CZ20011039A3 - Způsob energetického vyuľití tuhých paliv s tlakovým zplyňováním a paro-plynovým cyklem a zařízení k jeho provádění - Google Patents

Description

(57) Anotace:

Způsob energetického využití pevných paliv se zplyňováním a paro-plynovým cyklem, s vysokoteplotním čištěním syntetického plynu a částečnou recirkulací spalin spočívá v tom, že uhlíkaté palivo obsahující uhlí a/nebo směs biomasy s uhlím se zplyňuje substechiometrickým spalováním ve fluidní a/nebo transportní vrstvě částic směsí vzduchu a recirkulující částí spalin na minimálně dvou vertikálních úrovních při celkovém stechiometrickém poměru kyslík/palivo 0,3 až 0,8, teplotě 700 až 900 °C a provozním tlaku 1,0 až 2,4 MPa, přičemž teplota v tlakovém zplyňovacím reaktoru se reguluje pomocí průtokového množství a teploty recirkulujících tlakových spalin, tlakového vzduchu, recirkulujícího popílku, odloučeného ze syntetického plynu a obsahem vody paliva vstupujícího nejméně ve dvou vertikálních úrovních do reaktoru, vzniklý syntetický plyn se odsíří a po odloučení tuhých částic spaluje na teplotu nejméně 1100 °C, přičemž spaliny se nechají expandovat a po následném ochlazení spojeném s výrobou páry se jich část recirkuluje. Zařízení k provádění způsobu sestává z tlakového zplyňovacího reaktoru (101), opatřeného nejméně dvěma, v různých vertikálních úrovních umístěnými přívody paliva a nejméně dvěma vertikálně odlišnými přívody vzduchu a recirkulačních spalin a nejméně jedním přívodem recirkulujícího popílku a nejméně jedním přívodem odsiřovacích vápenatých látek a dále odvodem (117) syntetického plynu, který je napojen na nejméně jeden cyklon (102), výstup syntetickéhho plynu z posledního cyklonu (102) je propojen přes nejméně jeden filtr )203) se spalovací komorou (204), jejíž výstup spalin je spojen přes nejméně jednu plynovou turbínu (205) s parním kotlem (206), a výstup spalin z parního kotle (206) je připojen na vstup do komína (306) a na vstup do kompresoru (303) recirkulujících spalin, výstup odloučených tuhých částicpopílku z cyklonu (102) je připojen na fluidní dělič (104), který je spojen jednak s fluidním uzávěrem (103), propojeným pomocí kanálu (111) pro recirkulací popílku se zplyňovacím reaktorem (101) a jednak s fluidní komorou (105) ke konverzi CaS na CaCO₃ a CaSO₄ před vypuštěním cyklonového popílku ze systému.

Způsob energetického využití tuhých paliv s tlakovým zplyňováním a paro-plynovým cyklem a zařízení k jeho provádění

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu energetického využití tuhých paliv, zvláště uhlí a směsi biomasy a uhlí s vyšším obsahem vody, s využitím paro-plynového cyklu s částečnou recirkulací spalin a zařízení k jeho provádění.

Dosavadní stav techniky

Obecnou snahou u energetické aplikace spalovacích procesů s tuhými palivy je dosáhnout maximální možné účinnosti přeměny energie paliva na užitečnou, nejčastěji elektrickou energii při minimalizaci jak plynných emisí, tak i minimalizaci ztrát uhlíku z paliva a škodlivosti tuhých zbytků ze spalování a zplyňování; jako jsou vymyvatelné těžké kovy, některé nestálé-simíl^^pod. Vývoj spalovacích metod a zvyšování účinnosti přeměn energie vedl postupně k zavádění tzv. kombinovaných cyklů (oběhů), využívajících nejen parní turbíny, ale také plynové turbíny schopné pracovat s podstatně vyšší teplotou stlačených spalných plynů - v současnosti okolo 1200 °C. Tyto skutečnosti vedly a vedou k vývoji stupňovitých procesů nejen tlakového fluidního spalování a zplyňování tuhých paliv s účelem dosažení teploty až 1250 °C bez negativních důsledků na chování popelových částic, např. měknutí, tavení, apod. bez přebytečné tvorby NO_X a se zachovanou možností in šitu odsiřování plynů za teplot 750 «>950 °C. v ^J

Z patentů RU ^12^37, WO cjÓ43)468, WO 0^77^28 Al, US 6 10^983, US 6 148 599, EP Q698 726 A2 aj. je známa řada způsobů a uspořádání kombinovaných cyklů využívajících tlakové fluidní zplyňování a spalování tuhých paliv s vysokoteplotním čištěním oxidačních spalin a syntetického plynu, které jsou použity po vzájemném kontaktu ve spalovací komoře ke zvýšení vstupní teploty plynů do plynové turbíny.

Typické uspořádání pro takový proces, např. advanced, staged PFBC/G, obsahuje zplyňovací tlakový reaktor, spalovací tlakový reaktor, dvě nezávislé linky pro vysokoteplotní čištění spalin, které často musí pracovat za odlišných podmínek, jako je teplota, zanášení, četnost zpětných profuků filtrů apod., problematické převody nespotřebovaných zbytků ze zplyňovacího reaktoru do spalovacího reaktoru apod., spalovací komoru pro kontakt oxidačních spalin se syntetickým plynem, která trpí odlišnými podmínkami čištění plynů a tlakovými nerovnoměrnostmi s tím souvisejícími. Kladem těchto technologií je naopak možnost dosažení nízkého nedopalu ve zbytcích z oxidační technologie tlakového spalování a možnost oxidace, případně rozkladu CaS, který vznikl za podmínek zplyňování paliva s obsahem síry.

Dajší zjednodušení a integraci zplyňování a spalování v jednom reaktoru řeší např. patent JP 1118L458 A2, kde přívod vzduchu a paliva je realizován vždy pouze v jedné vertikální úrovni, přičemž v reaktoru je použito pouze nepřímé chlazení generací nebo přehřátím páry v trubkách. V takové' reaktoru se nezbytně vytváří vertikální teplotní profil s možným negativním odrazem ve složení plynů.

Jiným problémem bývá vlhkost paliva, která se někdy řeší integrací sušení paliva do procesů tlakového spalování a zplyňování např. do A-PFBC/G. Sušení paliva je realizováno např. pomocí horkých spalin s nižším obsahem kyslíku nebo pomocí horkého syntetického plynůwpř. patenty US 6 148 599, US 5 695 532. Společným nedostatkem těchto technologií je uvolňování dehtů z paliv, obtížné odlučování často lepivých částic prachového uhlí od plynu s obsahem dehtovitých látek a obtížné zpětné získávání energie použité k odpaření vody z paliva (uhlí).

Podstata vynálezu

Cílem vynálezu je jednak zjednodušení provádění tlakového fluidního zplyňování uhlí, směsi uhlí a biomasy a směsi uhlí a odpadní biomasy, např. čistírenských kalů, a jednak efektivnější, účinnější využití a transformace tepla v kombinovaném cyklu pomocí částečné recirkulace spalin při účinném omezení jak plynných emisí, tak tvorby tuhých odpadů obtížně deponovatelných nebo vyžadujících další úpravy před skládkováním.

Způsob zplyňování podle vynálezu zlepšuje možnost ovlivňování kvality a výhřevnosti syntetického plynu tím, že na rozdíl od známých řešení, např. japonský patent JP 1 :A2, používá vertikální členění přívodů vzduchu, paliva a recirkulujících spalin, přispívající k vyrovnanějšímu vertikálnímu profilu teplot ve zplyňovacím reaktoru a vyšší kvalitě plynu. Na rozdíl od známých řešení využívá pouze přímé chlazení vzduchem, recirkulujícími spalinami a vodou z paliva, čímž je odstraněno nebezpečí koroze a eroze chladících trubek u nepřímého chlazení ve zplyňovacím reaktoru. Dále návrh umožňuje a dokonce také vyžaduje alespoň částečné použití paliva (uhlí, směsi uhlí-biomasa, směsi uhlí-čistírenský kal aj.) s relativně vysokým obsahem vody do 60 % hnj?%ez problematické integrace sušení paliva (uhlí, biomasy) do procesu, zvyšuje celkovou účinnost procesu recirkulací části spalin, tj. vřazením prakticky uzavřeného plynového cyklu se spalinovým kompresorem a průchodem plynovou turbinou.

Ochrana plynové turbíny před zvýšenou koncentrací sloučenin alkalických kovů, těžkých kovů a vanadu je zabezpečena podle vynálezu relativně nižší provozní teplotou keramického filtru (500 K700 °C) před spalovací komorou a případně, podle potřeby, přidáváním jednak aditiva s obsahem S1O2 nebo S1O2 + AI2O3 přímo do zplyňovacího reaktoru a přidáváním určitého množství adsorbentu na bázi aktivního uhlí či hnědouhelného koksu do ochlazeného proudu syntetického plynu před filtrem.

Vynález řeší snížení obsahu CaS v tuhých zbytcích po zplyňování pomocí styku směsi částic popelu, nedopalu, CaCCh, CaSO^ CaS a případně malého množství CaO, se spalinami obsahujícími 2 íj,4°/o obj. kyslíku, nad 12% obj. H2O a nad 8^/0 obj. CO2 za teplot 500-R800^C a tlaků nad l'MPa. Pokud je ve relativně význánlejší množství nedopalu, je možné také přimíchat ke spalinám určité množství vzduchu ke zvýšení koncentrace kyslíku.

Recirkulace jak cyklonového popela tak popílku z filtrů slouží k zajištění menšího uhlíkového nedopalu.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že tuhé palivo obsahující uhlí a/nebo směs biomasy s uhlím se zplyňuje ve fluidní a/nebo transportní vrstvě částic směsí vzduchu a recirkulující částí spalin přiváděných na minimálně dvou vertikálních úrovních při ~ celkovém stechiometrickém poměru spalování kyslík /palivo 0,3 až 0,8, teplotě 700 4-3 900 °C a provozním tlaku 1,0 4-22,4 MPa, vzniklý syntetický plyn se odsíří a po odloučení tuhých částic se spaluje na teplotu nejméně 1100^ C, přičemž spaliny se nechají expandovat a po následném ochlazení spojeném s výrobou páry se jejich část recirkuluje.

přiváděných paliv je ve formě pasty s obsahem vody menším než . Nejméně 30% Z, ť ervo-vA

60% hm:; přičemž všechna paliva obsahující reaktivní hnědé uhlí nebo lignit nebo směs reaktivní uhlí-biomasa nebo směs reaktivní uhlí-bio-odpad, mají průměrnou výhřevnost v

obsah síry a dusíku v suchém stavu pod 1,5 % hrnu obsah vanadu, aršenu a olova v sušině jednotlivě pod 100 mg/kg, obsah chloru v sušině pod 500 mg/kg paliva.

Teplota v tlakovém zplyňovacím reaktoru se reguluje pomocí množství a teploty recirkulujících tlakových spalin vstupujících do reaktoru a do děliče cyklonového popela, teplotou tlakového vzduchu, hmotovým tokem ochlazeného popela z fluidního uzávěru do zplyňovacího reaktoru a také částečně obsahem vody 30 tó60 zplyňovacího reaktoru.

palivu vstupujícím do

Odsiřování syntetického plynu se provádí za podmínek tlakového zplyňování pomocí nezávislého přivádění vápenatého materiálu, s výhodou mletého vápence s obsahem CaO nad 30£/o hny, s obsahem MgO nebo S1O2 nebo AI2O3 nad 5 % hm^Tterý se přidává podle obsahu síry v palivu tak, aby celkový molámí poměr Ca/S za podmínek zplyňování byl větší nebo roven 1,5.

Spodní popel ze zplyňovacího reaktoru a část popela cyklonového, recirkulujícího je před vypuštěním do atmosféry podrobena za tlaků nad 1 MPa kontaktu s plynem - směsí spalin a vzduchu s obsahem kyslíku 3 $.'10 % obj., podle obsahu uhlíkového nedopalu a s obsahem H2O a CO2 za teplot 500 ft800 °C tak, aby přítomný CaS v odpadní popelové směsi byl částečně zoxidován na CaSC>4 a částečně přeměněn působením CO2 a H2O na CaCCL.

Odlučování částic prachu v syntetickém plynu za cyklonem (cyklony) se provádí po ochlazení jmenovaného plynu na filtru (filtrech) za teplot 500$700 °C.

Při obsahu uhlíkového nedopalu v prachu zachyceném na filtru menším než 6 % hni se přidává před filtrem (filtry) do plynného proudu adsorbent na bázi uhlíku (např. aktivní koks) tak, aby celkový obsah uhlíku v zachyceném popelu byl 6 $12 % hmotni.

Při molámím poměru (CaO + K2O + Na2O)/SiO2 v palivovém popelu větším než 1 a při obsahu S1O2 ve vápenci pod 5 % hmot? přidává se do tlakového zplyňování (např. společně s vápenatým materiálem) aditivní látka obsahující SiChnebo směs obsahující AI2O3 + S1O2 jako např. oxidj^emičitý, kaolinit, drcený šamot, popel z fluidního spalování s obsahem S1O2 nad 30% hný. v takovém množství aby molámí poměr (CaO + K2O + Na2O) z paliva + aditivní látky / S1O2 z paliva + aditivní látky byl menší než 1.

Do spalovací komory za filtry se přivádí syntetický plyn o teplotě 500 4? 700 °C, předehřátý vzduch o teplotě vyšší než 350 °C a eventuálně také zemní plyn, čímž po kontaktu a shoření vznikají spaliny o teplotě nad 1100 °C, přičemž celkový průměrný obsah kyslíku ve spalinách za plynovou turbínou j e 2 obj..

