Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Процессы газификации и горения твердого топлива. Учебное пособие
.pdf
51
способность угля к вспучиванию и исключается его спекание. Способ Hygas состоит из двух ступеней (рис. 4.11).
Рис. 4.11. Схема способа Hygas: 1 – зона испарения масла; 2 – зона разделения
твердых веществ и газа; 3 – первая ступень гидрогазификации (675 °С,
~ 7 МПа); 4 – вторая ступень гидрогазификации (955 °С, ~ 0,7 МПа);
5 – зона газификации водяным паром и кислородом (1020 °С, ~ 7 МПа)
Перед первой ступенью измельченный уголь затирают легким
маслом в пасту, которую можно подавать насосом. Углемасляная паста постоянно находится в циркуляции, чтобы предотвратить высаживание более крупных частичек из относительно невязкого масла.
Из емкости, где она циркулирует, пасту перекачивают в верхнюю
зону газогенератора, работающую при 7–10 МПа. Здесь масло испаряется за счет тепла горячего сырого газа. Затем масло извлекают из
газа конденсацией и снова возвращают в процесс.
Высушенные частички угля по вертикальной трубе опускаются
в первую ступень гидрогазификации. Там уголь нагревается до
675 ℃ горячим газом из второй ступени; в условиях прямотока он
52
подвергается термическому разложению и частично газифицируется.
Продукты полукоксования подвергают гидрогенизации. При времени пребывания ~ 10 с до 20 % угля газифицируется (главным образом до метана). В результате снижения скорости в расширенной,
верхней части первой ступени газ и твердые вещества разделяются;
частично газифицированный уголь через вертикальную трубу опускается во вторую ступень гидрогазификации.
Во второй ступени гидрогазификации уголь подвергают дальнейшей газификации водяным паром и водородсодержащим газом
при 955 ℃. Температура регулируется самопроизвольно – за счет перераспределения долей различных реакций. Экзотермическая реакция образования метана подавляется с повышением температуры в
противоположность эндотермической реакции водяного пара с углем. Температура определяется равновесием между выделением и
поглощением тепла. В этих двух ступенях углерод исходного угля
газифицируется на ~ 45 %.
Водородсодержащий газифицирующий агент получают автотермической газификацией кокса водяным паром и кислородом.
Остаточный кокс можно применять для производства газифицирующего водородсодержащего агента. На рис. 4.11 представлен
один из вариантов – автотермическая газификация остаточного кокса
водяным паром и кислородом в псевдоожиженном слое, непосредственно объединенная с газогенератором Hygas.
Состав сырого газа при автотермической газификации кокса,
% об.:
– СО – 18,0;
– Н2 – 22,8;
– СО2 – 18,5;
– С2Н6 – 0,5;
– СН4 – 14,1;
– H2S – 0,9;
– водяной пар – 24,4;
– другие компоненты – 0,8.
Теплота сгорания газа равна Qв = 15,1 МДж/м3.
2. На рис. 4.12 показана поточная схема способа Bi-Gas. Уголь
измельчают до пылевидного состояния (70 % фракции менее
0,074 мм), замешивают с водой в пасту с 60 % твердых частиц и по-
дают насосами на первую ступень газогенератора с рабочим
53
давлением 7–10 МПа. После этого пасту сушат и подогревают циркулирующим горячим сырым газом. Затем поток газа и угля смешивают с водяным паром и вдувают во вторую ступень газогенератора.
Там уголь реагирует с горячим газом из первой ступени, образуя метан и водяной газ.
Рис. 4.12. Схема способа Bi-Gas: 1 – вертикальная сушилка для угля;
2 – бункер для кокса; 3 – котел-утилизатор; 4 – промежуточный бункер
для свежего угля; 5 – вторая ступень газификации;
6 – первая ступень газификации
Газогенератор представлен на рис. 4.13. Обе форсунки, подающие угольную пасту (на рисунке дана одна), расположены друг против друга и имеют наклон 30° к горизонту. Угольный поток получает
небольшой импульс, чтобы избежать турбулентности реагентов и рециркуляции частично прореагировавшей углегазовой смеси в горячем газе с первой ступени. Скорость частичек угля при входе во вторую ступень составляет 6–9 м/с.
