EA037398B1 - Способ газификации угля для производства тепла и химических веществ - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к химии и химической технологии, а именно к способам газификации угля, и предназначено для получения технологического газа для совмещенного производства тепла и химических веществ и материалов. Цель изобретения - повышение эффективности использования тепла газа от газификации угля и обеспечение высокой степени разделения смеси газов на отдельные чистые компоненты. Предложен способ газификации угля для производства тепла и химических веществ, включающий предварительный нагрев угля в реакторе с обогревом через стенки, выделение летучих веществ, их охлаждение 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, причем из 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 CO2 подают во второй котел-утилизатор и пропускают через теплообменник-холодильник для снятия его остаточного тепла и снижения температуры до 18-20C, полученную золу угля из газогенератора подают в теплообменник-холодильник для снятия ее тепла и снижения ее температуры до 18-20C, а полученную горячую воду в теплообменнике подают в котел-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. Предложенный способ позволяет использовать тепло технологического газа, летучих веществ и золы 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 производство тепла и материалов.

Description

Изобретение относится к химии и химической технологии, а именно к способам газификации угля, и предназначено для получения технологического газа для совмещенного производства тепла и химических веществ и материалов.

Известен способ газификации угля в газогенераторах, выразившийся в подаче смеси окислителей из водяного пара и воздуха на поверхность раскаленного угля при температурах от 900 до 1200°С. Данный способ газификации угля используется для получения энергетического газа, синтез-газа и бытового газа. Составы газов определяются соотношениями содержания водорода Н₂, окиси углерода СО, метана СН₄, двуокиси углерода СО₂, азота N2 и газов, образующихся от примесей состава угля. Недостатком известного способа является то, что данный способ не рассчитан на получение тепла и утилизацию отходов в процессе газификации угля[1].

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ газификации угля для получения тепла и химических веществ по [2], согласно которому уголь, прежде чем используется для газификации при температурах 450-500°С, освобождается от летучих и смолистых веществ в реакторе предварительного нагрева. Данный реактор через стенку нагревается теплом газа после газификации угля. Летучие вещества, состоящие из тяжелых углеводородов, бензола с его производными, фенолов, высокомолекулярных и гуминовых органических кислот, охлаждаются в специальном холодильнике для перевода их в жидкое состояние и собираются в сборнике для последующего их разделения на компоненты.

В реакторе предварительного нагрева остается смесь углеродистого полупродукта и смолистых веществ, которая подвергается механическому разделению в разделителе, смолистые вещества используются для получения пека, а углеродистый материал направляется как энергоноситель для сжигания в котлах или для газификации в газогенераторах.

Образующийся технологический газ из газогенератора, технологический газ или дымовой газ из котла направляется 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 поступает в мембранный разделитель, где на соответствующих мембранах разделяется 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 утилизируются и технологический или дымовой газ поступает 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, поступающем для разделения в мембранный разделитель, нарушает режим работы данного разделителя и отрицательно влияет на чистоту получаемых отдельных газов.

Цель изобретения - повышение эффективности использования тепла газа от газификации угля и обеспечение высокой степени разделения смеси газов на отдельные чистые компоненты.

Поставленная цель достигается заявленным способом газификации угля для производства тепла и химических веществ, включающим предварительный нагрев угля в реакторе с обогревом через стенки, выделение летучих веществ, их охлаждение 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, причем из 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 котел-утилизатор и пропускают через теплообменник-холодильник для снятия его остаточного тепла и снижения температуры до 18-20°С, полученную золу угля из газогенератора подают в теплообменник-холодильник для снятия ее тепла и снижения ее температуры до 18-20°С, а полученную горячую воду в теплообменнике подают в котел-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.

На рисунке показана принципиальная технологическая схема предлагаемого способа газификации угля для производства тепла и химических веществ.