Část ochlazených spalin o teplotě 120 Z180 °C a obsahu kyslíku 2 424 % obj. za parním kotlem je vedena do spalinového kompresoru pro částečnou recirkulaci spalin, přičemž podle čistoty spalin se používá k odstranění např. par H2SO4, části SO2 a NO_X z proudu spalin před kompresí spalin aktivní uhlí, nebo aktivní koks vyrobený z hnědého uhlí. Lze tak zachytit většinu par H2SO4, část SO2 a část NO_X, které by mohly korozně působit při pozdějším hlubším ochlazování komprimovaných recirkulačních spalin. Spotřebovaný, nasycený filtr je možné likvidovat rozemletím a spalováním/zplyňováním v hlavním reaktoru. Recirkulující spaliny obíhají v uzavřeném plynovém cyklu a průchodem nejen spalinovým kotlem, ale také plynovou turbínou dosahují vyšší účinnosti přeměny tepelné energie na užitečnou, elektrickou energii než při použití jen prostého parního cyklu. Spalinový kompresor může být v ustáleném stavu procesu poháněn například parní turbinou a vzduchový kompresor může být poháněn plynovou turbinou. Zemní plyn jako přídavné, vyrovnávací palivo může sloužit k dolaďování potřebné teploty na vstupu do plynové turbiny za nižších výkonů nebo při nezařazení předehřevu vzduchu vstupujícího do dohořívací komory a také k lepšímu startování celého systému. Přídavný kompresor na vzduch může zabraňovat zbytečnému škrcení tlakového vzduchu při zásobování systému stlačeným vzduchem na různých tlakových úrovních.

Zařízení obsahuje tlakový zplyňovací reaktor opatřený nejméně dvěma, v různých vertikálních úrovních umístěnými přívody paliva a nejméně dvěma vertikálně odlišnými přívody vzduchu a přívody recirkulačních spalin a nejméně jedním přívodem odsiřovacích vápenatých látek a dále odvodem syntetického plynu, který je napojen na odlučovače pevných částic a následně na spalovací komoru, jejíž výstup spalin je veden přes plynovou turbínu na parní kotel, jehož generovaná pára expanduje v parní turbíně a výstup spalin za parním kotlem je dělen na výstup do komína a do systému s kompresorem pro recirkulaci části spalin.

Dále zařízení obsahuje cyklon(y), fluidní dělič a fluidní uzávěr k recirkulaci části popela,, nezreagovaného uhlíku a vápenatých látek odloučených v cyklonu zpět do tlakového zplyňovacího reaktoru pomocí recirkulovaných spalin nebo jejich směsí s tlakovým vzduchem a fluidní komoru pro konverzi CaS oxidací a reakcí s H₂O a CO₂ před vypuštěním ze systému.

Pro zachycování jemných částic je použit keramický filtr nebo soustava využívající keramických filtrů s periodickým odstraňováním usazeného prachu.

Zařízení obsahuje výměníky tepla, např. zapojené do parního okruhu s parní turbínou, pro ochlazení proudu syntetického plynu před filtrací na keramických filtrech; pro ochlazení^ proudu stlačených recirkulujících spalin a proudu stlačeného vzduchu za příslušnými kompresory na požadovanou teplotu.

