PL172755B1 - Sposób gazyfikacji rozdrobnionego paliwa weglowego w postaci stalej, o duzej zawartosci wilgoci oraz urzadzenie do stosowania tego sposobu PL PL PL PL PL PL PL PL - Google Patents

Abstract

1 Sposób gazyfikacji rozdrobnionego paliwa weglowego w postaci stalej, o duzej zawartosci wilgoci, znam ienny tym, ze wprowadza sie paliwo do co najmniej jednego cisnieniowego zbiornika suszacego bez dodawania wody do paliwa, zmniejsza sie zawartosc wilgoci w paliwie w tym zbiorniku suszacym do poziomu wymaganego dla gazyfikacji, przez przepuszczanie goracego produktu gazowego przez zbiornik suszacy, tak ze czastki paliwa sa porywane w przeplywie gazu, chlodzac przy tym i nawilzajac gaz, oddziela sie ochlodzony i nawilzony gaz od wymienionego paliwa, przenosi sie paliwo o zmniejszonej zawartosci wilgoci ze zbiornika suszacego do zbiornika gazy- fikacji, nastepnie prowadzi sie gazyfikacje paliwa w zbiorniku gazyfikacji, aby wytworzyc goracy produkt gazowy i, w koncu wprowadza sie przynaj- mniej czesc uzyskanego wczesniej goracego produktu gazowego do zbiorni- ka suszacego w temperaturze nizszej od temperatury wymaganej dla znacznej pirolizy czastek paliwa w zbiorniku suszacym 11 Urzadzenie do gazyfikacji rozdrobnionego paliwa weglowego w po- staci stalej, o duzej zawartosci wilgoci, znamienne tym, ze zawiera zbiornik gazyfikacji (16) do gazyfikowania wymienionego paliwa w celu wytworzenia goracego produktu gazowego, co najmniej jeden cisnieniowy zbiornik su- szacy (8) do zmniejszania zawartosci wilgoci w paliwie do poziomu wymaga- nego dla gazyfikacji oraz do chlodzenia i nawilzania przynajmniej czesci goracego produktu gazowego przez przepuszczanie przynajmniej czesci gazu przez zbiornik suszacy lub kazdy zbiornik suszacy (8), tak ze wymienione czastki paliwa sa porywane w przeplywie gazu, srodki (7) do wprowadzania paliwa do zbiornika suszacego bez dodawania wody do paliwa, srodki (9) do przenoszenia przynajmniej czesci goracego produktu gazowego ze zbiornika gazyfikacji (16) do zbiornika suszacego (8) w temperaturze, przy której me nastepuje znaczna piroliza czastek paliwa w zbiorniku suszacym (8), srodki (15) do oddzielania ochlodzonego i nawilzonego gazu od wymienionego pali- wa oraz srodki do przenoszenia paliwa o zmniejszonej zawartosci wilgoci ze zbiornika suszacego (8) zbiornika gazyfikacji (16) PL PL PL PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób gazyfkacj rozdrobnionego paliwa węglowego w postaci stałej, o dużej zawartości wilgoci, oraz urządzenie do stosowania tego sposobu, znajdujące zastosowanie do przetwarzania dowolnych rodzajów rozdrobnionego paliwa węglowego w postaci stałej w gaz, zwłaszcza do przetwarzania wilgotnego węgla w gaz węglowy.

Znanych jest wiele procesów umożliwiających przetwarzanie węgla w gaz węglowy. Te procesy przetwarzania przebiegają na ogół w podwyższonych temperaturach, zwykle 900 do 1500°C, zależnie od zastosowanego rodzaju procesu. Procesy te obejmujązasadniczo częściowe spalanie węgla, by wytworzyć tlenek węgla, a nie dwutlenek węgla. Węglowodory i wodór zawarte chemicznie w węglu wytwarzają również pewną ilość wodoru i metanu. Procesy te na ogół obejmują dodawanie pary wodnej i powodują wytworzenie dodatkowego wodoru przez reakcje pomiędzy węglem a wodą.

Wytworzony gaz musi być schłodzony zanim będzie mógł być oczyszczony lub zanim jego natężenie przepływu będzie mogło być sterowane zaworami. Większość sposobów chłodzenia gazu wykorzystuje wytwornicę pary wodnej i przegrzewacz, w którym gorące gazy są chłodzone przez przepuszczanie ich przez rury, w których woda jest doprowadzana do wrzenia, by wytworzyć parę wodną.

Większość znanych procesów gazyfikacji wymaga zasilania węglem, który ma zawartość wilgoci typowo mniejszą niż 10 - 20%, zależnie od procesu. W gazyfikatorach z nadmuchem tlenu można stosować paliwa o większej zawartości wilgoci. Kiedy ma być gazyfikowany węgiel o dużej zawartości wilgoci, najpierw trzeba wysuszyć węgiel, by zmniejszyć zawartość wilgoci do odpowiedniego poziomu.

W znanym sposobie przetwarzania węgla o dużej zawartości wilgoci w gaz, węgieljest najpierw suszony w procesie suszenia w złożu fluidyzowanym. parąwodną, gdzie gorąca para wodnajest wykorzystana do suszenia węgla, aby zmniejszyć zawartość wilgoci. Proces ten przebiega przy ciśnieniu atmosferycznym, przy czym surowiec węglowy jest najpierw kruszony przed podaniem do złoża w zbiorniku suszącym. Złoże węgla jest fluidyzowane przez przepływ pęcherzyków gorącej pary wodnej wprowadzanej od dołu, na skutek czego cząstki w złożu są utrzymywane w ciągłym ruchu. W obszarze złoża umieszczone są liczne rury, przez które gorąca para wodna przepływa w celu ogrzewania i suszenia węgla. Suchy węgiel jest schładzany i składowany. Węgiel jest następnie przenoszony ze zbiornika magazynowego do gazyfikatora, który jest usytuowany w dowolnym miejscu w zakładzie.