Предлагаемый способ газификации угля осуществляется следующим образом. Первоначально до газификации в газогенераторах уголь поступает в так называемый тепловой реактор (1), который через стенку осуществляет нагрев до температуры 350-450°С нагретым газом от процесса газификации угля. В тепловом реакторе (1) уголь очищается от всех летучих веществ своего состава. Летучие вещества, состоящие из тяжелых углеводородов, бензола с его производными, фенолов, высокомолекулярных и гуминовых органических кислот, охлаждаются в специальном теплообменнике-холодильнике (2) для перевода их в жидкое состояние и собираются в сборнике (4) для последующего их разделения на отдельные компоненты. В реакторе (1) остается смесь углеродистого полупродукта и смолистых веществ. После

- 1 037398 реактора данная смесь подвергается механическому разделению в разделителе (3), смолистые вещества используются для получения угольного пека, а углеродистый материал с содержанием С более 80% направляется для газификации в газогенератор (5). В газогенератор (5) подаются также в качестве окислителей углерода необходимые количества водяного пара и воздуха. В газогенераторе протекает автотермический процесс газификации очищенного от примесей углеродистого материала.

Из газогенератора (5) образующийся технологический газ поступает в первый котел-утилизатор (6), где часть тепла газа используется для получения водяного пара. Полученный водяной пар используется для газификации угля в газогенераторе и для других потреблений производства технологического газа. Из котла утилизатора (6) технологический газ поступает в межкорпусное пространство теплового реактора (1), где используется как энергоноситель для нагрева поступающего угля.

В реакторе предварительного нагрева технологический газ нагревает поступающий в реактор уголь до температур 350-450°С с целью выделения из его состава летучих и смолистых веществ. Летучие вещества состава угля поступают в холодильник-теплообменник (2), который охлаждается водой. Соотношение количеств охлаждающей воды и летучих веществ состава угля выбирается таким образом, чтобы превратить летучие вещества в жидкую смесь, которая собирается в сборнике (4) для дальнейшего разделения на отдельные составляющие. В зависимости от температуры поступающих в холодильниктеплообменник (2) летучих веществ образуется водяной пар или горячая вода, которые будут использованы для технических, технологических или бытовых нужд.

Из теплового реактора (1) технологический газ направляется во второй котел-утилизатор (7), где за счет его остаточного тепла образуется водяной пар, который будет использован в газогенераторе (5) в качестве окислителя углерода. Если производительность котла-утилизатора недостаточна для снятия всего тепла и снижения температуры газа до нормального уровня, то предусмотрено еще дополнительное охлаждение газа в теплообменнике-холодильнике (8), где за счет остаточного тепла газа нагревается вода, которая затем направляется в котел-утилизатор (7) для получения пара. Технологический газ после снятия его тепла в теплообменнике (8) и достижения температуры до 18-20°С направляется в абсорбер (9), где из его состава выделяется СО₂. Выделение СО₂ осуществляется его связыванием щелочами в виде твердых продуктов, например поглощением СО₂ щелочью NaOH можно получить соду Na₂CO₃ или, применяя гашеную известь Са(ОН)₂, получить кальцит кальция СаСО₃, используемый в производствах искусственного камня, минеральных красок и т.п. Если имеется необходимость в получении чистого двуоксида углерода, например для получения карбамида или других углеродсодержащих веществ, то эффективным является применение способа абсорбции СО₂ растворами этаноламинов с последующей десорбцией СО₂ из них. Данный способ широко применяется в химической промышленности и является эффективным ввиду хорошей адсорбционной способности растворов этаноламинов по отношению к двуоксиду углерода и многократному их использованию по циклической схеме. Из этаноламинов в основном применяют растворы моноэтаноламина (МЭА) и диэтаноламина (ДЭА) [1].

Очищенный от СО2 технологический газ направляется в отделение мембранного разделения газов (10), где на полупроницаемых мембранах разделяется на отдельные газы N₂, Ar, CH₄, 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 (11) 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 Al₂O₃, SiO₂, Fe₂O₃ и другие. Получаемые 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, мас.%: С - 81,0; Н - 5,2; N - 1,0; O - 2,0; S - 1,4; зола - 5,3; влажность угля - 4,0, причем содержание летучих веществ - 0.98%, содержание смолы - 4,5%. Газификация угля осуществляется при температуре 1050°С. В качестве окислителей используется смесь водяного пара и воздуха. Расход окислителей (воздух и водяной пар) на единицу количества угля, количество образующихся компонентов и состав технологического газа определяются расчетом материального баланса способа, а количество тепла определяется расчетом теплового баланса всего цикла предложенного способа.

В данном примере для увеличения количества теплотворных газов (СН₄, Н₂, СО и H₂S) и снижения доли нетеплотворных газов (СО₂, Н₂О, N₂) в составе технологического газа расчеты 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 м³ технологического газа следующего состава, мас.%: 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 экви

- 2 037398 валентно 12470 кВт-ч электроэнергии.

