RZECZPOSPOLITA POLSKA OPIS PATENTOWY 154 876 Patent dodatkowy do patentu n r ---- Int. Cl.5 C10J 3/56 Zgłoszono: 87 10 15 /P. 287912/ Pierwszeństwo: 86 10 16 Republika Federalna Niemiec URZĄD PATENTOWY RP Zgłoszenie ogłoszono: 88 05 16 Opis patentowy opublikowano: 1992 04 30 Twórcy wynalazku: Helmut Kubiak, Hans J. Schröter, Gunter Gappa, Heinrich Kalwitzki, Klaus Knop Uprawniony z patentu: Bergwerksverband GmbH, Essen /Republika Federalna Niemiec/ GENERATOR DO ALLOTERMICZNEGO ZGAZOWANIA WĘGLA Przedmiotem wynalazku jest generator do allotermicznego zgazowania węgla ze złożem fluidalnym i z umieszczonymi wewnątrz rurami wymiennika ciepła. Zgazowywanie paliw stałych za pomocą generatorów następuje w zasadzie w podwyższonych temperaturach. Ciepło, niezbędne do nagrzewania i przemiany, jest dostarczane bądź przez częściowe spalanie /metoda sutotermiczna/, bądź przez doprowadzanie jako ciepła obcego /metoda allotermiczna/. Zgazowywanie allotermiczne daje w porównaniu ze zgazowywaniem autotermicznym tę korzyść, że nie zachodzi konieczność częściowego spalania paliwa w komorze zgazowywanie, w celu dostarczenia ciepła. W przypadku zgazowywania allotermicznego ciepło można pobierać z dowolnych obcych źródeł, na przykład wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych, lecz również z komór spalania, w których spala się część wytworzonego produktu gazowego. Korzyść ta występuje w przypadku zarówno zgazowywania węgla aż do dużych stopni przemiany, jak i zgazowywania częściowego, przy Którym oprócz gazu należy wytwarzać drobny koks - przykładowo dla potrzeb procesu wytwarzania surówki w połączeniu z produkcją gazu. Allotermiczne generatory gazu ze złożem fluidalnym o konstrukcji leżącej i stosującej są jako takie znane, na przykład z opisów patentowych RFN nr 24 23 951.8, nr 25 49 784.1, nr 31 12 708, 8 i nr 30 42 142. W wynalazkach tych przyjęto za punkt wyjścia, że do wszystkich obszarów generatora gazu doprowadza się równolegle nośnik ciepła o wysokiej temperaturze wstępnej, także też do obszaru dawkowania węgla. W obszarze tym następuje nagrzanie doprowadzonego węgla, przy czym najpierw oddziela się lotne części składowe, zawarte w węglu. Poszczególne cząstki węgla przechodzą przy tym pod względem swej struktury i swego składu chemicznego do stanu cząstek Koksu. Podczas gdy oddzielone lotne części składowe, zwłaszcza powstałe smoły, podlegają dalszym przemianom w ramach reakcji wtórnych, otrzymany koks zaczyna się zgazowywać. Proces uwalniania części lotnych i tworzenia się koksu, który poprzedza właściwy proces zgazowywania, nazywa się pirolizą. Odpowiednia strefa generatora gazu, w której w zasadzie przebiega ta piroliza, jest nazywana dalej strefą pirolizy. 154 876
2 154 876 Celem wynalazku jest takie dalsze rozwinięcie generatora wymienionego na wstępie rod zaju, aby doprowadzane ciepło było optymalnie wykorzystywane. Zgodnie z wynalazkiem, cel ten osiągnięto d zię k i temu, że walcowy zbiornik c iśn ie niowy umieszczonego w pozycji stojącej generatora gazu jest podzielony na strefę nagrzewania i p ir o l iz y, znajdującą się w jego górnym obszarze, na umieszczoną p o n iżej, oddzielną strefę zgazowywania oraz na umieszczoną pod nią, oddzielną strefę chłodzenia, strefa nagrzewania i pirolizy jest zaopatrzona w otwory do napełniania węglem, mająca postać strumieniowych otworów zasilających, z doprowadzeniem gazu z obiegu zwrotnego g azu surowego lub z doprowadzeniem pary, strefa zgazowywania zawiera doprowadzenie pary, która jest połączone z dnem napływowym, a stre fie chłodzenia przyporządkowane są: doprowadzenia pary z dnem napływowym i śluza wyładowcza, w strefie nagrzewania i p ir o lizy