Образующийся кокс покидает вторую ступень со скоростью
~ 2 м/с, что соответствует среднему времени пребывания 8–10 с.
Температура выходящего сырого газа ~ 900 ℃.
54
Рис. 4.13. Газогенератор для способа Bi-Gas: 1 – вторая ступень газификации;
2 – первая ступень газификации; 3 – добавочная горелка; 4 – форсунка
для пасты; 5 – основные горелки; 6 – ванна для гранулирования шлака
Сырой газ охлаждается за счет распыления в нем воды и освобождается в циклоне от увлеченного кокса.
Кокс транспортируют рециркулирующим сырым газом и совместно с водяным паром и кислородом вводят в первую ступень через три горизонтально расположенные горелки (на схеме даны две) и
газифицируют при ~ 1600 ℃. Входные отверстия горелок ориентированы несколько в сторону от середины реакционного пространства
газогенератора. Благодаря этому возникают завихрения, достаточные для транспортирования тяжелых капель шлака к стенке аппарата, по которой они стекают через выпускное отверстие в ванну для
гранулирования шлака. Дополнительная горелка необходима для
поддержания шлака в жидком состоянии. Продолжительность
55
газификации кокса в первой ступени ~ 2 с. Полученный газ через
сужение в газогенераторе поступает во вторую ступень.
Важные достоинства процесса следующие:
– возможность перерабатывать любые угли без предваритель-
ной подготовки (за исключением измельчения);
– условия, имеющиеся на второй ступени газификации, пре-
пятствуют удалению смолы и масла с газом;
– обе ступени объединены в одном газогенераторе с помощью
относительно простой конструкции;
–
единственным побочным продуктом (кроме шлака) является
сера.
3. Способ Hydrane. Схема способа показана на рис. 4.14. Уголь
измельчают в пыль и подают в первую ступень газогенератора (гидрогазификация угля). Здесь уголь подвергается превращениям в
«разбавленной фазе» в прямотоке с газифицирующим агентом, которым является газ, полученный во второй ступени (50 % водорода и
50 % метана). Для спекающихся углей предварительная обработка не
требуется, так как концентрация угольных частичек в первой ступени
очень небольшая, и поэтому число столкновений между ними мало.
В первой ступени в метан превращается ~ 20 % угля.
Образующийся полукокс подают во вторую ступень, в которой
он в псевдоожиженном слое подвергается гидрогазификации. Остаточный кокс из этой ступени используют для производства водорода,
нужного для гидрогазификации. На схеме изображено автотермическое производство водородсодержащего газа с использованием водяного пара и кислорода, как это предусмотрено для установки производительностью 20 т в сутки.
Двухступенчатый газогенератор для способа Hydrane показан
на рис. 4.15.
В верхней зоне в «разбавленной фазе» протекают реакции свежего угля в прямотоке с газифицирующим агентом. Угольные частички из этой зоны свободно падают в нижнюю ступень. Соударения между отдельными частичками, что могло бы привести к
агломерации, очень редки. Температуру стенок аппарата следует
поддерживать на уровне ~ 800 ℃, чтобы предотвратить налипание на
них угля. Частички, попадающие в нижнюю ступень, полностью
утрачивают способность спекаться. Здесь в псевдоожиженном слое
они подвергаются дальнейшей гидрогазификации. Газ из этой ступени вводят в верхнюю ступень.
56
Этот способ по сравнению с другими имеет ряд преимуществ:
высокий КПД, возможность применения любых углей без предварительной обработки, небольшая потребность в водяном паре и кислороде. Кроме того, неразложенный водяной пар из ступени производства газифицирующего агента взаимодействует только с коксом,
который «загрязнен» водой существенно меньше, чем уголь после
термического разложения; в этом случае значительно упрощается переработка аммиачной воды [8].