Příklad provedení vynálezu

Na přiloženém výkrese je znázorněno schéma zapojení jednotlivých aparátů v zařízení podle vynálezu, včetně vedení jednotlivých medií. V tlakovém zplyňovacím reaktoru 101 je spalováno a zplyňováno za tlaku 1,0^2,4 MPa palivo přiváděné minimálně na dvou různých vertikálních úrovních. Zplyňovacím mediem je jednak stlačený vzduch, jednak recirkulující část stlačených spalin. Stlačený vzduch je dodáván pomocí kompresoru 401, případně s pomocí dalšího dmychadla či kompresoru 405 a stlačené spaliny jsou dodávány pomocí spalinového kompresoru 303. Vertikálně odlišné přívody plynů a paliva slouží k vytvoření vyrovnanějšího vertikálního teplotního pole v reaktoru 101. Pro odsiřování plynů je do reaktoru uváděn vápenec přívodem 110. Vyrobený syntetický plyn s unášenými částicemi je veden do cyklonu nebo řady cyklonů 102, ve kterých jsou odloučeny hrubější částice (asi nad 3476 pm). Cyklonem odloučené částice popela s nedopalem, CaCCh, CaSCU á CaS ( CaO) jsou ve fluidním děliči 104 částečně ochlazeny a částečně oxidovány fluidací recirkulujícími spalinami, případně směsí spalin se vzduchem. Pomocí fluidního uzávěru nebo jiného typu uzávěru 103 jsou částice dopravovány recirkulačním kanálem 111 do zplyňovacího reaktoru 101. Z děliče 104 je partikulární materiál také dopravován do fluidní komory 105 pro konverzi (destrukci a oxidaci) CaS recirkulujícími spalinami nebo jejich směsí se stlačeným vzduchem. Tím za teplot 500^800 °C vzniká odpad 115 pouze s nízkým obsahem uhlíkového nedopalu a CaS. Hrubý popel je odpouštěn ze spodní části reaktoru 101 přes chladič 106 spodního popela, kde je také zmenšen obsah uhlíku a CaS v odpadu pomocí spalin vystupujících z chladiče 304 spalin či směsi recirkulovaných spalin a vzduchu do komorového podavače 107 popela a dále ven ze systému jako odpad 114. Plyn vystupující z cyklonu 102 je veden do chladiče 201 syntetického plynu, kde je vyrobený plyn ochlazen z teploty 70042 900 °C na teplotu 500 ¢700 °C např. pomocí přehříváku páry nebo ohřevu tlakového vzduchu z ohřívače 402, vedeného přívodem 403 do spalovací-dohořívací komory 204. Ochlazený plyn je veden do jemného filtru 203. Při velmi malém obsahu nedopalu v popelu z uhlí a biomasy je přidáván v místě 202 uhlíkatý adsorbent, např. aktivní uhlí nebo aktivní koks. Při nízkém obsahu SiO₂ v palivovém popelu a vápenci je přidávána do zplyňovacího reaktoru 101 aditivní látka s vyšším obsahem SiO₂. Prach zachycený ve filtru 203 je zpětným profukem inertního plynu nebo vyčištěného syntetického plynu odloučen a dále přes systém s komorovým podavačem 113 popílku veden recirkulačním potrubím 112 pro jemný popílek do fluidního děliče 104. Část jemného prachu z filtrů (typicky 204750 % hn^yje vypouštěna ze systému jako tuhý odpad 116. Čistý syntetický plyn zbavený prachu a par sloučenin alkalických a těžkých kovů je veden do dohořívací, spalovací komory 204, kde spalitelné složky plynu ( CO, H₂ , CH4 , C_xH_y ) jsou spalovány pomocí předehřátého vzduchu o teplotě nad 350 °C (např. 500 °C) vedeného přívodem 403 a pomocí zemního plynu vedeného přívodem 501 pro dosažení požadované vyšší teploty. Tím, podle obsahu spalitelných složek, stupně předehřátí syntetického plynu a vzduchu a průtoku zemního plynu, stoupne teplota spalin typicky na 1100 4-/1300 °C. Horké spaliny vstupují do plynové turbíny 205, která může také pohánět v ustáleném stavu kompresor 401 pro stlačování vzduchu. Expandované spaliny s obsahem kyslíku 2£4 % obj. a o teplotě 450£750 °C vstupují do kotle 206 na odpadní teplo, kde předávají teplo pro výrobu páry pro pohon parní turbíny 207. K výrobě páry může sloužit také teplo odvedené při chlazení tlakového vzduchu a recirkuluj ících spalin v chladiči 404 vzduchu a v chladiči 304 spalin. V uzavřeném parním cyklu s parní turbínou 207 jsou také zapojeny kondenzátor 208, a čerpadlo 209 na kondenzát. Spaliny o teplotě 12042 180 °C vystupující z kotle 206 mohou být dále hnány spalinovým ventilátorem 301 do komína 306.

Část spalin je vedena potrubím přes filtr 302 recirkulačních spalin s aktivním uhlím nebo hnědouhelným koksem do kompresoru 303 pro recirkulaci spalin, kde je tato část spalin stlačena na tlak vyšší než provozní, aby se mohly regulovat průtoky v různých větvích přívodu spalin do zplyňovacího reaktoru 101, fluidního děliče 104, fluidní komory 105 pro konverzi CaS atd. Podle požadavků na ochlazování v reaktoru 101, v komorách 103,¾ 04,1105 a v chladiči 106 spodního popela se část nebo celý průtok recirkuluj ících spalin může ochlazovat v chladiči 304 spalin. Podobně také vzduch stlačovaný kompresorem 401 může být chlazen v chladiči 404 vzduchu před vstupem do zplyňovacího reaktoru 101, do fluidního děliče 104 a dalších komor.

Příklad technologického postupu

Palivem je hnědé, reaktivní uhlí o následujícím složení v suchém, bezvodém st^vu: popel 10%hm£^rhořlavina 9Q% hmf,^r vodík 4,5% hn^/uhlík 62% hnx* síra 0,5% hmtfclusík 0,y/o hm/ýkýslík 22,3Vo hm)7 chlor 350 mg/kg, obsah V, As a^Pb jednotlivě menší než 15 mg/Řg hmotn. Výhřevnost uhlí v bezvodém stavuje 21 MJ/kg. Poměr (CaO + K.2O+Na2O)/SiO2 v popelu je 0,8. Velikost, částic uhlí je pod 2 mm. Odsiřovacím vápenatým materiájem je mletý vápenec o obsahu: 42,5% hihTfcaO, 0,^% hn/^ZMgO, 15% hmf^?ŠiO2 a 3,5% hn/ÁhOa.

