобретения. Так как атмосфера в канале для удаления шлака остается, таким образом, сухой, на стенке не может формироваться осадка путем испарения воды. В сочетании с пониженным эффектом охлаждения, полученным с помощью полной футеровки верхней секции стенки канала для удаления шлака, можно обеспечить малую общую высоту канала для удаления шлака.

Согласно дополнительным вариантам осуществления изобретения, водяная ванна, располагающаяся под реактором, конструируется так, что она имеет циркулирующий поток.

Настоящее изобретение подробно иллюстрируется на основе типичной конфигурации, как показывается на Фиг.1, которая показывает схематическое изображение в продольном сечении выхода для шлака газификатора, как описывается в настоящем патенте. Подчеркнем, что эта конструкция не ограничивается ни в коем случае посредством примера, показанного здесь.

Газификация топливных материалов происходит в реакционной камере 4, в присутствии кислородного агента газификации и при давлении от 0,3-8 МПа, и при температуре, большей, чем температура плавления золы, при температурах 1200-2500°C. Топливные материалы, агент реакции и, необязательно, отходы для утилизации подаются с помощью двух горелок установленных на боковой стенке емкости.

Жидкий шлак, осаждающийся на стенках реакционной камеры 4, стекает вниз по стенкам в выходное отверстие 11, падает с кромки сброса 12 в виде капель или струи в водяную ванну 10. Газ, несущий пыль, извлекается из реакционной камеры 4 через верхнюю часть емкости.

Мембранная стенка (верхняя секция стенки канала для удаления шлака) 2 располагается после реакционной камеры 4 и полностью футеруется жаропрочным изоляционным соединением 3 для предотвращения охлаждения выходного отверстия для шлака 11. Возле мембранной стенки 2 находится кольцевая камера 6, соединяющая ее с погружным каналом 5 (нижняя секция стенки канала для удаления шлака), последний проходит в водяную ванну 10. Указанный канал 5 конструируется в этом случае, как простая стенка из листа металла. Мембранная стенка 2 и погружной канал 5 отделяют стенку емкости высокого давления 1 от выхода для шлака, так что формируется кольцевое пространство 13 между стенкой емкости высокого давления и выходом для шлака. В этой конфигурации, выравнивание давления между реакционной камерой 4 и кольцевым пространством 13 происходит через водяную ванну 10, которая имеет соединение с реакционной камерой 4 и кольцевым пространством 13. Дополнительное выравнивание давления происходит через устройство гашения потока газа, не показанное на схеме и расположенное над реакционной камерой 4.

Для обеспечения достаточного охлаждения и для того чтобы предотвратить образование осадка, полностью покрывающая водяная пленка 8 течет по всей поверхности секции погружного канала 5, не покрываемой (закрываемой) уровнем водяной ванны. Водяная пленка 8 генерируется в кольцевой камере 6, которая присоединяется к верхнему краю погружного канала 5 и к задней стороне мембранной стенки 2. Кольцевое пространство соединяет, соответственно, газонепроницаемым образом мембранную стенку 2 с погружным каналом 5. Источник 7 воды подает воду в кольцевое пространство. Вода предпочтительно подается в направлении по окружности тангенциально для того, чтобы избежать осаждения твердых материалов. Впоследствии вода покидает кольцевую камеру 6 через переливной элемент 9, который предпочтительно конструируется как загнутая кромка для сброса, и она, таким образом, формирует водяную пленку 8 с полным покрытием на стенке погружного канала 5. Переливной элемент и водяная пленка 8 придается такая форма, что водяная пленка 8 не вступает в контакт ни с мембранной стенкой 2, ни с футеровкой 3.

НУМЕРАЦИЯ УПОМИНАЕМЫХ ПРЕДМЕТОВ

1. Оболочка емкости высокого давления

2. Мембранная стенка

3. Изолирующее соединение

4. Реакционная камера

5. Погружной канал

6. Кольцевая камера для инжектирования воды

7. Линия подачи воды для водяной пленки

8. Водяная пленка

9. Переливная кромка для водяной пленки

10. Водяная ванна

11. Выходное отверстие

12. Кромка сброса

13. Кольцевое пространство.

Реферат

Изобретение может быть использовано в газовой и химической промышленности для газификации мелкозернистого топливного материала типа пыли или жидкого топливного материала с генерированием синтез-газа и удалением шлака из реактора газификации. Устройство удаления шлака из реактора для газификации при температурах выше температуры плавления золы и при давлении от 0,3 до 8 МПа включает водяную ванну 10, расположенную в емкости высокого давления под реактором газификации. Жидкий шлак осаждается на стенке реактора газификации и затем свободно стекает без отверждения. Нижняя сторона реактора имеет выходное отверстие 11 с кромкой сброса 12 так, что нисходящий поток жидкого шлака может свободно сбрасываться с кромки 12. Канал для удаления шлака расположен ниже указанного отверстия и проходит вниз в водяную ванну. Охлаждающий агент протекает через верхнюю 2 секцию стенки канала для удаления шлака, внутренняя сторона которой полностью футерована жаропрочным изолирующим соединением 3. Нижняя 5 секция стенки канала для удаления шлака, который проходит вниз в водяную ванну 10, смачивается водяной пленкой 8 на внутренней стороне и соединяется с верхней 2 секцией, верхняя 2 и нижняя 5 секции соединяются друг с другом так, что водяная пленка в верхней секции стенки не вступает в контакт ни со стенкой, проницаемой охлаждающим агентом, ни с изолирующим соединением. Изобретение позволяет предотвратить преждевременное охлаждение шлака и формирование осадка на нижней секции канала удаления шлака, а также снизить воздействие высоких температур на канал для удаления шлака. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула