Изобретение относится к химии и химической технологии, а именно, к способам газификации угля, и предназначено для получения технологического газа и тепла в совмещённом производстве тепла и химических веществ и материалов.
Известен способ газификации угля в газогенераторах [1], согласно которому уголь прежде чем используют для газификации при температуре 450-5000С освобождают от летучих и смолистых веществ в реакторе предварительного нагрева. Данный реактор через стенку нагревается теплом газа после газификации угля. Летучие вещества, состоящие из тяжёлых углеводородов, бензола с его производными, фенолов, высокомолекулярных и гуминовых органических кислот, охлаждают в специальном холодильнике для перевода их в жидкое состояние и собирают в сборнике для последующего их разделения на компоненты.
В реакторе предварительного нагрева остаётся смесь углеродистого полупродукта и смолистых веществ, которую подвергают механическому разделению в разделителе, смолистые вещества используются для получения пека, а углеродистый материал направляют как энергоноситель для сжигания в котлах или для газификации в газогенераторах.
Образующийся технологический газ из газогенератора технологический газ или дымовой газ из котла направляют в межкорпусное пространство реактора предварительного нагрева для обогрева угля с целью выделения смолистых и летучих веществ, далее отступает в абсорбер для выделения из его состава двуокиси углерода. Оставшийся газ в мембранном разделителе разделяют на отдельные компоненты, т.е. чистые газы.
Недостатком известного способа является то, что в реакторе предварительного нагрева тепло технологического газа или дымового газа полностью не утилизируют и технологический или дымовой газ подают в щелочной абсорбер с повышенной температурой. При повышенных температурах снижается степень абсорбции двуокиси углерода в растворе щелочи, в результате чего технологический или дымовой газ полностью не очищается от СО2. Наличие СО2 в газе, поступающим для разделение в мембранный разделитель, нарушает режим работы данного разделителя и отрицательно влияет на чистоту получаемых отдельных газов.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ газификации угля для производства тепла и химических веществ, согласно которому осуществляют предварительный нагрев угля в реакторе с обогревом через стенки, выделение летучих веществ и их охлаждения в теплообменнике для перевода в жидкое состояние и их сбор в сборнике, выделение смолистых веществ в разделителе, газификацию углеродистого вещества в газогенераторе, обогрев теплового реактора теплом технологического газа, выделение двуоксида углерода из состава технологического газа абсорбцией растворами щелочей, разделение оставшегося газа на отдельные чистые газы на полупроницаемых мембранах, причёмиз технологического газа до поступления в тепловой реактор снимают часть его тепла в первом котле-утилизаторе для получения водяного пара, после теплового реактора технологический газ перед поступлением в щелочной абсорбер для выделения СО2 подают во второй котёл-утилизатор и пропускают через теплообменник-холодильник для снятия его остаточного тепла и снижения температуры до 18-200С, полученную золу угля из газогенератора подают в теплообменник-холодильник для снятия её тепла и снижения её температуры до 18-200С а, полученную горячую воду в теплообменнике подают в котёл-утилизатор тепла для получения водяного пара, причем водяной пар из котлов-утилизаторов тепла подают для газификации углеродистого материала в газогенератор, при этом полученные выделенные смолистые вещества из состава угля используют для получения строительного пека[2].
Недостатком известного способа является то, что тепло технологического газа в основном используется для получения водяного пара и обогрева теплового реактора и недостаточно для обеспечения протекания эндотермических способов получения веществ.
Цель изобретение - использование тепла технологического газа газификации угля для обеспечения протекания эндотермических способов получения веществ, повышение эффективности процесса газификации угля и обеспечение высокой степени разделения смеси газов на отдельные чистые компоненты.
Поставленная цель достигается заявленным способом газификации угля, включающий предварительный нагрев угля в реакторе с обогревом через стенки, выделение летучих веществ и их охлаждения в теплообменнике для перевода в жидкое состояние и их сбор в сборнике, выделение смолистых веществ в разделителе, использование смолистых веществ для получения строительного пека, газификацию углеродистого вещества в газогенераторе и получение технологического газа, выделение золы угля от технологического газа и подачу золы в теплообменник-холодильник для снятия её тепла и снижения её температуры до 18-200С, получение пара в котле – утилизаторе, получение горячей воды в теплообменнике, использование полученной воды для получения водяного пара, использование полученного водяного пара для газификации углеродистого материала в газогенераторе, выделение двуоксида углерода абсорбцией газа растворами щелочей, разделение оставшегося газа на отдельные чистые газы на полупроницаемых мембранах, причём технологический газ после газогенератора
смешивают с воздухом и сжигают в топке реактора эндотермических способов получения вещества, основную часть тепла газа используют для осуществления эндотермических способов получения вещества, образующиеся вещества в реакторе эндотермических способов пропускают через теплообменник-холодильник для снятия его тепла и снижения температуры до 18-200С, газовую смесь подают в межкорпусное пространство реактора нагрева угля, далее направляют в котел-утилизатор для получения водяного пара пропускают через теплообменник-холодильник и подают в конденсационную колонну для выделения из её состава водяного конденсата, оставшуюся сухую смесь газов направляют в абсорбер для выделения СО2, очищенная от СО2 смесь газов разделяют на отдельные компоненты в мембранном разделителе.
На рисунке показана принципиальная технологическая схема предлагаемого способа газификации угля для производства тепла и химических веществ.
Предлагаемый способ газификации угля для производства тепла и химических веществ осуществляется следующим образом.
Первоначально до газификации в газогенераторах уголь подают в тепловой реактор (1), обогреваемый через стенку, и нагревают до температурах 350 - 4500С. В тепловом реакторе (1) уголь очищают от всех летучих веществ его состава. Летучие вещества, состоящие из тяжелых углеводородов, бензола с его производными, фенолов, высокомолекулярных и гуминовых органических кислот, охлаждают холодной водой в специальном теплообменнике- холодильнике (2) для перевода их в жидкое состояние и собирают в сборнике (3) для последующего их разделения на отдельные компоненты. Соотношение количеств охлаждающей воды и летучих веществ состава угля выбирают таким образом, чтобы превратить летучие вещества в жидкую смесь, а холодную воду в пар с температурой 1000С.
В реакторе (1) остаётся смесь углеродистого материала и смолистых веществ. После реактора данная смесь подвергается механическому разделению в разделителе (4), смолистые вещества используются для получения строительного пека, а углеродистый материал с содержанием С более 80 % направляется для газификации в газогенератор (5). В газогенераторе (5) подаются также в качестве окислителей углерода необходимые количества водяного пара и воздуха. В газогенераторе (5) протекает автотермический процесс газификации очищенного от примесей углеродистого материала.
Из газогенератора (5) образующийся технологический газ подают в смеситель (6) и смешивают с воздухом с образованием газо-воздушную смесь. Газо-воздушную смесь сжигают в топочной камере реактора эндотермических способов получения вещества (7). Основную часть тепла от сжигания технологического газа используют для осуществления эндотермических способов получения веществ. Из реактора (7) технологический газ поступает в межкорпусное пространство теплового реактора (1), где используется как энергоноситель для нагрева поступающего угля. Вещества, образующиеся в эндотермическом реакторе (7), поступают в теплообменник-холодильник (8), где охлаждаются до 18-200С, образующийся водяной пар с температурой 1000С возвращается в технологический цикл газификации угля.
Из теплового реактора (1) смесь газов направляют в котёл – утилизатор тепла (9), где охлаждают, тем самым смесь газов отдает свое тепло воде, при этом образуется водяной пар, который направляется в газогенератор (5) в качестве окислителя углерода. Предусмотрено ещё дополнительное охлаждение газа в теплообменнике-холодильнике (10), где за счёт его остаточного тепла газовой смеси образуется горячая вода, которая затем направляется в котёл-утилизатор (9) для получения пара.
Смесь газов после снятия его тепла в теплообменнике (10) и достижения температуры до 18-200С направляется в конденсационную колонну (11), где из её состава выделяется водяной конденсат, а сухая смесь газов поступает в абсорбер (12), где из её состава выделяется СО2. Выделение СО2 осуществляют его связыванием щелочами в виде твердых продуктов, например, поглощением CO2 щелочью NaOH получают соду Na2CO3, или применяя гашёную известь Са(ОН)2, получают кальцит кальция СаСО3, используемый в производствах искусственного камня, минеральных красок и т.п. Если имеется необходимость в получение чистого двуоксида углерода, например для получения карбамида или других углеродсодержащих веществ, то эффективным является применение способа абсорбции СО2 растворами этаноламинов с последующей десорбции СО2 из них. Данный способ широко применяется в химической промышленности и является эффективным ввиду хорошей адсорбционной способности растворов этаноламинов по отношению к двуоксида углерода и многократного их использования по циклической схеме. Из этаноламинов в основном применяют растворы моноэтаноламина (МЭА) и диэтаноламина (ДЭА) [3].
Очищенный от СО2 смесь газов направляется в отделение мембранного разделения газов (13), где на полупроницаемых мембранах его разделяют на отдельные газы N2, Ar, СН4, Н2, SO3, окислы азота, Р2О5 и другие. Получаемые чистые газы в отдельности будут ценными видами сырья в производствах соответствующих химических веществ.