umieszczone są: doprowadzenie gazowego nośnika ciepła i rury wymiennika ciepła oraz przewód łączący, który jest połączony w strefie zgazowywania z rurą wymiennika ciepła i z odprowadzeniem gazowego nośnika ciepła, pomiędzy strefą zgazowywania a strefą nagrzewania i piro lizy przewidziana jest przegroda, przepuszczająca gaz i ciała stałe, a powyżej strefy nagrzewania i piro lizy znajduje się przestrzeń zbiorcza gazu z odprowadzeniem g azu. W przykładzie wykonania generatora gazu pracującego w pozycji stojącej korzystne jest to, że oszczędza s ię znaczne ilo ś c i pary wodnej, ponieważ para wodna, doprowadzona do strefy zgazowywania, przepływa po jej częściowej przemianie w tej strefie wraz s wytworzonym gazem bezpośrednio do obszaru pirolizy ta k, iż w praktyce nie istnieje dodatkowe zapotrzebowanie na parę wodną w tej stre fie. Jednocześnie wynika stąd dalsza korzyść, że mianowicie w obszarze zgazowywania można utrzymywać bardzo wysoki poziom zawartości pary wodnej, co również wspiera kinetykę. Para wodna, która nie uległa przemianie w obszarze zgazowywania, wystarcza całkowicie do tego, 8by pokrywać zapotrzebowanie na nią w obszarze piro lizy do celów przemiany smołow ej. Inna zaleta wykonania generatora gazu w p o zy cji stojącej polega na tym, że umieszczenie jednego nad drugim obszaru p iro lizy i obszaru zgazowywania umożliwia oddzielenie obu s t r e f za pośrednictwem przegrody, przepuszczającej gaz i ciała sta łe. Uzyskany w ten sposób podział na dwa stopnie /układ kaskadowy/ ogranicza znacznie niepożądane mieszanie się świeżo doprowadzonego paliwa z paliwem z obszaru zgazowywania /tak zwany backmixing/ tak, iż możliwe jest również zgazowywanie z dużymi stopniami przemiany. Dalsze korzyści w porównaniu z innymi sposobami wynikają w przypadku zarówno leżącej, jak i stojącej postaci wykonania generatora gazu e chłodzenia resztkowego koksu w strefie chłodzenia. W przykładzie wykonania generatora pracującego w pozycji leżą cej, koks resztkowy podlega chłodzeniu po przejściu ze strefy zgazowywania do strefy chłodzenia za pomocą produktu gazowego lub pary o niskiej temperaturze. W stojącej postaci wykonania chłodzenie to odbywa s ię najkorzystniej przy użyciu pary o tempera tu rze, wyższej o 20-10 0 C od temperatury rosy, w celu zapobieżenia hamowaniu reakcji prze z produkt gazowy w położonej powyżej strefie zgazowywania. Jednocześnie osiąga się w ten sposób to, że koks resztkowy zostaje ochłodzony do temperatury, w której możliwe jest jego prostsze technologicznie odprowadzanie. Z drugiej strony jeszcze większa korzyść wynika stąd, że możliwe staje się efektywne wykorzystanie niebzgatelnej ilo śc i ciepła wytworzonego koksiku, zwłaszcza w przypadku zgazowywania częściowego. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia generator gazu, pracujący w pozycji stoją cej, w przekroju wzdłużnym. Rysunek p rzedstawia zbiornik ciśnieniowy 1, który jest podzielony na cztery strefy, które w przypadku ustawionego w pozycji stojącej generatora 19 gazu są umieszczone jedna nad drugą. Najwyżej położona strefa tworzy przestrzeń zbiorczą 15 gazu, z której można odprowadzać gaz za pośrednictwem króćca 21. Do następnej stre fy, mianowicie strefy nagrzewania i p iro liz y 2, wprowadza się pneumatycznie za pośrednictwem króćca przyłączenio