Zplyňování je prováděno pomocí přivádění 0,7 násobku stechiometrické potřeby kyslíku ve vzduchu a recirkulující části spalin. Celkem je přiváděno do zplyňovacího tlakového reaktoru 70 500 Nm³/hod vzduchu a asi 90 000 Nm³/hod recirkulujících spalin se 3% obj. kyslíku. Celkově se přivádí do zplyňovacího reaktoru v přepočtu 20 tun/hod bezvodého uhlí a 700 kg/hod vápence. Uhlí se dávkuje do cylindrického reaktoru o celkové výšce 22m se spodní kónusovitou částí , kde spodní průměr kónusu v místě distributoru plynu je EÍm a výška kónusu je 5m a horní válcovitou částí o průměru 3,2jín na celkem třech vertikálních úrovních. Ve spodní části a v oblasti asi 7m vysoko nad distributorem se dávkuje uhlí ve formě vodní suspenze s obsahem vody 4íf% hmUpřičemž se suspenze mechanicky rozmělňuje na menší části před vstupem do zplyňovacího reaktoru. Na nej vyšší úrovni asi 14-Jm nad distributorem se přivádí hrubší, suché palivo o velikosti částic 124mm. Na spodní a prostřední úrovni se přivádí vždy 14,54 tun/hod uhelné suspenze, to je 8 tun/hod bezvodého uhlí, na horní úrovni se přivádí 4,7 tun/hod uhlí s 15% vlhkostí, v přepočtu 4 tuny/hod bezvodého uhlí. V dolní části je přiváděno celkem 31 000 Nm³ /hod vzduchu a 40 000 Nm³ /hod spalin (včetně vzduchu a spalin pro recirkulaci a chlazení popela). Ve střední části je přiváděno 25 000 Nm³/hod vzduchu a 32 000 Nm³ /hod recirkulačních spalin s 3% obj. kyslíku a v horní části asi 12m nad distributorem je přiváděno 14 500 Nm³ /hod vzduchu a asi 18 000 Nm³/hod spalin s 3°/o obj. kyslíku.

Vápenec je přiváděn asi íjm vysoko nad distributorem. Teplota, ve zplyňovacím reaktoru je

8304- 870 °C, průměrná teplota je asi 850^C, pracovní tlak je l,6MPa, lineární rychlost plynů v horní části reaktoru je okolo 1,7 m/s. Vstupní teplota vzduchuje asi 100fC a vstupní teplota spalin je asi 150¾. '

Syntetický plyn je odsiřován vápencem, přičemž stupeň odsíření při molámím poměru

Ca/S —1,7 je asi 70% obj. Složení syntetického plynu za cyklony je asi 14,4% obj. CO2, ή ó

17,^% obj. Η₂Ο, 3,5 % obj. CO a 3,85(% H2. Koncentrace simých sloučenin (hlavně H2S + COS+S2) v syntetickém plynu za filtrem dosahuje asi 100&110 ml/m³. Asi 20fc24j% Im^cíúsíku z paliva se přemění na NH₃, velmi malá část na HCN a zbytek hlavně na^elementámí dusík. Koncentrace amoniaku v syntetickém plynu za filtrem dosahuje okolo 110£130 ml/m³.

Syntetický plyn je zbavován prachu průchodem cyklony. V cyklonech odloučený popílek, zbytky odsiřování a nedopalu jsou hromaděny ve fluidním děliči/odkud je materiál (popílek, nedopal a odsiřovací zbytky ) jednak přes fluidní uzávěr vracen do zplyňovacího reaktoru a jednak je veden do fluidní komory pro oxidaci a konverzi CaS. Poměr hmot¹'toku odloučeného materiálu do zplyňovacího reaktoru k hmotovému toku do fluidní komory a ven ze systému je asi 4 : 1. Původní koncentrace CaS ( přijmolámím poměru CaSOVCaS je 60 : 40) poklesla průchodem fluidní komorou za teploty 650°C asi na čtvrtinu^

Hmotové toky popela a zbytků ze jplyňovacího reaktoru jsou 1Q% hm'r jako spodní odpadní popelový produkt, 75$% hmfjako cyklonový popílek prošlý fluidní komorou pro konverzi CaS a asi l^o hmfjako prach z filtrů. Kvůli obsahu uhlíkového nedopalu v prachu na flitrech větším než 6¼ hmfmebyl přidáván uhlíkový adsorbent a vzhledem k relativně vyššímu obsahu S1O2 v popelu uhlí také nebyl přidáván oxid křemičitý. Celkově bylo vyprodukováno asi 2840 kg pevných odpadů/hod s obsahem asi 19 kg CaS, asi 120 kg uhlíkového nedopalu a asi 20 kg CaO.