Выделяемая в газогенераторе (5) зола охлаждается в теплообменнике-холодильнике (14)до нормальных температур, затем она будет использована в производстве строительных
материалов (кирпич, вяжущие вещества, бетон и т.п.), а также для переработки с целью выделения таких оксидов, как Аl2O3, SiO2, Fe2O3 и другие. Получаемая при охлаждении золы горячая вода
и водяной пар используются для технологических нужд производства.
Пример. Для газификации угля использована проба угля Фон - Ягнобского месторождения следующего состава, масс.%׃
С-81,0; Н-5,2; N-1,0; O-2,0; S-1,4; зола-5,3; влажность угля-4,0, причём содержание летучих веществ 0,98%, содержание смолы 4,5%. Газификация угля осуществляется при температуре 10500С. В качестве окислителей используется смесь водяного пара и воздуха. Расход окислителей (воздух и водяной пар) на единицу количества угля, количества образующихся компонентов и состав технологического газа после газогенератора, количества воздуха и образующихся компонентов и состав технологического газа после сжигания в реакторе эндотермических способов получения вещества определяются расчётом материального баланса способа, а количества тепла определяется расчётом теплового баланса всего цикла предложенного способа.
В данном примере для увеличения количеств теплотворных газов (СН4,Н2,СО и Н2S) и снижения доли нетеплотворных газов (СО2, Н2О, N2) в составе технологического газа расчёты материального баланса проведены согласно принципу, что 1/20 часть углерода превращается в СО2,а 45% углерода – в метан, остальное количество углерода превращается в СО. При этом, для газификации 1000 кг угля по данному принципу необходимо израсходовать 1962 кг воздуха и 187 кг водяного пара, при этом образуется 3430 м3технологический газ следующего состава, масс. %: СО2-2,10; СО -21,5; СН4 -19,4; Н2-19,8; Н2О-2,50; N2-34,40; H2S-0,30. Удельная теплотворность полученного технологического газа 13,09 мДж/м3, из 1000 кг угля данного состава образуется газ с теплотворностью 44899,0 мДж, что эквивалентно 12470 кВт-ч электроэнергии.
Способ осуществляется при следующем температурном режиме: паро - воздушная газификация угля осуществляется в реакторе (5) при температуре 10500С, затем образующийся технологический газ с этой температурой поступает в смеситель (6), куда подается 9783,7м3 воздуха. При сжигании воздушно-газовой смеси газа образуется 12500,3 м3 смеси газов следующего состава, %: СО2- 11,8; Н2-16,85; N2 + инертные газы – 71,27; SO2– 0,08.
После сжигания технологического газа с воздухом температура образующейся газовой смеси без теплоотдачи составляет 32050С. Газовая смесь с данной температурой нагревает реактор (7), где отдает основное количество своего тепла для осуществления эндотермических способов получения вещества.
В реакторе эндотермических способов получения вещества (7) осуществляется любой эндотермических способов получения вещества или преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Вид эндотермического способа получения вещества зависит от вида применяемого производства материалов или энергии, где из вне требуется затратить тепловую энергию. В качестве примера можно назвать производства цемента, разложения известняков при получении извести, разложение гипсового камня в производстве строительного гипса, превращения тепловой энергии в электрическую и т.п.
Образующиеся вещества в реакторе (7) поступают в теплообменник-холодильник (8), где охлаждаются до 18-200С, при этом образующийся водяной пар с температурой 1000Свозвращается в технологический цикл газификации угля.
Из реактора эндотермических способов получения вещества (7) технологический газ после отдачи основного количества своего тепла поступает в межкорпусное пространство реактора (1), где нагревает поступающий уголь до температуры 4500С, далее газ поступает в котёл-утилизатор (9) и в теплообменник-холодильник (10), где освобождается от остаточного тепла и с температурой до 200С поступает в абсорбер выделения из его состава СО2. При охлаждение газа в котле-утилизаторе тепла (9) образуется 856 кг водяного пара с температурой 1000С. Очищенный от СО2 газ поступает в мембранный разделитель (13), где на полупроницаемых мембранах его разделяют на отдельные газы, которые будут использованы для получения соответствующих химических веществ или в качестве чистых газов. При разделение 12500,3 м3 технологического газа образуются чистые газы в количествах, м3: СО2 - 1474,9; Н2О - 2106;N2 + инертные газы – 8909;SО2 - 10,29.
Таким образом, предлагаемый способ газификации угля для совмещённого производства тепла и химических веществ является беотходным. Он позволяет использовать тепла технологического газа газификации угля, смеси газов от сжигания технологического газа газификации угля, летучих веществ и золы для обеспечения протекания эндотермических способов получения вещества и для получения водяного пара или горячей воды, используемых во внутренном цикле способа газификации угля, и получить химически чистые вещества и отдельные газы, которые имеют широкое применение в химической промышленности. Способ является экологически чистым, поскольку не имеет отходов, загрязняющих производства тепла и материалов