Рис. 4.14. Расположение блоков при способе Hydrane: 1 – подготовка угля;
2 – гидрогазификация угля; 3 – гидрогазификация полукокса;
4 – производство водорода
57
Рис. 4.15. Двухступенчатый опытный газогенератор для способа Hydrane:
1 – разбавленная фаза; 2 – псевдоожиженный слой;
3 – распределительное устройство для газа
4.5. Продукты газификации, их выделение и переработка
4.5.1. Газообразные продукты и их очистка
Очистка газа. После обеспыливания и конденсации жидких
компонентов (воды, смолы) проводят очистку полученного синтезгаза. Она должна обеспечить чистоту газопроводов, предупредить
коррозию и исключить отравление чувствительных и дорогих катализаторов при последующих ступенях переработки синтез-газа. В
случае сжигания газа стремятся полностью или частично уменьшить
вредное воздействие продуктов сгорания на окружающую среду.
Пригодность того или другого способа очистки зависит от состава газа, характера и концентрации примесей. Типичными загрязнениями, присутствующими в синтез-газе из угля, являются так называемые кислотные компоненты (СО2 и H2S) наряду с небольшими
концентрациями органических соединений серы. Для удаления всех
этих примесей были разработаны многообразные процессы очистки.
58
Различают способы химической очистки, промывки и сухой адсорбции. Химическая очистка основывается на одной или многих реакциях между удаляемыми компонентами газа и жидкими или твердыми «очищающими реагентами». Очистка идет тем лучше, чем
меньше абсолютное количество примесей (независимо от их концентрации в газе). Давление газа в этом случае несущественно, поэтому
процессы также пригодны при атмосферном давлении.
При физической промывке, напротив, используют повышение
растворимости газов в соответствующих растворителях с увеличением давления и снижением температуры. Эти методы особенно
пригодны при высоком давлении, большой производительности и
значительном содержании загрязнений. Кроме того, применяют комбинирование, при котором протекают как физические, так и химические процессы.
Сухую очистку газов на основе адсорбции (включая хемосорбцию) применяют преимущественно для тонкой очистки и в случае
переработки небольших количеств газов.
1. Химическая очистка. Преимущество химической очистки
состоит в том, что процесс можно направить на удаление специфических загрязнений. Самая известная и самая простая химическая
очистка – вымывание аммиака из газов, содержащих диоксид углерода, водой с образованием раствора гидрокарбоната аммония. Эта
водная промывка служит одновременно для охлаждения синтез- газа,
а чаще всего и является первой ступенью его очистки, особенно, если
газ получали среднетемпературной газификацией, так как водой
можно отмыть и другие растворимые загрязнения – хлориды, фенолы, жирные кислоты, цианиды.
Большие количества диоксида углерода, например, из газа конверсии, удаляют, промывая газ горячим раствором карбоната калия
при ~ 100 ℃. Варианты процесса различаются числом рабочих ступеней и содержанием активаторов в промывном растворе. Активатор
оказывает не только каталитическое действие на адсорбционные и
десорбционные реакции (и позволяет благодаря этому применять
меньшую по размеру аппаратуру), но и защитное антикоррозионное
действие. Для тонкой очистки от СО2 можно промывать газ водным
раствором аминов или метанированием.
Алкацидный процесс применяют для селективного удаления сероводорода или для совместной отмывки сероводорода и диоксида
59
углерода. Используют два различных абсорбента: алкацид ДИК (раствор калиевой соли диэтил- или диметилглицина) – для отмывки от
сероводорода – или алкацид М (натриевая соль аланина) – для совместного удаления H2S и СО2. Газ очищают в противоточном абсорбере. Промывной раствор направляют через теплообменник в отпарную колонну, где жидкость нагревается водяным паром, подаваемым
противотоком к ней. При этом выделяется так называемый кислотный газ. Очищенную промывную жидкость из отпарной колонны
направляют через теплообменник и холодильник снова в абсорбер.