Vzhledem K obsahu železa a některých těžkých kovů, pomáhá CaS stabilizovat tyto kovy ve formě-símiKu.''Hydraulická povaha vápence po průchodu vysokými teplotami a částečný obsah CaSO4 pomáhají těmto zbytkům hydraulicky tvrdnout po přidání vody. Syntetický plyn po průchodu cyklony je z teploty 850^C ochlazen na teplotu asi 620°C, což znamená odběr tepla asi 68 000 MJ/hod ( výkon 18,9 MW). Poté je uvedený plyn přiveden do keramických filtrů k dočištění od jemného prachu. Výstup syntetického plynu z filtrů (teplota 600£C, množství asi 193 000 Nm³/hod) je veden do spalovací komory, kdeje uveden do kontaktu s předehřátým vzduchem (průtok asi 93 500 Nm³/hod, teplota asi 55O°C) a zemním plynem, o průtoku přibližně ekvivalentnímu 2000 Nm³/hod metanu.

Teplota spalin na výstupu ze spalovací komory je okolo 1150°C. Horké tlakové spaliny (průtok asi 282 000 Nm³/hod) expandují ve dvou paralelních plynových turbinách, kde při menším výkonu je možné jednu turbínu odstavit. Expandované spaliny s obsahem kyslíku asi 21% a o teplotě přibližně 600j°C jsou energeticky zhodnoceny v parním kotli na odpadní teplo, kde jsou spaliny ochlazeny asi na teplotu 15(ŤC. V parním kotli se přibližně odebere ze spalin teplo 191 000 MJ/hod (výkon 53 MW).

Spaliny s obsahem 3(% obj. kyslíku, asi 13 % obj. CO2 a asi 16,2% obj. H2O jsou dále děleny na proud do komína (asi 192 Q00 Nm³/hod) a proud recirkulujících spalin (asi 90 000 Nm³/hod), který je veden přes filtr 2 hnědouhelným aktivním koksem do kompresoru pro recirkulaci spalin. Teplota spalin na výstupu z kompresoru jšeu asi 50CřC. Tato teplota je upravena na vstupní teplotu do zplyňovacího reaktoru 100£400^C pomocí chladiče zapojeného v parním okruhu. Tlakový vzduch, kterého je třeba pro zplyňování (substechiometrické spalování) v množství asi 70 500 Nm³/hod a pro spalování nízkovýhřevného syntetického plynu a zemního plynu ve spalovací komoře asi 93 500 Nm³/hod je získáván pomocí kompresoru. Teplota stlačeného vzduchu na výstupu z kompresoru je asi 350-40(^°C. Vzduch je před vstupem do zplyňovacího reaktoru chlazen v chladiči vzduchu na teplotu asi 100°C.

Claims (13)

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob energetického využití tuhých paliv s tlakovým zplyňováním a paro-plynovým cyklem s částečnou recirkulací spaliny yznačený tím, že tuhé palivo obsahující uhlí a/nebo směs biomasy s uhlím se zplyňuje substechiometrickým spalováním ve fluidní a/nebo transportní vrstvě částic směsí vzduchu a recirkulující částí spalin přiváděných na minimálně dvou vertikálních úrovních při celkovém stechiometrickém poměru kyslík /palivo - 0,3 až 0,8, teplotě 700^900 °C a provozním tlaku 1,0 íi2,4 JMEa/ vzniklý syntetický plyn se odsíří a po odloučení tuhých částic se spaluje na / teplotu nejméně llOO^C, přičemž spaliny se nechají expandovat a po následném ochlazení spojeném s výrobou páry se jejich část recirkuluje.

2. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že minimálně 3C|% hmí z přiváděných tuhých paliv je palivo ve formě pasty s obsahem vody menším než 60 % hm^ přičemž všechna paliva obsahující reaktivní hnědé uhlí nebo lignit nebo směs reaktivní uhlíbiomasa nebo směs reaktivní uhlí-bio-odpad, mají průměrnou výhřevnost v suchém stavu vyšší než 15 MJ/kg, průměrný obsah popelovin v suchém stavu pod 30 % hmtf, obsah síry a dusíku v suchém stavu pod 1,5 % hm£' Š’bsah vanadu, aríěnu a olova v sušině jednotlivě pod 100 mg/kg, obsah chloru v sušině pod 500 mg/kg.

3. Způsob podle nároku 1, vyznačený tím, že teplota v tlakovém zplyňovacím reaktoru se reguluje pomocí množství a teploty recirkulujících tlakových spalin vstupujících do reaktoru a do děliče cyklonového popela, teplotou tlakového vzduchu, hmotovým tokem ochlazeného popelp z fluidního uzávěru do zplyňovacího reaktoru a také částečně obsahem vody 30 4260 % hrpTv palivu vstupujícím do zplyňovacího reaktoru.

4. Způsob podle nároku 1_; vyznačený tím, že odsiřování syntetického plynu se provádí za podmínek tlakového zplyňování pomocí nezávislého přivádění vápenatého materiálu, s výhodou mletého vápence s obsahem CaO nad 3(|% hm£' obsahem MgO nebo S1O2 nebo AI2O3 nad 5 % hm^terý se přidává podle obsahu síry v palivu tak, aby celkový molámí poměr Ca/S za podmínek zplyňování byl větší nebo roven 1,5.