Gazyfikator ma złoże fluidyzowane albo przez powietrze, albo przez powietrze wzbogacone tlenem, które również reaguje chemicznie z węglem, aby wytworzyć produkt gazowy. Gazyfikator działa w taki sposób, że większość reakcji zachodzi w złożu fluidalnym, chociaż drobne cząsteczki węgla i popiołu są unoszone do góry przez strumień gazu w górnej części zbiornika, gdzie można wprowadzić więcej powietrza, aby doprowadzić do końca proces gazyfikacji. Po

172 755 wyjściu ze zbiornika temperatura gazu jest rzędu 1000°C i wymagany jest wysokotemperaturowy oddzielacz cyklonowy z wykładziną ogniotrwałą do usuwania cząstek węgla, które są zawracane do gazyfikatora.. Gorący produkt gazowy jest następnie schładzany do ' temperatury poniżej 450°C, tak że może nastąpić oczyszczanie i odsiarczanie.

Znane są również inne procesy gazyfikacji, zasadniczo podobne do siebie pod tym względem, że najpierw węgiel jest suszony i składowany, zanim zostanie poddany gazyfikowaniu w oddzielnym procesie, a produkt gazowy jest chłodzony przed oczyszczaniem.

Proces suszenia ze złożem fluidyzowanym parą wodną wymaga wytwarzania pary wodnej służącej do fluidyzacji i suszenia węgla. Można to osiągnąć albo za pomocą konwencjonalnego kotła, albo przez rekompresję pary z wilgoci usuwanej w procesie suszenia. Każdy sposób wymaga użycia lub przemiany energii.

W elektrowni z turbiną gazową, w której turbina jest napędzana parą wytworzoną w wytwornicy pary wodnej z procesem odzyskiwania ciepła, para wodna służąca do suszenia może być dostarczana z tej wytwornicy pary wodnej z odzyskiwaniem ciepła lub odprowadzana z turbiny parowej. Powoduje to jednak zmniejszenie ilości pary wodnej wykorzystywanej do wytworzenia energii elektrycznej przez turbinę parową.

Zastosowanie rekompresji pary wymaga użycia sprężarek dla zwiększania ciśnienia i temperatury odparowanej wilgoci. Sprężarki te wymagają doprowadzania dużych ilości energii elektrycznej. Każdy sposób doprowadzania pary wodnej do suszarki (SFBD) ze złożem fluidyzowanym parą, zmniejsza wyjściową moc elektrowni netto, a więc jej całkowitą sprawność.

Suszarka SFBD pracująca przy ciśnieniu atmosferycznym, wystarczająca dla przygotowania węgla dla elektrowni o mocy przykładowo 400 MW, byłaby bardzo duża, powodowałaby znaczne zwiększenie nakładów kapitałowych elektrowni, a zatem zwiększenie kosztu wytwarzanej energii elektrycznej.

Proponowane elektrownie wykorzystujące suszarki SFBD wymagają pośredniego składowania wysuszonego węgla przed gazyfikacją co powoduje zwiększenie nakładów kapitałowych zakładu produkcji gazu. Składowanie wysuszonego węgla może być niebezpieczne ze względu na niebezpieczeństwo samozapłonu.

Wymaganie chłodzenia produktu gazowego przed filtracjąpowoduje dodatkowe koszty na wymiennik ciepła służący do chłodzenia gazu, przy czym wymiennik ciepła byłby niewątpliwie podatny na zanieczyszczenie nieprzefiltrowanym gazem. To z kolei wymagałoby regularnego czyszczenia wymiennika ciepła, a więc dodatkowych kosztów eksploatacji zakładu.

Znane są także procesy, w których produkt gazowy gazyfikatora wykorzystywany jest do usuwania wilgoci z doprowadzanego paliwa.

W procesie suszenia i gazyfikacji węgla ze związaną wodą, ujawnionym w opisie patentowym USA nr 4 166 802 (Texaco Inc.) zawiesina wytworzona przez zmieszanie węgla z wodą może być ogrzewana przy użyciu gorącego gazu ze strefy gazyfikacji, co powoduje zmiany struktury węgla i częściowe usunięcie wody z cząstek węgla. Proces suszenia zachodzi przy bardzo wysokim ciśnieniu (około 90 bar), wystarczającym do utrzymywania wody z zawiesinie w fazie ciekłej. Po ogrzaniu zawiesiny część wody oddziela się od zawiesiny, by wytworzyć zawiesinę o zmniejszonej zawartości wilgoci. Ta zawiesina o zmniejszonej zawartości wody jest doprowadzana do wysokociśnieniowego gazyfikatora z nadmuchem tlenu. Proces ten przebiega przy ciśnieniu znacznie wyższym niż potrzebne przy normalnych turbinach gazowych. Wysokie ciśnienie powodowałoby zwiększenie kosztów'. Ze względu na wysoką zawartość wilgoci w paliwie doprowadzanym do gazyfikatora wymagane jest, by gazyfikator z nadmuchem tlenu wytwarzał zadowalający produkt gazowy. Koszty są zwiększane również przez niezbędną wytwórnię tlenu. Ten proces, zwany hydrotermicznym, wytwarza znaczny strumień wody zanieczyszczonej materiałem organicznym, a obróbka tej wody dodatkowo zwiększa koszt procesu.

W innym sposobie, znanym z amerykańskiego opisu patentowego nr 4 769 157 (Uhde GmbH), w celu usuwania szlamu ściekowego gorący gaz wytworzony ze szlamu ściekowego w gazyfikatorze jest przepuszczany przez doprowadzane ścieki, aby osuszyć je wystarczająco dla gazyfikacji. Wytworzony gaz jest czyszczony przed likwidacją przez spalenie. Wadą tego proce172 755 su jest to, że cała wilgoć zawarta w doprowadzanym szlamie pozostaje w produkcie gazowym, a zatem uzyskuje się gaz o bardzo niskiej wartości kalorycznej, który nie nadaje się do spalania w tiirhiniega7nwj:i

-------_σ -J.

wt___________’ ______________' _i_:______t -ł ___λ.___x_______— . τ λπλαλπα a zt-» i _ n · i w procesie ujawnionym w japońskim opisie patentowym ni j 03039394 (coara seisakusho KK), gorący produkt gazowy z gazyfikatora jest przepuszczany przez duży zbiornik magazynowy zawierający surowiec dla wykorzystania w gazyfikatorze, w celu wyeliminowania węgla i smoły z produktu gazowego, przy równoczesnym suszeniu surowca i chłodzeniu gazu. Proces ten wprawdzie opisano w odniesieniu do gazyfikacji odpadów drzewnych i pyłu pochodzącego ze stolami, ale stwierdzono także, iż może być również stosowany do innych materiałów węglowych normalnie wykorzystywanych do gazyfikacji, takich jak torf, koks i węgiel. W procesie tym produkt gazowy przechodzi przez stałe złoże surowca w zbiorniku magazynowym, przy czym polega się na międzywęzłowej drodze przepływu gazu. Proces taki nie nadaje się do paliwa, które jest podatne na spiekanie i które łatwo rozkrusza się na drobne cząstki, ponieważ byłoby za mało miejsca pomiędzy cząstkami dla umożliwienia przepływu gazu. Tak samo jak w przypadku dwóch procesów opisanych powyżej, realizacja tego procesu powoduje wytworzenie nadmiernej ilości wilgoci w produkcie gazowym i w efekcie dawałby gaz o bardzo niskiej wartości kalotycznej, nie nadający się do spalania w turbinie gazowej.

W procesie gazyfikacji węgla brunatnego o zawartości wilgoci 50 - 60% wagowo, ujawnionym w opisie patentowym NRD nr 209648, przewidziano stosowanie gazyfikatora ze złożem stałym. Węgiel mieszanyjest z wodą, aby utrzymać rozmiar bryły 5 mm - 60 mm, co jest konieczne dla zachowania drogi gazu w złożu węgla w gazyfikatorze. Najpierw węgieljest podgrzewany w zbiorniku magazynowym do 90°C, a następnie jest suszony wstępnie do zawartości wilgoci 50% w procesie ciśnieniowym (doprowadzanie pary wodnej pod ciśnieniem). Następnie jest transportowany do gazyfikatora, gdzie suszenie zostaje zakończone, podczas gdy węgiel przemieszcza się do dołu, a gorący produkt gazowy przemieszcza się do góry przez złoże. Proces ten nie nadaje się do użytku w przypadku paliwa mającego skłonność do spiekania się (takiego jak niektóre rodzaj e węgla brunatnego), które ulegałoby rozkruszeniu do rozmiaru cząstek mniej szego niż 5 mm. Proces ten również wykorzystuje tlen i parę wodnąjako medium gazyfikujące, ponieważ gazyfikator z nadmuchem powietrza wytwarzałby gaz o bardzo niskiej wartości kalorycznej nie nadający się do spalania w turbinie gazowej. Rozwiązanie takie ma również wady polegające na tym, że wymagany jest zbiornik magazynowy do podgrzewania węgla i większy niż normalnie gazyfikator, aby zapewnić wystarczający czas przebywania dla suszenia doprowadzanego węgla, a wszystko skutkuje zwiększeniem kosztów.

Celem przedmiotowego wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia do gazyfikacji rozdrobnionego paliwa węglowego o postaci stałej o dużej zawartości wilgoci, które przezwyciężająlub przynajmniej zmniejszająjednąlub kilka z wymienionych wyżej niedogodności związanych ze stosowaniem rozwiązań znanych.

Zgodnie z wynalazkiem sposób gazyfikacji rozdrobnionego paliwa węglowego w postaci stałej o dużej zawartości wilgoci, polega na tym, że wprowadza się paliwo do co najmniej jednego ciśnieniowego zbiornika suszącego bez dodawania wody do paliwa, zmniejsza się zawartość wilgoci w paliwie w tym zbiorniku suszącym do poziomu wymaganego dla gazyfikacji, przez przepuszczanie gorącego produktu gazowego przez zbiornik suszący, tak że cząstki paliwa sąporywane w przepływie gazu, chłodząc przy tym i nawilżając gaz, oddziela się ochłodzony i nawilżony gaz od wymienionego paliwa, przenosi się paliwo o zmniejszonej zawartości wilgoci ze zbiornika suszącego do zbiornika gazyfikacji, następnie prowadzi się gazyfikację paliwa w zbiorniku gazyfikacji, aby wytworzyć gorący produkt gazowy i, w końcu wprowadza się przynajmniej część uzyskanego wcześniej gorącego produktu gazowego do zbiornika suszącego w temperaturze niższej od temperatury wymaganej dla znacznej pirolizy cząstek paliwa w zbiorniku suszącym. Korzystnie, stosuje się paliwo węglowe w postaci stałej o maksymalnym rozmiarze cząstek około 6 mm.

Również korzystnie, stosuje się zamykany system leja do wprowadzania rozdrobnionego paliwa węglowego w zbiornik suszący.

172 755

W zbiorniku suszącym utrzymuje się ciśnienie, przy którym ochłodzony i nawilżony gaz wypływający ze zbiorników suszących jest pod ciśnieniem odpowiednim dla działania turbiny gazowej.

Korzystnie, utrzymuje się ciśnienie w zbiorniku suszącym o wartości 15-40 atmosfer, a najkorzystniej utrzymuje się ciśnienie o wartości około 25 atmosfer.

Szczególnie dobry przebieg sposobu według wynalazku następuje, gdy w zbiorniku gazyfikacji utrzymuje się ciśnienie o wartości podobnej do ciśnienia w zbiorniku suszącym.

Podobnie, szczególnie korzystnie przebiega proces, gdy rozdrobnione paliwo węglowe w postaci stałej suszy się częściowo w suszarce wstępnej, w której wilgoć usuwa się z powierzchni cząstek -tego paliwa.