2. Промывка. Самый старый физический способ – промывка
газа водой под давлением для удаления диоксида углерода (и сероводорода). Раньше этот способ широко применяли, но его осуществление связано с большим расходом электрической энергии и загрязнением окружающей среды.
Для очистки под давлением синтез-газа, получаемого из угля,
фирмами Lurgi – Linde разработан процесс Rectisol, в котором в качестве промывного агента используют метанол при низких температурах (до –70 ℃). В этом процессе – типичном процессе физической
промывки – разные задачи следующих друг за другом ступеней промывки и тонкой очистки решаются с помощью единственного агента.
Это достигается тем, что промывной агент наиболее целесообразным
образом распределяется по многим ступеням промывки и регенерации. Благодаря такому методу сероводород, содержащийся в сыром
газе в очень небольшом количестве, можно концентрировать с получением газа, пригодного для переработки в свободную серу или серную кислоту
3. Комбинированная промывка. Реагентом для очистки слу-
жит смесь алканоламина (большей частью диизопропаноламин) и
сульфолана. Первый компонент осуществляет химическую абсорбцию, а второй выполняет роль органического растворителя, который
растворяет сероводорода почти в 8 раз больше, чем вода.
Газ, как и при алкацидном процессе, промывают в абсорбционной колонне под давлением раствором реагента в противотоке. При
этом захватываются и органические сернистые соединения. В так
называемой плоской башне отгоняют большую часть углеводородов,
а жидкость направляют в отпарную колонну. Здесь промывная жидкость при подаче водяного пара освобождается от кислотных газов.
Реагент возвращают через теплообменник и холодильник в абсорбер [8].
60
4. Сухая очистка (адсорбция + хемосорбция). Кислотные
компоненты можно удалять из синтез-газа на молекулярных ситах,
однако такие методы применяют главным образом в случае малозагрязненного газа. Принцип очистки состоит в том, что путем адсорбции на активной твердой поверхности и последующей десорбции
происходит концентрирование примесей (вода, диоксид углерода,
сероводород), а затем эти примеси удаляют химической очисткой
или промывкой. Сероводород можно адсорбировать также на кальциевом алюмосиликате и затем окислять его горячим диоксидом
серы или воздухом до паров серы (процесс Haines).
Типичным представителем процессов, основанных на применении молекулярных сит, является процесс фирмы Union Carbide [10].
Сырой газ освобождают от примесей в адсорбере. Часть очищенного
газа нагревают до 300–400 ℃ и подают во вторую колонну (с насыщенным адсорбентом) в обратном направлении к рабочему потоку;
там примеси десорбируются. Эту часть потока, обогащенную загрязнениями, охлаждают и промывают аминами и гликолями. В результате газ очищается, а затем его подмешивают к сырому газу перед
адсорбером.
Переработка и выделение побочных продуктов газоочистки.
Примеси, удаляемые из газа, получаемого газификацией угля, можно
использовать для выделения аммиака, сероводорода и диоксида углерода в виде, пригодном для последующего использования, особенно если процессы очистки комбинированы с процессами синтеза
аммиака и карбамида. Наиболее целесообразно перерабатывать аммиачную воду, получаемую при конденсации. В этом случае используются также получаемые при среднетемпературной газификации газовый бензин, фенолы и смола. Другие вещества, например
цианистый водород, которые оказываются только обременительными, обезвреживают (преимущественно сжиганием), чтобы упростить переработку аммиачной воды. Сточные воды, образующиеся
при химической очистке газа, подвергают рециркуляции или подходящей химической обработке.
Осушка газа. Самыми распространенными осушителями синтезгаза являются силикагель и молекулярные сита (например, обезвоженные силикаты), а также твердые адсорбенты, которые периодически можно обезвоживать путем нагревания. Воду, содержащуюся
в синтез-газе, можно удалять также путем охлаждения газа. В случае
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]