154 876 3 wego 6 dawki drobnego pyłu węglowego jako materiału zgazowywanego o temperaturze niżs zej od temperatury mięknienia oraz pary jako czynnika zgazowującego o temperaturze od około 700 do 80 0 C z a pomocą doprowadzęnia strumieniowego 5. Szczegóły tego urządz enia zasilającego są opisane w opisie wyłożęniowym RFN nr 31 36 6 4 5. W walcowej c z ęści strefy 2 znajduje się króciec przyłączeniowy 9 do odprowadzania gaz owego nośnika ciepła, który jest połączony z rurami 10 nośnika ciepła. Średnica strefy pirolizy 2 jest dostosowana do prędkości gazu, która ksz tałtuje się w zależności od ilo śc i gazu, wypływającego e leżącej niżej strefy zgazowywania, oraz od ilości g azu, doprowadzanego strumieniowo. Nośnik ciepła prowadzi s ię w przeciwprądzie względem paliwa zgasowywania ze strefy zgazowywania 3 przy niższej temperaturze do strefy pirolizy 2. Strefa zgazowywania 3 znajduje się w środkowej części zbiornika ciśnieniowego 1. Jest ona zaopatrzona u dołu w króciec przyłączeniowy 7 do doprowadzania p rzegrzanej pary wodnej, natomiast u góry w kró cie c przyłączeniowy 13 do doprowadzania gorącego nośnika ciepła. Nośnik ciepła dopływa przy wysokiej temperaturze /od około 900 do 9 5 0 C / do rur 12 wymiennika ciepła i przenosi swe odczuwalne ciepło na zgazowywane paliw o, w celu dokonania jego przemiany w g a z. Przewodem 11 dopływa ochłodzony gazowy nośnik ciepła do rur 10 wymiennika ciepła w strefie nagrzewania i p iro lizy 2, a za pośrednictwem króćca 9 wypływa znowu ze zbiornika ciśnieniowego 1 przy temperaturze od około 750 do 80 0 C. Przegrzaną parę wodną o temperaturze od około 700 do 80 0 C doprowadza s ię do złoża fluidalnego w strefie 3 za pośrednictwem dna napływowego 8. Według nie uwidocznionego tu wariantu konstrukcyjnego można umieścić króćce przyłączeniowe 9 i 13 do odprowadzania lub doprowadzania gazowego nośnika ciepła również obok siebie w obszarze ogólnego króćca wylotowego. W celu zwiększenia czasu przebywania czynnika zgazowującego /obniżenia backmixing/, strefa zgazowywania 3 i strefa p iro lizy 2 są oddzielone od siebie za pomocą p rzegrody 14, przepuszczającej gaz i ciała stałe. Przegroda 14 jest tak rozwiązana, że w jej zewnętrznym, położonym blisko ścianki obszarze przepływa korzystnie pył węglowy ze strefy pirolizy 2 do strefy zgazowywsnia 3, czyli w kierunku, przeciwnym kierunkowi ruchu ciał stałych, który powstaje w złożu fluidalnym. Tuż poniżej strefy zgazowywania 3 znajduje się - jeszcze w walcowej części zbiornika ciśnieniowego 1 - strefa chłodzenia 4 do obniżania temperatury pozostałości paliw a. Strefę chłodzenia 4 zasila s ię za pośrednictwem króćca przyłączeniowego 16 i d na napływowego 17 parą wodną, której temperatura jest wyższa o 20 do 10 0 0C od temperatury rosy. Strefa chłodzenia 4 pracuje korzystnie jako warstwa ruchoma, jednak pozostsłość paliwa można również poddawać fluidyzacji przez zwiększenie ilości pary napływowej. Poniżej dna napływowego 17 zbiornik ciśnieniowy zwęża się stożkowo aż do króćca przyłączeniowego 18 do odprowadzania ochłodzonej pozostałości paliwa, które można uzyskać za pomocą nie uwidocznionej tu śluzy według opisu patentowego RFN nr 33 59 061. Przykłady porównawcze. Przeprowadz a się poniżej porównania istotnych danych sposobu alloterm icz nego zgazowywania węgla według wynalazku ze znanymi dotychczas sposobami zgazowywania węgla za pomocą pary wodnej /zobacz na przykład opisy patentowe RFN nr 24 23 9 5 1.8, nr 25 49 7 8 4.1, nr 31 12 7 0 8.8 /. W celu uzyskania lepszej porównywalności, przyjmuje się za podstawę moc cieplną źródła ciepła równą 340 MW. Dla przypadku zgazowywania zupełnego /t a b lic a 1 / konfrontuje się ze sposobem z generetorem gazu o konstrukcji leżącej według stanu techniki sposoby z leżącym lub stojącym generatorem gazu według wynala z ku. W przypadku zgazowywania częściowego /tablica 2 / do czego nadaje się szczególnie stojący generator gazu, przeprowadza się jedynie porównanie pomiędzy zgazowsniem według stanu techniki a zgazowaniem według wynalazku ze stojącym generatorem ga zu.