Способ осуществляется при следующем температурном режиме: паровоздушная газификация угля осуществляется в реакторе (5) при температуре 1050°С, затем образующийся технологический газ с этой температурой поступает в котел-утилизатор (6), где отдает часть своего тепла и охлаждается до 450°С. В котле-утилизаторе (6) образуется 1412 кг водяного пара с температурой 100°С. Технологический газ поступает в межкорпусное пространство реактора (1), где нагревает поступающий уголь до температуры 352°С, далее газ поступает в котел-утилизатор (7) и теплообменник-холодильник (8), где освобождается от остаточного тепла и с температурой до 20°С поступает в абсорбер выделения из его состава СО₂. При охлаждении технологического газа в котле-утилизаторе тепла (7) образуется 856 кг водяного пара с температурой 100°С. Очищенный от СО₂ технологический газ поступает в мембранный разделитель (10), где на полупроницаемых мембранах разделяется на отдельные газы, которые будут использованы для получения соответствующих химических веществ или в качестве чистых газов. При разделении 3430 м³ смеси газов образуются чистые газы в количествах, м³: СО₂ - 72,03, СО - 737,45, СН₄ - 665,42, Н₂ - 679,14, Н₂О 85,75, N2 - 1179,92, H2S - 10,29.

Выделенные летучие вещества в реакторе (1) в количестве 9,8 кг и с температурой 352°С поступают в теплообменник-холодильник (2), где охлаждаются до 18°С и собираются в сборнике (4) для дальнейшего разделения на отдельные компоненты. В теплообменнике (2) образуется 2,4 кг водяного пара с температурой 100°С.

Из газогенератора (5) нагретая зола угля поступает в теплообменник-холодильник (11), где охлаждается водой до температуры 20°С, при этом образуется 20 кг водяного пара с температурой 100°С, который используется в технологическом производстве.

Таким образом, предлагаемый способ газификации угля для совмещенного производства тепла и химических веществ является безотходным. Он позволяет использовать тепло технологического газа, летучих веществ и золы для получения водяного пара или горячей воды, используемых во внутреннем 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 производство тепла и материалов.

Литература.

1. Справочник азотчика, изд. 2, М: Химия.-1986.-512с.

2. Шарифов А., Шодиев Г.Г., Бобоев Т.С., Субхонов Д.К./Экологические проблемы использования угля в качестве энергоносителя и способы их решения//Вестник Таджикского технического университета. - 4(32). - 2015. - С183-187.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Способ газификации угля для производства тепла и химических веществ, включающий предварительный нагрев угля в тепловом реакторе с обогревом, осуществляемым через стенки упомянутого реактора, отделение от полученного углеродистого вещества летучих веществ, их охлаждение в теплообменнике для перевода в жидкое состояние и их сбор в сборнике, выделение из полученного углеродистого вещества смолистых веществ в разделителе, газификацию углеродистого вещества в газогенераторе, обогрев упомянутого теплового реактора теплом образующегося в процессе газификации технологического газа, выделение диоксида углерода из состава технологического газа, выходящего из теплового реактора, абсорбцией растворами щелочей, разделение оставшегося после выделения диоксида углерода газа на отдельные чистые газы на полупроницаемых мембранах, отличающийся тем, что из технологического газа, образующегося в процессе газификации, до поступления его в межкорпусное пространство теплового реактора в качестве обогревающего газа снимают часть его тепла в первом котле-утилизаторе для получения водяного пара, полученный в тепловом реакторе технологический газ перед поступлением в щелочной абсорбер для выделения СО2 подают во второй котел-утилизатор и затем пропускают через первый теплообменник-холодильник для снятия его остаточного тепла и снижения температуры до 1820°С, полученную золу угля из газогенератора подают во второй теплообменник-холодильник для снятия ее тепла и снижения ее температуры до 18-20°С, а полученную горячую воду в первом теплообменнике-холодильнике (8) подают во второй котел-утилизатор (7) тепла для получения водяного пара, причем водяной пар из второго котла-утилизатора тепла подают для газификации углеродистого материала в газогенератор, при этом полученные выделенные смолистые вещества из состава угля используют для получения строительного пека.