Korzystnie, ciepło dostarcza się do suszarki wstępnej przez parę wodną wytwarzaną za zbiornikami suszącymi.

Zgodnie z wynalazkiem urządzenie do gazyfikacji rozdrobnionego paliwa węglowego w postaci stałej, o dużej zawartości wilgoci, zawiera zbiornik gazyfikacji do gazyfikowania wymienionego paliwa w celu wytworzenia gorącego produktu gazowego, co najmniej jeden ciśnieniowy zbiornik suszący do zmniejszania zawartości wilgoci w paliwie do poziomu wymaganego dla gazyfikacji oraz do chłodzenia i nawilżania przynajmniej części gorącego produktu gazowego przez przepuszczanie przynajmniej części gazu przez zbiornik suszący lub każdy zbiornik suszący, tak że wymienione cząstki paliwa są porywane w przepływie gazu, środki do wprowadzania paliwa do zbiornika suszącego bez dodawania wody do paliwa, środki do przenoszenia przynajmniej części gorącego produktu gazowego ze zbiornika gazyfikacji do zbiornika suszącego w temperaturze, przy której nie następuje znaczna piroliza cząstek paliwa w zbiorniku suszącym, środki do oddzielania ochłodzonego i nawilżonego gazu od wymienionego paliwa oraz środki do przenoszenia paliwa o zmniejszonej zawartości wilgoci ze zbiornika suszącego zbiornika gazyfikacji.

Korzystnie, urządzenie według wynalazku zawiera 1 - 6 ciśnieniowych zbiorników suszących.

Ciśnienie w każdym zbiorniku suszącym wynosi 15-40 atmosfer, a korzystnie wynosi około 25 atmosfer.

Ciśnienie w zbiornikach suszących i w zbiorniku gazyfikacji jest podobnej wartości.

Urządzenie według wynalazku zawiera ponadto suszarkę wstępną do częściowego suszenia rozdróbnionego materiału węglowego, aby usunąć wilgoć z powierzchni cząstek i ułatwić przez wprowadzanie materiału do zbiorników suszących, przy czym ciepło jest do niej dostarczane przez parę wodną wytwarzaną za zbiornikami suszącymi.

Stosowane określenia “zgazowywane” i “gazyfikacja” odnoszą się do przetwarzania paliwa węglowego w postaci stałej w gaz do spalania. Paliwem węglowym może być dowolne paliwo w postaci stałej na bazie węgla, takie jak węgiel, torf, odpady drzewne, biomasa, wytłoki trzciny cukrowej, ścieki itd.

Niektóre materiały węglowe mogą wymagać obróbki wstępnej, takiej jak kruszenie, przesiewanie, suszenie wstępne itd, aby wytworzyć cząstki o właściwościach płynięcia odpowiednich dla konkretnej metody użytej do przenoszenia cząstek do ciśnieniowych suszarek i o rozmiarze wystarczająco małym, aby umożliwić wchodzenie tych cząstek w przepływ gazu przez suszarki. Chociaż wielkość cząstek używanych w tym procesie zależy od pewnej liczby czynników, takich jak gęstość materiału, tendencja materiału do zbrylania się, ciśnienie, turbulencja i prędkość przepływu gorącego gazu przez suszarki itd., stwierdzono, że cząstki o maksymalnej wielkości w przybliżeniu 6 mm są szczególnie odpowiednie dla tego procesu.

Paliwa węglowe odpowiednie do użycia w sposobie według przedmiotowego wynalazku mogą mieć dużą zawartość wilgoci. Użyte tu określenie “duża zawartość wilgoci” odnosi się do zawartości wilgoci większej niż maksymalna zawartość wilgoci stosowana w procesie gazyfikacji. Większość procesów gazyfikacji wymaga doprowadzania węgla w postaci stałej o zawartości wilgoci zwykle poniżej 10 - 20%, zależnie od procesu, przy czym gazyfikatory z nadmuchem tlenu mogą tolerować zasilanie z większą zawartością wilgoci. Określenie “duża zawartość wilgo172 755 ci” normalnie odnosi się zatem do paliwa o zawartości wilgoci większej niż 10 do 20%. Proces ten nadaje się zwłaszcza do gazyfikacji surowego węgla o zawartości wilgoci większej niż 50%,

Zawartość wilgoci w paliwie węglowym zmniejszana jest w jednej lub wielu suszarkach z przechwytywanym przepływem działającym przy podwyższonym ciśnieniu, korzystnie podobnym do ciśnienia, przy którym pracuje gazyfikator. Sposób suszenia polega na tym, że cząstki paliwa sąwprowadzane w strumień gorącego gazu i są unoszone wraz w nim, schnąc w czasie ruchu przed dojściem do oddzielacza, takiego jak oddzielacz cyklonowy. Grube cząstki w porywanym strumieniu, które mogą być jeszcze wilgotne, są opcjonalnie oddzielane w sortowniku i zawracane do obiegu do dalszego suszenia. Nie wykluczone sąinne procesy suszenia, które łączą elementy zarówno procesu z porywanym przepływem, jak i procesu ze złożem fluidalnym, przy czym złoże materiału, który ma być suszony, jest fluidyzowane przez gorący gaz, ale przepływ gazu unosi znacznączęść materiału nad złoże dla suszenia w porywanym przepływie, a unoszony w ten sposób materiał może być zawracany do obiegu do dalszego suszenia.

W połączeniu z gazyfikatorem może być zastosowany jeden lub kilka zbiorników suszących. Rzeczywiście potrzebna liczba zbiorników suszących będzie zależeć od pewnej liczby czynników, takichjak zawartość wilgoci w paliwie, wielkość gazyfikatora itd., ale zwykle wystarczające jest 1-6 zbiorników suszących.