4 154 876 T a b l i c a 1 Porównanie w przypadku zgazowywania zupełnego /przemiana 95%/ Zga zowanie w generatorze stojącym według wynalazku Zga zowanie według stanu techniki w generatorze leżącym Moc ciepła źródła ciepła MW 2 x 170 = 340 1 x 340 Liczba generatorów gazu 2 1 Wymiary generatorów gazu Długość/wysokość m 20 33 Średnica zewnętrzna m 7,0 7,0 Ciśnienie bar 21 44 Stopień przemiany węgla % 95 95 Przepustowość węgla t /h 3 0,5 2 7,3 Jednakowe zużycie th2o/twęgla pary wodnej 2,5 3 6,9 5 Stopień rozkładu pary wodnej Wykorzystanie wysokotemperaturowego ciepła % 52 19 % 1 0,0 9,4 T a b l i c a 2 Porównanie w przypadku zgazowywania częściowego /przem iana 50%/ Zgazowanie w generatorze stojącym według wynalazku Zgazowanie w generatorze leżącym według wynalazku Moc cieplna źródła ciepła kw 2 x 170 = 340 1 x 340 Liczba generatorów gazu 2 1 Wymiary generatora gazu Długość/wysokość m 20 33 Średnica zewnętrzna m 7,0 7,0 Ciśnienie bar 21 44 Stopień przemiany węgla % 50 50 Przepustowość węgla t /h 1 1 2,0 8 4,6 Jednostkowe zużycie pary wodnej t H2O\ t w ę gla 0,9 9 2,44 Stopień rozkładu pary wodnej % 5 2,0 21,1 Wykorzystanie wysoko-, temperaturowego ciepła % 19,6 1 3,7 x / Przy określaniu wykorzystania wysokotemperaturowego ciepła na zgazowywanie węgla uwzględnia s ię stosunek A nośnika ciepła w urządzeniu zgazowującym do całkowitego Δ n o ś n ika ciep ła. Tak określa się na przykład całkowity w przypadku nuklearnego zgazo- wywania węgla na podstawie temperatury przepływu tam i z powrotem helu wtórnego.
154 876 5 Z tablicy 1 wynika, że zgazowanie według wynalazku przy jednakowej będącej do dyspoz y c ji mocy cieplnej źródła ciep ła, wynoszącej 340 KW, oraz przy jednakowym stopniu przemia ny węgla, wynoszącym 95%, w przypadku stojącego generatora g a zu przy nieco większej przepustowości węgla niezbędne jest wyraźnie mniejsze zużycie pary wodnej, niż w sposobie według obecnego stanu t e c h n ik i. Wynika to w zasadzie z cech wynalazku i z obniżenia c iś n ie n ia. W przypadku leżącego generatora gazu obok tej samej korzyści, dotyczącej zużycia pary wodnej, dochodzi jeszcze korzyść, związana z około dwukrotnie większą przepustowością węgla i z wyraźnie lepszym wykorzystaniem ciepła wysokotemperaturowego. Analogiczne korzyści ujawniają s ię wówczas, gdy w celu jednoczesnego wytwarzania drobnego koksu należy przeprowadzać jedynie zgazowywanie częściowe /ta b lica 2 /. W porównaniu ze zgazowywaniem przy stopniu przemiany, równym 95%, w przypadku stopnia przemiany, równego 50%, obserwuje się w stojącym generatorze gazu także korzyść, związaną z wyraźnie większą przepustowością węgla, gdy porównuje się ze sposobem według obecnego stanu te ch n ik i. Z a s t r z e ż e n i e p a t e n t o w e Generator do allotermicznego zgazowywania węgla ze złożem fluidalnym i z umieszczonymi wewnątrz rurami wymiennika c ie p ła, z n a m i e n n y tym, że walcowy zbiornik ciśnieniowy / 1/ umieszczonego w p o zy c ji stojącej generatora gazu / 1 9 / jest podzielony na strefę nagrzewania i p iro lizy / 2 /, znajdującą się w jego górnym obszarze, na umieszczoną p o n iżej, oddzielną strefę zgazowywania / 3 / oraz na umieszczoną pod nią, oddzielną st re fę chłodzenia / 4 /, to strefa nagrzewania i p iro lizy / 2 / jest zaopatrzona w otwory do napełniania węglem, mające postać doprowadzeń strumieniowych / 5 /, z doprowadzeniem gazu z obiegu zwrotnego gazu surowego lub z doprowadzeniem / 6 / pary, że strefa zgazowywania / 3 / zawiera doprowadzenie / 7/ pary, które jest połączone z dnem napływowym / 8 /, a strefie chłodzenia / 4 / przyporządkowane są: doprowadzenie / 1 6 / pary i dnem napływowym / 1 7 / i śluza wyładowcza / 1 8 /, że w strefie nagrzewania i p iro lizy / 2 / umieszczone są doprowadzenia / 9 / gazowego nośnika ciepła i rury / 1 0 / wymiennika ciepła oraz przewód łączący / 11 /, który jest połączony w strefie zgazowywanie / 3 / z rurą / 1 2 / wymiennika ciepła i z odprowadzeniem / 1 3 / ga zowego nośnika ciepła, że pomiędzy strefą zgazowywania / 3 / a strefą nagrzewania i p ir o liz y / 2 / umieszczona jest przegroda / 1 4 /, przepuszczająca gaz i ciała stełe, a powyżej strefy nagrzewania i pirolizy / 2 / znajduje się przestrzeń zbiorcza / 15 / gazu z odprowadzeniem / 2 1 / gazu.
154 876 Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz. Cena 3000 zł