5.

Způsob podle nároku 1_; vyznačený tím, že spodní popel a cyklonový popel ze zplyňovacího reaktoru jsou před vypuštěním do atmosféry podrobeny za tlaků nad 1 £ •SVfPá kontaktu s plynnou směsí recirkulujících spalin a vzduchu s obsahem kyslíku 3 42

6. Způsob podle nároku 1_; vyznačený t í m, ž e odlučování částic prachu v syntetickém plynu za cyklonem (cyklony) se provádí po ochlazení jmenovaného plynu filtrací za teplot 500^700 °C.

plynného proudu adsorbent na bázi uhlíku tak, aby celkový obsah uhlíku v zachyceném popelu byl 6 P12 % hmot#j.

7. Způsob podle nároků 1 až 6,v y z n a č e n ý t í m, ž e při obsahu uhlíkového nedopalu v prachu zachyceném na filtru menším než 6 % hmFse přidává před filtrací do

8. Způsob podle nároků 1 až 7, v y z n a č e n ý tím, že při molámím poměru (CaO +

K2O + Na2O)/SiO2 v palivovém popelu větším než 1 qbsahu S1O2 ve vápenci pod 5 % hmot?, přidává se do tlakového zplyňováníramuvm^Stka'’obsahující S1O2 nebo AI2O3 + S1O2 jako napřr oxid křemičitý, kaolinit, 'drcený šamot, popel z fluidního spalování s obsahem S1O2 nad 3(yo hmř^a-pod·. v takovém množství, aby molámí poměr ( CaO + K2O + Na20) z paliva + aditivní látky / S1O2 z paliva + aditivní látky byl menší než 1.

9. Způsob podle nároků 1 až 8_;v y z n a č e n ý t í m, ž e do spalovací komory za filtry se přivádí syntetický plyn o teplotě 500.47700 °C, předehřátý vzduch o teplotě vyšší než 350 °C a eventuálně také zemní plyn, čímž po kontaktu a shoření vznikají spaliny o teplotě nad 1100 °C, ^přičemž celkový průměrný obsah kyslíku ve spalinách po expanzi v plynové turbině je 2 C4 % obj.

10. Způsob podle nároku 1 až 9 vyznačený tím, že část spalin po expanzi a ochlazení v parním kotli na teplotu 12047 180 °C a při obsahu kyslíku 2414 % obj. se uvede do kontaktu s aktivním uhlím nebo aktivním koksem vyrobeným z hnědého uhlí a zkomprimuje se.

10 % obj. as obsahem H2O a CO₂ za teplot 50042800 °C tak, aby přítomný CaS v odpadní popelové směsi byl částečně zoxidován na CaSO₄ a částečně přeměněn působením CO2 a H2O na CaCC>3.

11. Zařízení k provádění způsobu podle nároků 1 až 10_; vyznačené tím, že sestává z tlakového zplyňovacího reaktoru (101) opatřeného nejméně dvěma, v různých vertikálních úrovních umístěnými přívody paliva a nejméně dvěma vertikálně odlišnými přívody vzduchu a recirkulačních spalin a nejméně jedním kanálem (111) recirkulujícího popílku a nejméně jedním přívodem odsiřovacích vápenatých látek a dále odvodem (117) syntetického plynu z reaktoru (101) napojeného na nejméně jeden cyklon (102), výstup syntetického plynu z posledního cyklonu (102) je propojen přes nejméně jeden filtr (203) se spalovací komorou (204), jejíž výstup spalin je spojen přes nejméně jednu plynovou turbínu (205) s parním kotlem (206), a výstup spalin z parního kotle (206) je připojen na vstup do komína (306) a na vstup do kompresoru (303) recirkulujících spalin, výstup odloučených tuhých částic - popílku z cyklonu (102) je připojen na fluidní dělič (104), který je spojen jednak s fluidním uzávěrem (103) , propojeným pomocí kanálu (111) pro recirkulaci popílku se zplyňovacím reaktorem (101) a jednak s fluidní komorou (105) ke konverzi CaS na CaCCh a CaSC>4 před vypuštěním cyklonového popílku ze systému.

12. Zařízení k provádění způsobu podle nároku lly vyznačené tím, že mezi cyklonem(y) (102) a filtrem (203) je zařazen chladič (201) syntetického plynu a dávkovač (202) aktivního uhlí.

13. Zařízení k provádění způsobu podle nároků až 12, vyznačené tím, že výstup generované páry z parního kotle (206) je připojen přes výměník tepla v chladiči (201) syntetického plynu na parní turbínu (207) propojenou přes kondenzátor (208), čerpadlo (209) kondenzátu a výměníky tepla v chladiči (304) recirkulujících spalin a v chladiči (404) tlakového vzduchu se vstupem do parního kotle (206).