Sposób wprowadzania wilgotnego paliwa w zbiorniki suszące zależy również od typu stosowanej suszarki z porywanym przepływem. Według korzystnego sposobu paliwo jest doprowadzane do zbiornika suszącego lub każdego zbiornika suszącego przez system leja zamykającego, gdzie ciśnienie jest zwiększane, aż do ciśnienia roboczego suszarki. Paliwo może wymagać obróbki wstępnej w celu zapewnienia przepływu przez leje zamykające. Można zastosować system podajników ślimakowych do wprowadzania paliwa w suszarki, gdzie osiąganejest to ciśnienie.

W sposobie i urządzeniu według przedmiotowego wynalazku zbiornik gazyfikacji i proces gazyfikacji mogą być dowolnie wybrane spośród znanych. Korzystne są gazyfikatory z nadmuchem powietrza, ponieważ unika się wtedy dużych nakładów kapitałowych na oddzielną tlenownię. Szczególnie odpowiednim gazyfikatorem jest gazyfikator ze złożem fluidalnym z nadmuchem powietrza typu wysokotemperaturowego gazyfikatora WinkleraJ ednakże w odróżnieniu od innych przykładów tego typu przenoszony ładunek może być przepuszczany przez suszarkę wraz z produktem gazowym gazyfikatora, zamiast oddzielania go i zawracania do gazyfikatora. Chociaż gazyfikatory ze złożem fluidalnym są szczególnie odpowiednie, można również stosować inne gazyfikatory, takie jak gazyfikatory pracujące z zastosowaniem systemu z porywanym przepływem, ale ponieważ zwykle pracują one przy wyższych temperaturach, mogą wymagać silniejszego chłodzenia produktu gazowego przed wpuszczeniem go do suszarek.

Sposób gazyfikacji polega zasadniczo na przemianie węgla, tlenu i wody w wodór i tlenek węgla, chociaż w procesie tym wytwarzane są również inne gazy i występująinne reakcje. W takich procesach gazyfikacji ciepło potrzebne dla procesu wytwarzane jest przez wpompowywanie gazu zawierającego tlen w gazyfikator, co powoduje częściowe spalanie paliwa. Gazem zawierającym tlen może być powietrze pochodzące bezpośrednio z atmosfery, powietrze wzbogacone w tlen, czysty tlen itd. Pompa powietrza może być zintegrowana z turbinągazowąlub turbiną parową za gazyfikatorem.

Wraz z powietrzem można wprowadzać parę wodną lub wodę w celu kontrolowania temperatury pracy gazyfikatora. Przynajmniej część gazu wytworzonego w gazyfikatorze jest przekazywana do zbiorników suszących, gdzie doprowadzana jest do styku z wilgotnym paliwem. Korzystnie, cały gaz wytworzony w gazyfikatorze jest przekazywany do zbiorników suszących. Temperatura gazu wchodzącego w zbiornik suszący może być kontrolowana przez chłodzenie bocznego strumienia gazu i mieszanie go z powrotem z głównym przepływem gazu przed wejściem do suszarek, przez chłodzenie wymiennikiem ciepła całego strumienia gazu, przez dodawanie pary wodnej lub wody, albo przez zawracanie do obiegu i mieszanie części schłodzonego gazu wypływającego ze zbiornika suszącego z gorącym gazem dopływającym do zbiornika. Sterowanie temperatury na wyjściu suszarki jest pożądane dla całkowitej sprawności cieplnej procesu i w celu dopasowania temperatury na wyjściu suszarki do obowiązujących dalej wymagań

172 755 dotyczących sterowania, oczyszczania itd. Sterowanie temperatury może być również pożądane, aby uniknąć znacznej pirolizy i uwalniania smoły z paliwa podczas suszenia. Temperatury graniczne zależne są od właściwości stosowanego paliwa węglowego.

Szczególnie korzystne jest działanie suszarki lub każdej suszarki przy ciśnieniu podobnym jak ciśnienie gazyfikatora, ponieważ unika się wtedy konieczności sprężania lub rozprężania syntetyzowanego gazu przed wprowadzeniem w suszarki. W praktyce ciśnienie w suszarce będzie zwykle nieco niższe niż ciśnienie w gazyfkatorze ze względu na spadek ciśnienia w linii przenoszenia gazu. Korzystne jest, gdy suszarka lub każda suszarka (i gazyfikator) pracuje przy ciśnieniu od 15 do 40 atmosfer. W przypadku procesów zintegrowanych, w których schłodzony i nawilżony gaz opuszczający suszarki jest podawany na turbinę gazową, zalecane jest również dopasowanie ciśnienia w suszarkach do wymagań ciśnieniowych turbiny gazowej.

Gdy gorący gaz przechodzi przez zbiornik suszący, maleje zarówno zawartość wilgoci w paliwie jak i temperatura gazu. Zbiornik suszący lub każdy zbiornik suszący działa więc jako suszarka i równocześnie jako chłodnica, częściowo lub całkowicie eliminując potrzebę stosowania oddzielnego zbiornika chłodzącego.

W suszarce z porywanym przepływem suszone paliwo jest przenoszone ze zbiornika suszącego za pomocą chłodzonego gazu. Suszone paliwo może być oddzielane od chłodzonego gazu przy użyciu dowolnego elementu oddzielającego, takiego jak oddzielacz cyklonowy. Sortowanie i zawracanie do obiegu większych cząstek węgla z powrotem do suszarki może być zastosowane, jeżeli wymaga tego natura materiału węglowego. Suszone paliwo może być potem przenoszone z oddzielaczem bezpośrednio do zbiornika gazyfikacji, natomiast chłodzony gaz byłby przenoszony dalej w kierunku do urządzenia spalania gazu, którym może być turbina gazowa lub inne urządzenie spalające. Przenoszenie suszonego węgla z oddzielacza do gazyfikatora, wbrew mającego przeciwny zwrot gradientowi ciśnienia, może być realizowane przez dowolne odpowiednie środki, takie jak grawitacyjna rura doprowadzająca, strumienie powietrza, koło komorowe, przenośnik ślimakowy, lej zamykający itd. lub kombinacja tych elementów

Schłodzony gaz, opuszczający oddzielacz, jest korzystnie przepuszczany przez system oczyszczania gazu. Może on zawierać oddzielacz, taki jak inny oddzielacz cyklonowy, do usuwania cząstek węgla. System oczyszczania gazu może ponadto zawierać również filtr, taki jak filtr ceramiczny zatrzymujący cząstki stałe lub elektrostatyczny oddzielacz pyłu, aby usuwać drobne cząstki, zawierające przeniesiony węgiel i skroplone woski, smoły i sole alkaliczne.

System oczyszczania gazu może zawierać system płuczek wodnych i/lub proces odsiarczania. System płuczek wodnych może być stosowany albo zamiast filtru ceramicznego, albo oprócz filtru ceramicznego. System taki mógłby być potrzebny, gdyby paliwo zawierało znaczne ilości siarki lub azotu. System płuczek wodnych powodowałby również usuwanie pewnej ilości pary wodnej z produktu gazowego.

Gorący gaz wytworzony w gazyfikatorze, który nie jest podawany do suszarek, może być mieszany ze schłodzonym gazem opuszczającym suszarki, korzystnie zanim schłodzony gaz przejdzie przez urządzenie oczyszczania gazu.

Ponieważ sposób według przedmiotowego wynalazku nie wymaga dodawania wody do materiału węglowego przed wprowadzeniem do suszarek, produkt gazowy ma wystarczająco dużą energię właściwą dla większości zastosowań przemysłowych. Jeżeli jednak pożądane jest zwiększenie energii właściwej produktu gazowego, by spełnić konkretne potrzeby, można to zrobić wieloma sposobami, wliczając w to sposób opisany poniżej. Energię właściwą całego lub części schłodzonego produktu gazowego można zwiększać przez podawanie go do skraplacza, gdzie gaz ten może być dalej chłodzony, by skropliła się zawarta w nim woda. Jeżeli tylko część gazujest chłodzona w ten sposób, może być ona następnie mieszana z resztąproduktu gazowego, przez co wzrasta energia właściwa połączonego strumienia gazu.

Usuwanie wody przez skraplaniejest stosunkowo łatwe i może być przeprowadzane w celu zwiększenia energii właściwej zawartej w gazie. Równocześnie skraplanie wody będzie powodować w pewnym stopniu przepłukiwanie gazu wodą i zmniejszenie zawartości szkodliwych zanieczyszczeń, takich jak amoniak.

172 755

Alternatywą, która może pozwolić na uniknięcie konieczności usuwania wody ze strumienia produktu gazowego, byłoby częściowe wzbogacanie powietrza doprowadzanego do gazyfikatora tlenem z urządzenia rozdzielającgo powietrza. Pozwoliłoby to na wytworzenie ^CTazów o większej zawartości energii, a w pewnych okolicznościach można by uniknąć konieczności usuwania wody z produktu gazowego.

Produkt gazowy może być spalany w turbinie gazowej, by wytworzyć energię elektryczną, a ciepło pozostające w gazach spalinowych może być wykorzystywane do napędzania turbiny parowej również wytwarzającej energię elektryczną. Gaz może być również wykorzystywany w innych procesach przemysłowych.

Urządzenie według wynalazku zostanie dokładniej opisane na przykładzie wykonania, pokazanym w schemacie blokowym na rysunku.

W pokazanym na rysunku urządzeniu jest stosowany węgiel brunatny o dużej zawartości wilgoci i o parametrach płynięcia, które utrudniałyby przepływ przez system leja zamykającego. Taka jakość wymaga stosowania suszarki wstępnej do przygotowania węgla. Zaletą wstępnego suszenia węgla jest to, że część wilgoci związanej z węglem jest usuwana w taki sposób, że nie miesza się ona z końcowym produktem gazowym, zwiększając przez to ciepło właściwe gazu, dzięki czemu uzyskuje się produkt gazowy odpowiedni do spalania w turbinie gazowej.

Urządzenie pokazane na rysunku zawiera zbiornik gazyfikacji ze złożem fluidalnym i zbiorniki suszenia i suszenia wstępnego z porywanym przepływem.

Surowy węgiel jest podawany rurociągiem 1 do młyna 2, w którym rozmiar cząstek węgla jest zmniejszany do maksymalnego wymiaru około 6 mm, i w którym węgiel jest mieszany z przegrzaną parą wodną o temperaturze około 400 - 500°C dostarczaną przewodem 26. Węgiel i gorący gaz są przemieszczane przez całą długość zbiornika 3 suszenia wstępnego z porywanym przepływem, gdzie węgiel jest częściowo suszony, aby umożliwić jego przepływ przez następujące potem leje zamykające.

Po opuszczeniu zbiornika 3 suszenia wstępnego podsuszony węgiel i para wodna zostają oddzielone w oddzielaczu cyklonowym 4. Para jest oczyszczana w filtrze lub oddzielaczu elektrostatycznym 5, który usuwa drobne cząstki stałe, a następnie jest zawracana z powrotem do obiegu do wytwornicy pary 25 z odzyskiwaniem ciepła, podczas gdy nadmiar pary wodnej wytworzonej z wody odparowanej z węgla jest odprowadzany przewodem 28 do skraplacza 33, w którym para ta ogrzewa wodę zasilającą dla obiegu pary. Podsuszone cząstki węgla podawane są na szereg lejów zamykających 6, aby spowodować przejście z obszaru ciśnienia atmosferycznego do ciśnienia około 25 atmosfer. Z lejów zamykających 6 węgiel jest podawany na przenośnik ślimakowy 7, który doprowadza węgiel od spodu do szybu suszącego 8 z porywanym przepływem. W szybie suszącym utrzymuje się ciśnienie około 25 atmosfer.

Węgiel jest porywany w przepływie gorącego produktu gazowego z gazyfikatora 16. Gaz jest podawany od spodu do szybu suszącego przewodem 9. Po wejściu w szyb suszący gaz ma temperaturę rzędu 750 - 1050°C. Gorący gaz jest chłodzony wewnątrz suszarki przez odparowanie wody z wilgotnego węgla i opuszcza suszarkę przewodem wylotowym 10 przy temperaturze 200 - 250°C. Osuszony węgiel i schłodzony gaz są oddzielane w oddzielaczu cyklonowym 11. Suche cząstki węgla są podawane do gazyfikatora przewodem 12. Gaz wypływający z oddzielacza cyklonowego rurą wylotową 13 może być podawany bezpośrednio do zespołu 14 oczyszczania gazu, w celu usunięcia drobnych cząstek i szkodliwych gazów

Osuszony węgiel jest podawany z oddzielacza cyklonowego 11 przewodem 12 do zbiornika gazyfikacji 16, w którym następuje gazyfikacja węgla. Przepływ węgla do gazyfikatora jest sterowany obrotowym zaworem 15.

Gazyfikator 16 jest gazyfikatorem ze złożem fluidalnym z nadmuchem powietrza. Złoże gazyfikacji jest fluidyzowane sprężonym powietrzem wytwarzanym przez sprężarkę 19 sprzężoną z rozprężarką 20 turbiny gazowej. Powietrze z atmosfery jest wciągane do sprężarki przez wlot 21, a sprężone powietrze jest podawane z przewodem 22 do zbiornika gazyfikacj i 16. Pomocnicza sprężarka 17 w przewodzie 22 doprowadza powietrze do żądanego ciśnienia. Tlen w powietrzu reaguje chemicznie z węglem, by wspomagać wytwarzanie produktu gazowego. Gorący

172 755 produkt gazowy przechodzi ze zbiornika gazyfikacji do suszarki z porywanym przepływem poprzez przewód 9.

Boczny strumień 31 produktu gazowego jest chłodzony w wymienniku ciepła 32, w którym jest wytwarzana para dla procesu parowego. Schłodzony gaz jest mieszany z głównym strumieniem gazu w przewodzie 9.

Węgiel i popiół są usuwane ze zbiornika gazyfikacji, jak zaznaczono, przez odpływ 18.

Gaz opuszczający zespół 14 oczyszczania gazu ma temperaturę w przybliżeniu 200°C, ciśnienie około 24 atmosfer, zawartość wilgoci około 32% (objętościowo) i energię właściwą około 4,1 MJ/kg (przy 25°C. Ta energia właściwa jest wystarczająca dla osiągnięcia maksymalnej mocy wyjściowej z nowoczesnej turbiny gazowej.

Gaz jest podawany do komory spalania 23 turbiny gazowej, w której następuje spalanie gazu, by wytworzyć gorące gazy potrzebne do napędzania rozprężarki 20 turbiny gazowej, przy czym energia elektryczna wytwarzanajest przez generator 29. Gazy spalinowe z turbiny gazowej sąnastępnie podawane do wytwornicy 25 pary wodnej z odzyskiwaniem ciepła odprowadzanego przewodem 24, by wytwarzać parę wodną do wykorzystania w urządzeniu parowym 27, gdzie dalsza energia elektrycznajest wytwarzana przez generator 30. Wytwornica 25 pary wodnej z odzyskiwaniem ciepła wytwarza również parę wodną potrzebną dla suszarki wstępnej 3. Ta para wodnajest zawracana do obiegu do suszarki wstępnej 3 i do młyna 2 przewodem parowym 26.

W odróżnieniu od konwencjonalnego zintegrowanego, łączonego cyklu gazyfikacji (IGCC), sposób według wynalazku stanowi “zintegrowany, łączony cykl gazyfikacji z suszeniem (IDGCC)”. Sprawność obecnego procesu IDGCC została oceniona i porównana, jak w poniższej tabeli, z wynikami otrzymywanymi z procesu IGCC.

Tabela 1

	Przepływ węgla kg/s	Turbina gazowa MW	Turbina parowa MW	Energia wysyłana MW	Sprawność %
Sposób IDGCC według wynalazku	91,1	235	138	339	37,1
Konwencjonalny IGCC (suszenie w złożu fluidyzowanym parą wodną z rekompresją pary)	91,7	216	162	331	36,1

Widać, że sposób IDGCC zapewnia wytworzenie więcej energii z tej samej turbiny gazowej, ponieważ przepływ gazujest zwiększony przy większej zawartości wilgoci w gazie palnym i przy podobnej całkowitej sprawności przetwarzania. Oba procesy będą emitować podobne ilości dwutlenku węgla do atmosfery. Sposób według wynalazku wymaga znacznie niższe nakładów kapitałowych niż proces IGCC.

Sposób według wynalazku nadaje się do gazyfikowania rozdrobnionego materiału węglowego w postaci stałej, który jest wilgotny, ale bez wolnej wody, takiego jak niektóre gatunki węgla brunatnego w stanie wprost po wydobyciu. Jest on szczególnie odpowiedni do gazyfikacji spiekanych, rozdrobnionych materiałów węglowych w stanie stałym, o wielkości ziaren 6 mm lub mniej.

Procesy wykorzystuj ące ciepło w produkcie gazowym do suszenia paliwa nadaj ą się do gazyfikacji materiału, który jest albo już w postaci szlamu (np. szlam ściekowy), wymaga utworzenia zawiesiny przed gazyfikacją materiału, albo wymaga dodawania wody w celu utrzymania węgla w bryłach o rozmiarach odpowiednich dla gazyfikacji i/lub suszenia w procesie w złożu stałym. Sposób według wynalazku działa bez dodawania wody do materiału węglowego, dzięki czemu jest to proces termicznie sprawniejszy, dający produkt gazowy o większej właściwej zawartości energii, a zatem, w przypadku elektrowni, ilość energii elektrycznej wysyłanej jest większa w przeliczeniu na daną ilość zużytego paliwa.

172 755

Proces suszenia przeprowadzany jest w jednej lub w kilku suszarkach z porywającym przepływem, które są zdolne do suszenia rozdrobnionego paliwa stałego bez dodawania wody i są mniejsze, a zatem tańsze niż porównywalna suszarka ze złożem stałym lub suszarka ze złożem fluidalnym. Proces suszenia jest zintegrowany z procesem gazyfikacji, z wykorzystaniem ciepła produktu gazowego do suszenia doprowadzanego paliwa, przez co suszenie paliwa i chłodzenie gazu następuje w jednym, zintegrowanym etapie. Eliminuje to konieczność stosowania oddzielnego wymiennika ciepła do chłodzenia produktu gazowego przed czyszczeniem i końcowym wykorzystanem gazu.

Proces suszenia przebiega również przy ciśnieniach normalnie występujących w przemysłowych gazyfikatorach. Ciśnienia takie sąrównież odpowiednie do podawania bezpośrednio na turbinę gazową. Proces nie wymaga zatem specjalnego stosowania podwyższonych ciśnień, takjak to byłoby potrzebne, gdyby stosowany był proces odwadniania hydrotermicznego. Wynikiem zastosowania suszenia hydrotermicznego jest również zanieczyszczony czynnik wypływający, który trzeba poddawać obróbce. Suszenie z przepływem porywającym nie daje takich czynników wypływających.

172 755

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 4,00 zł

Claims (17)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób gazyfikacji rozdrobnionego paliwa węglowego w postaci stałej, o dużej zawartości wilgoci, znamienny tym, że wprowadza się paliwo do co najmniej jednego ciśnieniowego zbiornika suszącego bez dodawania wody do paliwa, zmniejsza się zawartość wilgoci w paliwie w tym zbiorniku suszącym do poziomu wymaganego dla gazyfikacji, przez przepuszczanie gorącego produktu gazowego przez zbiornik suszący, tak że cząstki paliwa są porywane w przepływie gazu, chłodząc przy tym i nawilżając gaz, oddziela się ochłodzony i nawilżony gaz od wymienionego paliwa, przenosi się paliwo o zmniejszonej zawartości wilgoci ze zbiornika

   Λλ 1 b „o b z-Jy f i___K- ______ii______ uu zuiumiKa uadi^puięptuwauzi anj? £αζ.γιΐΛ.α.ν]ξραιιννα w zuiuiuuiu gazyfikacji, aby wytworzyć gorący produkt gazowy i, w końcu wprowadza się przynajmniej część uzyskanego wcześniej gorącego produktu gazowego do zbiornika suszącego w temperaturze niższej od temperatury wymaganej dla znacznej pirolizy cząstek paliwa w zbiorniku suszącym.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się paliwo węglowe w postaci stałej o maksymalnym rozmiarze cząstek około 6 mm.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się zamykany system leja do wprowadzania rozdrobnionego paliwa węglowego w zbiornik suszący.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w zbiorniku suszącym utrzymuje się ciśnienie, przy którym ochłodzony i nawilżony gaz wypływający ze zbiorników suszących jest pod ciśnieniem odpowiednim dla działania turbiny gazowej.
5. 5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że utrzymuje się ciśnienie w zbiorniku suszącym o wartości 15-40 atmosfer.
6. 6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że utrzymuje się ciśnienie w zbiorniku suszącym o wartości około 25 atmosfer.
7. 7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w zbiorniku gazyfikacji utrzymuje się ciśnienie o wartości podobnej do ciśnienia w zbiorniku suszącym.
8. 8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rozdrobnione paliwo węglowe w postaci stałej suszy się częściowo w suszarce wstępnej.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że wilgoć usuwa się z powierzchni cząstek w suszarce wstępnej.
10. 10. Sposób według zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że ciepło dostarcza się do suszarki wstępnej przez parę wodną wytwarzaną za zbiornikami suszącymi.
11. 11. Urządzenie do gazyfikacji rozdrobnionego paliwa węglowego w postaci stałej, o dużej zawartości wilgoci, znamienne tym, że zawiera zbiornik gazyfikacji (16) do gazyfikowania wymienionego paliwa w celu wytworzenia gorącego produktu gazowego, co najmniej jeden ciśnieniowy zbiornik suszący (8) do zmniejszania zawartości wilgoci w paliwie do poziomu wymaganego dla gazyfikacji oraz do chłodzenia i nawilżania przynajmniej części gorącego produktu gazowego przez przepuszczanie przynajmniej części gazu przez zbiornik suszący lub każdy zbiornik suszący (8), tak że wymienione cząstki paliwa są porywane w przepływie gazu, środki (7) do wprowadzania paliwa do zbiornika suszącego bez dodawania wody do paliwa, środki (9) do przenoszenia przynajmniej części gorącego produktu gazowego ze zbiornika gazyfikacji (16) do zbiornika suszącego (8) w temperaturze, przy której nie następuje znaczna piroliza cząstek paliwa w zbiorniku suszącym (8), środki (15) do oddzielania ochłodzonego i nawilżonego gazu od wymienionego paliwa oraz środki do przenoszenia paliwa o zmniejszonej zawartości wilgoci ze zbiornika suszącego (8) zbiornika gazyfikacji (16).

    172 755
12. 12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że zawiera 1-6 ciśnieniowych zbiorników suszących (8).
13. 13. Urządzenie według zastrz 11 albo 12, znamienne tym, że ciśnienie w zbiorniku &uM4vyui wu w Kduuyin zuiucumu &ubząvyus wynubi U - Hm annosier.
14. 14. Urządzenie według zastrz 13, znamienne tym, że ciśnienie w zbiorniku suszącym (8) lub w każdym zbiorniku suszącym wynosi około 25 atmosfer.
15. 15. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że ciśnienie w zbiornikach suszących (8) i w zbiorniku gazyfikacji (16) jest podobnej wartości.
16. 16. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że zawiera ponadto suszarkę wstępną do częściowego suszenia rozdrobnionego materiału węglowego, aby usunąć wilgoć z powierzchni cząstek i ułatwić przez wprowadzanie materiału do zbiorników suszących (8).
17. 17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że ciepło jest dostarczane do suszarki wstępnej przez parę wodną wytwarzaną za zbiornikami suszącymi (8).